Радиационный режим в атмосфере
Излучение в атмосфере
Реферат
Радиационный режим в атмосфере
Составлен:
Карбышевым С.Ф.
Введение
Большинство происходящих в атмосфере явлений, изучаемых
оптиками и метеорологами, развиваются за счет
лучистой энергии, т.е. энергии, доставляемой Земле солнечной радиацией.
Мощность этой энергии примерно может быть оценена в 18*1023 эрг/с. Энергетический спектр солнечной
радиации на границе атмосферы близок к спектру абсолютно черного тела с
температурой порядка 60000К (рис.1.[1]).
До того, как солнечное излучение
достигнет поверхности, оно проделает
длинный путь через
земную атмосферу, где будет не только
рассеяно и ослаблено, но и изменено по спектральному
Рис.1. Распределение энергии в спектре
солнечной радиации на границе атмосферы: 1- по данным 1903-1910 гг., 2 -
1920-1922 гг., 3 - 1917 г., 4 - абсолютно черное тело при температуре 57130К.
составу. В результате дошедшая до места
наблюдения (земной поверхности) в виде параллельных лучей от Солнца так
называемая прямая солнечная радиация будет как количественно, так и качественно
отлична от солнечной радиации за пределами атмосферы [1].
Солнечная
(коротковолновая) радиация преобразуется, проходя через атмосферу, в следующие
виды радиации:
рассеянную (ввиду наличия в атмосфере различных ионов и молекул газов, частиц
пыли происходит рассеяние прямой солнечной энергии во все стороны; часть рассеянной энергии доходит до
поверхности Земли), отраженную (часть попавшей в атмосферу и на земную
поверхность энергии отражается обратно), поглощенную (происходит диссоциация и
ионизация молекул верхних слоях атмосферы, нагрев воздуха и самой земной
поверхности, тех предметов, которые на ней находятся).
Спектр
Солнца
Как
видно из рис.1., энергетический спектр излучения близок к спектру абсолютно черного
тела при температуре T~60000К, но не совпадает с
ним, т.к. яркость солнечного диска планомерно уменьшается от его центра к
краям. Наилучшей формой представления распределения энергии в солнечном спектре
является формула В.Г. Кастрова:
l0,l*Dl=0,021*l-23*exp(-0,0327*l-4)*Dl[1] (1).
Формулы, описывающей распределение энергии Солнца на поверхности Земли
пока не существует, т.к. в нее должно входить слишком много флуктуирующих
параметров (плотность и высотное распределение газов, альбедо отражающих
поверхностей, температура и т.п.).
Ослабление
потоков лучистой энергии в атмосфере
Солнечное излучение, проходя через атмосферу, ослабляется благодаря
эффектам рассеяния и поглощения. Для потоков лучистой энергии атмосфера в
видимой части спектра является мутной средой, т.е. рассеивающей, а в
ультрафиолетовой и инфракрасной - поглощающей и рассеивающей. Световой поток
поглощается в атмосфере, причем количество энергии, дошедшей до поверхности
Земли, можно найти из закона Бугера (закон ослабления света):
I=I0*exp(-)[3] (2),
где I0 -
интенсивность падающего
излучения (на границе атмосферы), Z0£750 (плоско-параллельная модель атмосферы), H - путь, пройденный светом до земной
поверхности, k(h)-
коэффициент поглощения (ослабления) светового потока, зависящий от высотного
распределения плотности, состава атмосферы, физических и химических свойств
газов, частиц, находящихся в атмосфере (рис.2.[1]).
Рассмотрим избирательное поглощение лучистой энергии в атмосфере. Любое
вещество имеет свои полосы поглощения (рис.3.[1]). Из газов, входящих всегда в состав
атмосферы, существенным для нас селективным поглощением обладают лишь O2,
O3, CO2 и
водяной пар H2O.
Кислород вызывает интенсивное поглощение света
В далекой ультрафиолетовой области для
длин волн l<200 нм, с максимумом поглощения около l=155нм. Поглощение в этой области спектра настолько велико
уже в самых высоких слоях
Рис.2. Распределение энергии в
нормальном солнечном спектре.
Рис.3. Спектр поглощения земной
атмосферы.
