Лесная метеорология. Лекция 3: Радиационный режим атмосферы и земной поверхности Солнечная радиацияСолнечная радиация Единицы измерения потока радиацииЕдиницы измерения потока радиации Спектральный состав солнечной радиацииСпектральный состав солнечной радиации Ослабление солнечной радиации в атмосфереОслабление солнечной радиации в атмосфере

Солнце как источник радиации Солнечная радиация- это электромагнитное и корпускулярное излучение Электромагнитная составляющая солнечной радиации распространяется со скоростью света и проникает в земную атмосферу. корпускулярная составляющая солнечной радиации, - это протоны, движущихся от Солнца со скоростями км/с, так называемый «Солнечный ветер

Магнитные бури и полярные сияния в ионосфере вызываются солнечным ветром

Энергетический вклад корпускулярной составляющей солнечной радиации в её общую интенсивность невелик по сравнению с электромагнитной. Метеорология изучает лучистую энергию Солнца, поступающую на верхнюю границу атмосферы и на поверхность Земли. Земля получает от Солнца менее одной двухмиллиардной его излучения И тем не менее- Солнечная радиация главный источник энергии для всех физических процессов, происходящих на земной поверхности и в атмосфере

Единицы измерения радиации: (Вт/м 2 ) Единица поверхностной плотности потока радиации (интенсивности радиации) в Международной системе единиц (СИ)- это поверхностная плотность потока радиации, при которой через поверхность площадью 1 м 2 проходит поток излучения, равный 1 Вт. Т.е. за время 1 секунду переносится через эту поверхность энергия, равная 1 Дж. Применяется также к потокам тепла и звуковой энергии.

Спектральный диапазон электромагнитного излучения Солнца В зависимости от длины электромагнитных волн спектр солнечной радиации делиться на три области: УФР с длиной волны от 0,01 до 0,39 мкм Видимая часть спектра- от 0, 391 до 0,76 мкм ИКР –от 0,761 до 3000 мкм 1 микрометр (мкм) = м = 1 микрон (мк) = 1000 миллимикрон (ммк) Кроме того, рентгеновское излучение с длиной волн от 0, до 0, 01 мкм Радиоволны - от 3 мм до километров однако максимум интенсивности приходится на видимую (жёлто-зелёную) часть спектра.

максимум интенсивности приходится на видимую (жёлто-зелёную) часть спектра. Лучи с длиной волны менее 0,29 мкм (ультрафиолетовая часть спектра) до земной поверхности не доходят, т.к поглощаются озоном в верхних слоях атмосферы.

В метеорологии принято выделять коротковолновую и длинноволновую радиацию Коротковолновая радиация- от 0,1 до 4 мкм: включает видимый свет, УФР и ИКР. Солнечная радиация на 99% является коротковолновой радиацией. длинноволновая радиация – от 4 до 120 мкм.

Солнечное излучение на верхней границе атмосферы Рассмотрим сначала распределение солнечной радиации на горизонтальную поверхность «на границе атмосферы» или «в отсутствии атмосферы».

Солнечная постоянная - это интенсивность солнечного излучения, приходящего на верхнюю границу атмосферы. По данным измерений солнечная постоянная составляет 1367 Вт/м², или 1,959 кал / (см² *мин) Солнечная постоянная не является неизменной во времени величиной, известно, что на её величину влияет солнечная активность за счет изменения числа и суммарной площади солнечных пятен. Прямые измерения солнечной постоянной начаты после 1961 г., то её изменения на протяжении 11- летноего цикла солнечной активности, по видимому, не превышают ~ 10 3.

Долгопериодные вариации солнечной постоянной имеют большое значение для климатологии и геофизики: расчёты по моделям теории климата показывают, что изменение солнечной постоянной на 1% приводит к изменению температуры Земли на 1 градус.

Распределение радиации «на границе атмосферы» Для климатологии представляет существенный интерес о распределении притока радиации по Земному шару. Распределение солнечной радиации на границе атмосферы является простейшим Этим мы допускаем, что нет ни поглощения, ни рассеяния радиации, ни отражения ее облаками.. солярным климатом.Оно действительно существует на высоте нескольких десятков километров. Указанное распределение называют солярным климатом.

