Радиация в атмосфере Irina Alliksoo Euroakadeemia 2016

ПЛАН Электромагнитная радиация, спектральный состав солнечной радиации, законы излучения,тепловое и лучистое равновесие Земли. Солнечная постоянная,прямая солнечная радиация, изменение солнечной радиации в атмосфере и на земной поверхности, поглощение и рассеяние солнечной радиации в атмосфере, явления, связанные с рассеянием радиации: рассеянный свет, цвет неба, сумерки и заря, атмосферная видимость, закон ослабления радиации в атмосфере, коэффициент прозрачности, фактор мутности. Суточный ход прямой и рассеянной радиации. Суммарная радиация. Отражение радиации и альбедо, Планетарное альбедо Земли Поглощенная радиация. Излучение земной поверхности, встречное излучение, эффективное излучение,. «Парниковый» эффект. Уходящая радиация, радиационный баланс земной поверхности

Радиация перенос электромагнитных волн по прямым линиям со скоростью света(300 км/с) Солнце-основной источник поступающей на землю радиации электромагнитные волны-распространяющиеся в пространстве колебания,т,е периодические изменения электрических и магнитных сил в каждой точке пространства длина волны-расстояние между соседними максимумами (минимумами) ] ] частота колебаний v- число колебаний в секунду C= λv скорость распространения колебаний

длина волны λ -расстояние между соседними максимумами (минимумами)

Тепловое и лучистое равновесие Земли лучистая энергия Солнца - практически единственным источником тепла для поверхности Земли и для ее атмосферы часть солнечной радиации - видимый свет,солнце- источник света лучистая энергия Солнца - превращается в тепло отчасти в самой атмосфере, но в основном на земной поверхности-на нагревание верхних слоев почвы и воды, а от их и воздуха -нагретая земная поверхность и нагретая атмосфера -излучение невидимой инфракрасной радиации, отдавая эту радиацию в мировое пространство, земная поверхность и атмосфера охлаждаются. тепловое равновесие - приход тепла уравновешивается его потерей лучистое равновесие - приток радиации к ней уравновешивается отдачей радиации в мировое пространство

Электромагнитный спектр- распределение электромагнитной радиации по длинам волн ультрафиолетовая- 0,01-0,39 мкм, невидима видимый свет -0,40( фиолетовый)-0,76 мкм(красный),воспринимается глазом Инфракрасная- >0,76-до неопределенного верхнего предела, условно до 500 или 1000 мкм, невидима

Видимый свет 0,40( фиолетовый)-0,76 мкм(красный),воспринимается глазом каждый охотник желает знать, где сидит фазан

Спектральный состав солнечной радиации 0,1-4 мкм-99% 0,4-0,76 мкм-47% ИК-44% УФ-9%

В метеорологии Коротковолновая радиация- в диапазоне длин волн от 0,1 до 4 мк -включает:видимого свет+ближайшую к нему по длинам волн ультрафиолетовую и инфракрасную радиацию длинноволновая радиации земной поверхности и атмосферы с длинами волн от 4 до мк солнечная радиация на 99% -коротковолновая радиация

Законы излучения закон Планка- распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела по длинам волн -энергия в каждом интервале длин волн зависит только от температуры излучателя закон излучения Кирхгофа: -отношение излучательной способности любого тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел при данной температуре для данной частоты и не зависит от их формы и химической природы. Закон Вина(Закон смещения): -выражение связи длины волны максимального излучения λ макс абсолютно черного тела с его абсолютной температурой Т: λ макс=в/T,где в- постоянная Вина Закон Стефана Больцмана: -выражение для полного потока излучения абсолютно черного тела в зависимости от его абсолютной температуры Т,где

Солнечная постоянная Количественная мера солнечной радиации- энергетическая освещённость или плотность потока солнечной радиации: -количество лучистой энергии, падающей на единицу площади в единицу времени Вт/м² Солнечная постоянная-освещённость солнечной радиации на верхней границе атмосферы, проходящий за единицу времени на единицу площади, перпендикулярной к солнечным лучам, при среднем расстоянии Земли от Солнца зависит от излучательной способности солнца и расстояния от Земли до Солнца по данным внеатмосферных измерений солнечная постоянная составляет 1367 Вт/м², или 1,959 кал/см²·мин.

