Лучистая энергия в атмосфере

Солнце является практически основным источником энергии на Земле, поэтому знание всех закономерностей прихода к атмосфере лучистой энергии Солнца, законов ее поглощения и рассеяния атмосферой, а также роли земной поверхности и атмосферы в формировании потоков длинноволновой радиации чрезвычайно важно. Изучение этой темы следует начать с основных законов температурного излучения (законов Кирхгофа, Стефана-Больцмана и Вина). При этом надо освежить в памяти такие понятия, как спектр излучения (распределения энергии излучения по длинам волн), понятие энергетической яркости, энергетической освещенности, коэффициентов поглощения, отражения, пропускания (массовых и объемных) и т.д.

Далее следует перейти к рассмотрению тех процессов, которые связаны с ослаблением атмосферой потока солнечной радиации. Основным законом является закон Буге. Здесь введены новые понятия оптической массы атмосферы, коэффициента прозрачности атмосферы. Обратите внимание на связь монохроматических потоков с интегральными, на селективный характер поглощения солнечной радиации в атмосфере, на физический смысл фактора мутности атмосферы. Необходимо научиться вычислять суммы прямой и рассеянной суммарной радиации, характеристики прозрачности атмосферы. Покажем способы решения таких задач на конкретных примерах.

Задача 1. При высоте солнца 30⁰ прямая радиация на перпендикулярную поверхность у земли составила I = 0,72 кВт/м². Вычислить коэффициент прозрачности р, коэффициент ослабления  и фактор мутности Т.

Решение.

; ; .

Коэффициент прозрачности идеальной атмосферы р_и при числе масс атмосферы m=2 найдем по таблице (см. 1, с. 160):

P_n=0,916; ; =  lnp = 0,326 ;

Выясните, как изменяются характеристики прозрачности с увеличением высоты солнца. Изучите факторы, влияющие на величину отраженной и поглощенной солнечной радиации земной поверхностью. Рассмотрите излучение Земли и атмосферы. Здесь важно хорошо представлять себе, как выглядит спектр излучения Земли, нагретой до средней температуры (например, 273 К). Обращает на себя внимание то, что максимум излучения в этом случае близок к окну прозрачности атмосферы. Необходимо знать, по какой причине может менять знак эффективное излучение Земли. Следует обратить внимание на формулы, учитывающие присутствие в атмосфере Н₂О, СО₂ и облаков, «удерживающих» часть уходящего от Земли длинноволнового излучения. Потоки прямой и рассеянной радиации, альбедо поверхности, излучение Земли и атмосферы входят в уравнение радиационного баланса деятельного слоя подстилающей поверхности Земли.

Тщательно проанализируйте суточный и годовой ход радиационного баланса деятельного слоя земли на различных широтах, в условиях различных отражательных свойств поверхности (величины альбедо), различного режима температуры, влажности и облачности в нижнем слое атмосферы.

С процессами рассеяния, поглощения, поляризации света связан ряд оптических явлений. Рассмотрите их. Изучите основы теории дальности видимости. Разберитесь в определении метеорологической дальности видимости (МДВ). Почему она зависит главным образом от прозрачности атмосферы?

Изменение плотности воздуха с высотой может привести к оптическим явлениям, обусловленным рефракцией света. Изучите их.

Литература

[1] – Раздел П, гл.6, п. 2–7; гл. 7, п. 15; гл. 8, п. 1 2.

Вопросы для самопроверки

1. Что Вы знаете о строении Солнца? Какова температура излучения фотосферы Солнца? Нарисуйте спектр солнечного излучения.

2. Что такое солнечная активность?

3. Что называется солнечной постоянной? В каких единицах она измеряется?

4. Что называется абсолютно черным телом? Как связана величина падающего потока солнечной радиации с его отражением, поглощением, пропусканием?

5. Напишите и проанализируйте законы Кирхгофа, Стефана – Больцмана, Вина.

6. Объясните физический смысл закона Буге, оптической массы атмосферы, массовых и объемных коэффициентов ослабления (их размерности).

7. Что такое коэффициент прозрачности? Как интегральный коэффициент прозрачности зависит от числа масс атмосферы?

8. Каковы основные выводы теории молекулярного рассеяния?

Объясните характер рассеяния лучистой энергии на крупных частицах.

9. Какие газы поглощают солнечную радиацию? Назовите полосы их поглощения.

10. Какой является рассеянная радиация (коротковолновой или длинноволновой)? Почему?

11. Как рассчитать число масс атмосферы? Какие вы знаете способы его определения?

12. Что такое альбедо?

13. Каков спектральный состав излучения Земли и атмосферы? От каких причин он зависит?

14.Какие газы, входящие в состав атмосферы, поглощают излучение Земли?

15. Что такое эффективное излучение Земли? От чего зависит его знак?

Какой знак имеет эффективное излучение при инверсии температуры, при тумане?

16. Каковы основные закономерности молекулярного рассеяния света в атмосфере?

17. Каковы основные закономерности аэрозольного рассеяния света в атмосфере?

18. Какие факторы влияют на радиационный баланс подстилающей поверхности?

19. Каков годовой и суточный ход радиационного баланса на северном полюсе, на экваторе, в Санкт-Петербурге?

20. Какие факторы влияют на дальность видимости реальных объектов?

21. Какие оптические явления связаны с астрономической рефракцией?

22.Какие оптические явления обусловлены земной рефракцией?