Ослабление солнечной радиации в атмосфереОслабление солнечной радиации в атмосфере К земной поверхности солнечная радиация доходит в виде прямой и рассеянной радиации

Солнечная радиация в атмосфере При прохождении через атмосферу солнечная радиация ослабляется: она рассеивается и поглощается атмосферой, облаками. Абсолютно чистая сухая атмосфера пропускает 91% радиации.

Прямая солнечная радиация единица площади, расположенной перпендикулярно к солнечным лучам, получит максимально возможное количество радиации. На единицу горизонтальной площади придется меньшее количество лучистой энергии В самом деле, на горизонтальную площадку s' приходится количество радиации I's', равное количеству радиации Is, приходящему на перпендикулярную к лучам площадку s: Но площадь s относится к площади s', как АВ к АС; отсюда I' = I только тогда, когда Солнце в зените, а во всех остальных случаях I' меньше I. Приток прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность называют инсоляцией. Солнечная радиация, доходящая до земной поверхности в виде пучка параллельных лучей, исходящих непосредственно от солнечного диска. Приток солнечной радиации на поверх­ность, перпендикулярную к лучам (АВ), и на горизонтальную поверхность (АС); где h высота солнца

Изменения солнечной радиации в атмосфере и на земной поверхности 1.Проходя сквозь атмосферу, солнечная радиация частично рассеивается атмосферными газами и аэрозольными примесями и переходит в особую форму рассеянной радиации. Частично же она поглощается молекулами атмосферных газов и примесями к воздуху и переходит в теплоту, идет на нагревание атмосферы. 2.В результате поглощения и рассеяния радиации в атмосфере прямая радиация, дошедшая до земной поверхности, изменена в сравнении с тем, что было на границе атмосферы. Интенсивность радиации уменьшается, а спектральный состав ее изменяется, так как лучи разных длин волн поглощаются и рассеиваются в атмосфере по-разному

В реальной атмосфере солнечная радиация поглощается: водяным паром, углекислым газом, озоном, аэрозолями – 15-20% от приходящей на верхнюю границу атмосферы.

Рассеяние солнечной радиации: Солнечная радиация при рассеянии не поглощается воздухом и аэрозолями и не переходит в тепловую энергию, но она отклоняется от прямолинейного пути и рассеивается во все стороны, т.е. поступает на земную поверхность со всего небесного свода. Около 25% энергии общего потока солнечной радиации превращается в атмосфере в рассеянную радиацию. Значительная доля рассеянной радиации (60%) также приходит к земной поверхности. Но это особый вид радиации, существенно отличный от прямой радиации.

Рассеяние солнечной радиации происходит 1.молекулами атмосферных газов; 2. аэрозольными частичками. Молекулярное рассеяние очень близко к рассеянию по закону Релея, т. е. обратно пропорционально четвертой степени длины волны радиации, подвергающейся рассеянию. Рассеяние на более крупных частичках аэрозолей аэрозольное рассеяние обратно пропорционально меньшим степеням длины волны; Для капель тумана, облаков и мороси совсем не зависит от длины волны и переходит в диффузное отражение. В случае молекулярного рассеяния рассеяние в направлении падающего луча и в обратном направлении одинаковы по интенсивности и вдвое больше, чем в направлении, перпендикулярном к лучу. В случае рассеяния крупными частичками интенсивность в направлении падающего луча значительно превышает интенсивность в обратном направлении Рассеянная радиация подвергается вторичному рассеянию. Рассеянием радиации объясняются голубой цвет неба, дневное освещение в отсутствие прямых солнечных лучей, поляризация небесного света, дымка и другие оптические явления.

Голубой цвет воздуха По закону Релея, чем короче длина волны света (голубые, синие и фиолетовые лучи и особенно УФЛ), тем сильнее они рассеиваются. Фиолетовые лучи рассеиваются в 16 р. больше, чем красные. В видимой части спектра максимум энергии приходится на сине-фиолетовую область, на лучи с длиной волны 0,474 мкм (ГОЛУБЫЕ) Вследствие рассеяния цвет неба кажется голубым. Голубой цвет воздуха можно видеть, не только глядя на небесный свод, но и рассматривая отдаленные предметы, которые кажутся окутанными голубоватой дымкой. С высотой, по мере уменьшения плотности воздуха, т. е. количества рассеивающих частиц, цвет неба становится темнее и переходит в густо-синий, а в стратосфере в черно- фиолетовый.