прямая солнечная радиация- радиация, приходящая к земной поверхности непосредственно от солнечного диска инсоляция-поток прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность - энергетическая освещённость для определённой длины волны λ- спектральная плотность энергетической освещённости

Изменения солнечной радиации в атмосфере и на земной поверхности 30%- отражается назад в космическое пространство 70%-поступает в атмосферу

Распределение солнечной радиации в атмосфере и на земной поверхности

Поглощение солнечной радиации в атмосфере 23% прямой солнечной радиации Основные поглотители: водяной пар- в видимой и ближней инфракрасной области спектра+аэрозоли- по всему спектру 15% поглощаемой радиации Облака -5% Озон- в ультрафиолетовой и видимой области спектра ( до 3% всей солнечной радиации) углекислый газ-радиацию в инфракрасной области спектра кислород- в видимой и в ультрафиолетовой области спектра азот-ультрафиолетовой области спектра

Рассеяние солнечной радиации в атмосфере Рассеяние- частичное преобразование прямой солнечной радиации, имеющей определенное направление в радиацию, идущую по всем направлениям возникает в оптически неоднородной среде: -атмосферный воздух, содержащий мельчайшие частички жидких и твердых примесей - капельки, кристаллы, ядра конденсации, пылинки) -чистый, свободный от примесей воздух вследствие теплового движения молекул 26% энергии общего потока солнечной радиации приходит к земной поверхности не от солнечного диска, а от всего небесного свода её приток измеряется на горизонтальную поверхность в Вт/м 2 лучи различных длин волн рассеиваются рассеиваются в разной степени: чем меньше размеры рассеивающих частиц,тем сильнее засеиваются коротковолновые лучи по сравнению с длинноволновыми

Явления, связанные с рассеянием радиации закон- Релея молекулярное рассеяние обратно пропорционально четвертой степени длины волны крайние фиолетовые лучи рассеиваются в 14 раз больше, чем крайние красные Голубой цвет неба: синие, преобладают (к фиолетовым лучам мала восприимчивость человеческого глаза) стратосфера- черно-фиолетовый цвет неба облачное небо-т.к капли в облаках крупнее длины волны, поэтому весь видимый спектр (от красного до фиолетового) рассеивается примерно одинаково частицы 1-2 мкм-диффузное отражение, белесый цвет неба

Сумерки и заря причина- освещение Солнцем, находящихся под горизонтом, высоких слоёв атмосферы Солнцем сумерки-освещение небесного свода и освещение земной поверхности рассеянным светом после того, как солнце уже зашло за горизонт (вечерние сумерки), или перед тем, как оно взойдет (утренние сумерки) свет проходит по касательной к земной поверхности, путь света в атмосфере, становится намного больше, чем днём,большая часть синего и зелёного света рассеивается из прямого солнечного света, поэтому прямой свет солнца, а также освещаемые им облака и небо вблизи горизонта окрашиваются в красные тона Заря свечение неба перед восходом и после заката солнца (рассеяние и дифракция света) астрономические сумерки- продолжаются вечером, до тех пор пока центр солнце не зайдёт под горизонт на 18° гражданские сумерки- промежуток времени, в течение которого солнце остается под горизонтом не ниже 8°

Видимость дальность видимости-расстояние, на котором в атмосфере перестают различаться очертания предметов Атмосферные явления, ухудшающие видимость: дымка, туман, мгла, атмосферные осадки, метель, пыльная буря нормальное значением видимости (при отсутствии явлений погоды) условно считается 10 км Туман- видимость менее 1000 м

Пыльная буря

Закон ослабления радиации радиация ослабляется в атмосфере путем поглощения и рассеяния пропорционально 1. самому потоку радиации (чем больше поток, тем больше будет потеряно радиации при прочих равных условиях), 2. количеству поглощающих и рассеивающих частиц на пути лучей(зависит от длины пути лучей сквозь атмосферу и от плотности воздуха) коэффициент прозрачности- доля солнечной радиации,доходящая до земной поверхности при отвесном падении солнечных лучей для идеальной атмосферы, не содержащей водяного пара и аэрозольных примесей- около 0,9 реальные атмосферные условия на равнине от 0,60 до 0,85 (зимой больше, чем летом) фактор мутности- характеристика ослабления солнечной радиации в атмосфере, представляющая собой отношение коэффициентов ослабления реальной и идеальной атмосферы или число идеальных атмосфер, ослабляющих приходящую радиацию в такой же мере, как данная реальная атмосфера величина фактор мутности зависит от свойств воздушных масс

Суточный ход прямой солнечной радиации

Годовой ход среднемесячных значений прямой солнечной радиации

Влияние на поток прямой радиации поглощения её водяным паром

Влияние высоты На каждые 100 м- увеличение 0,007-0,14 к Вт/м 2 в горах макс. значения 1,19 к Вт/м 2 и более Влияние широты и влагосодержания макс.-сухой воздух субтропических пустынь(Сахара) 1,1 к Вт/м 2

Суточный ход рассеянной радиации

Суммарная радиация вся солнечная радиация, приходящая к земной поверхности прямая и рассеянная где S- энергетическая освещённость прямой радиации,D- энергетическая освещённость рассеянной радиации, h - высота солнца.