атмосферы, что солнечные лучи с длиной
волны l<200нм не доходят до высот, доступных для
наблюдения с поверхности Земли и самолетов. Кислород также дает систему полос в
видимой области спектра: A
(759,4- 70,3 нм; lmax=759,6 нм); B (686,8 - 694,6 нм; lmax=686,9 нм). Углекислый газ (CO2) - основная узкая полоса с lmax=4,3 мкм, остальные - слишком
незначительны, поэтому не имеют для нас существенного значения. Озон (O3)
имеет весьма сложный
спектр поглощения, линии и полосы которого охватывают всю область солнечного
спектра, начиная от крайних ультрафиолетовых лучей и до далекой инфракрасной
области[1].
В земной атмосфере озона мало, он располагается в виде слоя (10 - 40 км) с
центром тяжести на высоте около 22 км, но обладает сильной поглощательной
способностью. Его полосы:
п.Гартлея (200 - 320 нм;
lmax=255 нм); п.Шапюи (500 - 650 нм; lmax=600 нм). Наибольшее значение в
поглощении лучистой энергии в атмосфере имеет водяной пар (H2O), которого очень много в нашей
атмосфере (влажность, облака и т.п.), его полосы поглощения: rst (0,926 - 0,978 мкм; lmax=0,935 мкм); F (1,095 - 1,165 мкм; lmax=1,130 мкм); Y (1,319
- 1,498 мкм; lmax=1.395); W (1,762 - 1.977 мкм; lmax=1.870 мкм); C (2,520 - 2,845 мкм; lmax=2,680 мкм). Наиболее точная формула для
расчета величины поглощенной в атмосфере энергии солнечной радиации имеет вид:
DE=0,156*(m*v)0,294 кал/см2* мин.[2] (3),
где m - пройденный лучами путь, v - общее
содержание водяного пара в вертикальном столбе атмосферы единичного сечения (1
см2). Далее рассмотрим атмосферные аэрозоли и пыль, их содержание
зависит от высоты, они влияют на уменьшение прозрачности атмосферы.
Рассмотрим
отраженную радиацию, т.е. радиацию, которая достигает земной поверхности,
частично отражается от нее и вновь возвращается в атмосферу. Также отраженная
радиация - это и излучение, отраженное от облаков.
Количество
отраженной некоторой поверхностью энергии в сильной мере зависит от свойств и
состояния этой поверхности, длины волны падающих лучей. Можно оценить
отражательную способность любой поверхности, зная величину ее альбедо, под
которым понимается отношение величины всего потока, отраженного данной
поверхностью по всем направлениям, к потоку лучистой энергии, падающему на эту
поверхность;
обычно его выражают в процентах (ТАБЛИЦА 1[1]).
ТАБЛИЦА 1 ВИД ПОВЕРХНОСТИ АЛЬБЕДО СУХОЙ ЧЕРНОЗЕМ 14 ГУМУС 26 ПОВЕРХНОСТЬ ПЕСЧАНОЙ ПУСТЫНИ 28 -38 ПАРОВОЕ ПОЛЕ ( СУХОЕ) 8 - 12 ВЛАЖНОЕ ВСПАХАННОЕ ПОЛЕ 14 СВЕЖААЯ ( ЗЕЛЕНАЯ ) ТРАВА 26 СУХАЯ ТРАВА 19 РОЖЬ И ПШЕНИЕЦА 10 - 25 ХВОЙНЫЙ ЛЕС 10 - 12 ЛИСТВЕННЫЙ ЛЕС 13 - 17 ЛУГ 17 - 21 СНЕГ 60 - 90 ВОДНЫЕ ПОВЕРХНОСТИ 2 - 70 ОБЛАКА 60 - 80
Рассмотрим
рассеянную радиацию. Рассеяние в атмосфере может происходить на молекулах газов
(молекулярное рассеяние) и частицах (крупных (l<<r), средних (l~r), мелких (l>>r)), находящихся в атмосфере, оно
зависит также и от наличия облачности. Основы
этой теории заложены Рэлеем, но позже она была усоршенствована другими
учеными уже для различных размеров, форм и свойств частиц. Для анализа явлений рассеяния используют уравнение
переноса излучения; запишем
его в векторной форме[3: (4),
где Si -
параметры Стокса (S1=I -
суммарная интенсивность, S2=I*p*cos(Y0), Y0 - угол поворота направления максимальной поляризации
относительно плоскости референции, p
- степень линейной поляризации, S3=I*p*sin(Y0), S4=I*q, q - степень эллиптичности поляризации),fij
- матрица рассеяния. При
молекулярном рассеянии диполи под
действием падающей волны начинают двигаться с ускорением, следовательно
излучают волны с частотой падающей волны, т.е. происходит рассеяние света на
данных молекулах. Рассмотрим
коэффициент молекулярного ослабления kMS и учтем, что рассеяние должно
происходить тогда, когда показатель преломления частицы относительно среды n не равен единице, тогда:
[3] (5) (l << r),
где N - число частиц в единице объема, l - длина падающей волны. Также
запишем функцию, показывающую «разбрасывание
света по углам»:
fMS(j)=3*tMS*(1+cos2(j))/(16*p)[3] (6),
где tMS - оптическая толща молекулярного рассеяния. Если ввести
параметр D, характеризующий анизотропию молекул,
то формула (6) примет вид:
fMS(j)=3*tMS*(1+D+(1-D)*cos2(j))/(16*p)[3] (7)
Обычно молекулярный рассеянный свет
поляризован:
[3](8),
где Pлин - степень линейной поляризации.
При попадании света на крупные частицы,
обычно находящиеся вблизи поверхности Земли, происходит частичная потеря
импульса падающей электро-магнитной волны, т.е. на молекулу действует световое
давление, тогда будем иметь эффекты дифракции, отражения и преломления,
пронукновения электро-магнитной волны вовнутрь частицы. В результате может возникнуть интерференция
падающей волны и вышедшей из частицы за счет явления внутреннего отражения. Все
эти явления описываются в теории Ми. Предположения теории Ми: частицы сферические, однородные, не
сталкиваются; атмосфера
- плоско-параллельный слой. Т.к. показатель преломления частиц, описываемых
теорией Ми, - комплексный:
m=n+i*c, где n - обычный показатель преломления, c -
характеризует поглощение волны частицей.
В результате рассеяния прямого
солнечного излучения в атмосфере, она сама становится источником излучения,
которое достигает земной поверхности в виде рассеянного излучения. Максимум в
спектре рассеянной радиации смещен в более коротковолновую область, чем у
солнечного спектра; также
состав рассеянной радиации зависит от высоты Солнца (рис.4.[1]).
Рис.4. Распределение энергии в спектре
рассеянного света, посылаемого различными точками небесного свода.
Рассеянная
радиация также зависит и от облачности, что проиллюстрировано на рис.5.[1], который построен по экспериментальным
данным для г. Павловска. Нередки случаи, когда рассеянная радиация достигает
значений, сравнимых с потоком прямой солнечной радиации[1]. Это явление обычно происходит в
северных широтах. Оно объяснимо тем, что чистый сплошной снежный покров имеет черезвычайно
большую отражательную способность. Облака являются средами, которые могут сильно
рассеивать свет; опыты
показали, что плотные облака толщиной 50 - 100 метров уже полностью рассеивают
прямые солнечные лучи.
Рис.5. Рассеянная радиация атмосферы
при безоблачном небе и при сплошной облачности (10 баллов).
Реферат
содержит
СТРАНИЦ ТАБЛИЦ РИСУНКОВ ФОРМУЛ 14 1 5 8
Литература
1. «Курс метеорологии» под ред. Г.Н.Тверского,
ГИДРОМЕТЕОИЗДАТ, Л., 1951г..
2. Справочник «Атмосфера», ГИДРОМЕТЕОИЗДАТ, Л., 1991г..
3. Лекции Павлова В.Е. по оптике атмосферы
для студентов III - V
курсов специализации «Оптическое
зондирование атмосферы», АГУ,
Барнаул, 1996г..
Связь поглощения лучистой энергии атмосферой земли от положения солнца. Программа для расчета распределения энергии в солнечном спектре. Спектр рассеянного атмосферой солнечного излучения. Расчет радиационной температуры поверхности Земли. Реферат на тему радиация и её режимы в атмосфере. Особенности радиационного режима города барнаула. Радиационный режим атмосферы радиационный режим. Солнечный свет световой режим поверхности земли. Распределение солнечной радиации вне атмосферы. Поглощение солнечного излучения в атмосфере. Максимальная доза радиации в рентген час. Поглащение света землной поверхностью. Реферат на тему Излучение в атмосфере. Степень линейной поляризации Стокс. Радиационная температура атмосферы.
|