Отражение солнечной радиации. Поглощенная радиация. Альбедо Земли. Отраженная радиация Поглощенная радиация альбедо (лат. albus белый) поверхности А - отношение количества отраженной радиации к общему количеству радиации, падающей на данную поверхность, выражается в процентах.

Значения альбедо почвы 10-30% влажный чернозем-снижение до 5%, сухой светлый песок-возрастание до 40% леса, луга, поля % свежевыпавший снег % давно лежащий снег - около 50% и ниже. гладкая водная поверхность для прямой радиации-от нескольких процентов при высоком солнце до 70% при низком солнце,зависит также от волнения для рассеянной радиации альбедо водных поверхностей 5-10%. поверхность мирового океана 5-20%. верхняя поверхность облаков - от нескольких процентов до 70-80%, в среднем 50-60%.

Альбедо Земли или планетарное альбедо -отношение этой уходящей в космос отраженной и рассеянной солнечной радиации к общему количеству солнечной радиации, поступающему в атмосферу оценивается в 31% основная часть планетарного альбедо Земли - отражение солнечной радиации облаками.

Распределение планетарного альбедо

Излучение земной поверхности Е s - собственное излучение земной поверхности- длинноволновая (инфракрасном) спектре (закон Стефана – Больцмана) радиация, которую излучают верхние слои почвы и воды, снежный покров и растительность при 15° или 288К равна 3,73* 10 2 Вт/ м 2. разогретая поверхность Земли сама излучает радиацию в атмосферу в длинноволновом (инфракрасном) спектре (закон Стефана – Больцмана) (Е s ) – это расходная составляющая радиационного баланса Земли «окно прозрачности» для земного излучения 8,2-12 мкм

Встречное излучение Еа- атмосферную радиация( инфракрасный диапазон), приходящая к земной поверхности поглощается Земной поверхностью почти целиком (на 90-99%) важный источник тепла для земной поверхности в дополнение к поглощенной солнечной радиации возрастает с увеличением облачности на равнинах( 0,21-0,28 кВТ/ м 2 )>,чем в горах( 0,07-0,14 кВТ/ м 2 ), максимальное- у экватора( 0,35-42 кВТ/ м 2 ) зависит от содержания в атмосфере водяного пара, углекислоты и озона, обладающих большой излучательной способностью в инфракрасной области спектра водяной пар- основная субстанция в атмосфере, поглощающая земное излучение и посылающей встречное излучение ( макс. поглощение 5,5- 7,0 мкм) парниковый эффект

Парниковый эффект сохранение солнечного тепла благодаря встречному излучению атмосферы

Эффективное излучение разность между собственным излучением земной поверхности и встречным излучением атмосферы E e E e = E s – E чистая потеря лучистой энергии, а следовательно, и тепла с земной поверхности ночью облачную погоду гораздо меньше, чем в ясную земная поверхность в средних широтах теряет эффективным излучением примерно половину того количества тепла, которое она получает от поглощенной радиации.

Радиационный баланс земной поверхности разность между поглощенной радиацией и эффективным излучением R = (S sinh + D)(1 - A) - Ee

Вопросы для повторения 1. Что такое солнечная постоянная и от чего она зависит? 2. Что такое тепловое илучистое равновесие Земли? 3. Что называется прямой солнечной радиацией? 4. Как поглощается солнечная радиация в атмосфере? 5. Как в метеорологии принято подразделять электромагнитную радиацию? 6. Какие вещества являются наиболее сильными поглотителями? 7. Как определяется процесс рассеивания в атмосфере? 8. От чего зависит рассеяние? 9. Какие явления связаны с рассеянием радиации? 10. Чем характеризуется и от чего зависит суточный и годовой ход прямой радиации? 11. Что такое суммарная радиация? 12. Что такое альбедо поверхности? 13. Какие газы создают парниковый эффект? 14. От каких факторов зависит встречное излучение? 15. Как меняется радиационный баланс в течении суток?