Чем больше в воздухе помутняющих примесей более крупных размеров, чем молекулы воздуха, тем больше доля длинноволновых лучей в спектре солнечной радиации и тем белесоватее становится окраска небесного свода. Частицами тумана, облаков и крупной пыли, диаметром больше 1,2 мкм, лучи всех длин волн диффузно отражаются одинаково; поэтому отдаленные предметы при тумане и пыльной мгле заволакиваются уже не голубой, а белой или серой завесой. Облака, на которые падает солнечный свет, кажутся поэтому же белыми.

У горизонта солнце становится почти красным, особенно когда в воздухе много пыли и мельчайших продуктов конденсации (капелек или кристаллов).

Рассеяние солнечной радиации в атмосфере обусловливает рассеянный свет в дневное время. В отсутствии атмосферы на Земле было бы светло только там, куда попадали бы прямые солнечные лучи или солнечные лучи, отраженные земной поверхностью и предметами на ней. Вследствие рассеяния вся атмосфера днем служит источником освещения: днем светло также и там, куда солнечные лучи непосредственно не падают, и даже тогда, когда солнце скрыто за облаками. При этом вследствие большего процентного содержания синих лучей рассеянный свет белее прямого солнечного света.

К земной поверхности солнечная радиация доходит в виде прямой и рассеянной радиации Суммарная радиация Совокупность прямой S и рассеянной солнечной радиации D, поступающей в естественных условиях на горизонтальную земную поверхность. Q = S + D где S интенсивность прямой радиации на горизонтальную поверхность, D интенсивность рассеянной радиации.

При безоблачном небе суммарная радиация имеет суточный ход с максимумом около полудня и годовой ход с максимумом летом. Суточный и годовой ход Q пропорционален высоте солнца. Полуденные значения суммарной радиации в летние месяцы под Москвой при безоблачном небе в среднем 0,6-0,9 кВт/м 2. Частичная облачность, не закрывающая солнечный диск, увеличивает суммарную радиацию по сравнению с безоблачным небом; полная облачность, напротив, ее уменьшает. В среднем облачность уменьшает суммарную радиацию на 20-30%.

Отражение и поглощение солнечной радиации. Падая на земную поверхность, суммарная радиация в большей своей части поглощается в верхнем, тонком слое почвы или воды и переходит в тепло, а частично отражается. Величина отражения солнечной радиации (R) земной поверхностью зависит от характера этой поверхности. Отношение количества отраженной радиации к общему количеству радиации, падающей на данную поверхность, называется альбедо поверхности. A=R/Q Это отношение выражается в процентах

поглощенная радиация Из общего потока суммарной радиации Q отражается от земной поверхности часть его QA где А альбедо поверхности. Остальная часть суммарной радиации Q (1- А) поглощается земной поверхностью и идет на нагревание верхних слоев почвы и воды. Эту часть называют поглощенной радиацией.

Альбедо поверхности в общем заключается в пределах 10-30% в случае влажного чернозема оно снижается до 5%, а в случае сухого светлого песка может повышаться до 40%. С возрастанием влажности почвы альбедо снижается. Альбедо растительного покрова леса, луга, поля заключается в пределах 1025%. Для свежевыпавшего снега альбедо 8090%, для давно лежащего снега около 50% и ниже. Альбедо гладкой водной поверхности для прямой радиации меняется от нескольких процентов при высоком солнце до 70% при низком солнце.

альбедо Земли Преобладающая часть радиации, отраженной земной поверхностью и верхней поверхностью облаков, уходит за пределы атмосферы в мировое пространство. Также уходит в мировое пространство часть рассеянной радиации, около одной трети ее. Отношение этой уходящей в космос отраженной и рассеянной солнечной радиации к общему количеству солнечной радиации, поступающему в атмосферу, носит название планетарного альбедо Земли или просто альбедо Земли. Планетарное альбедо Земли оценивается в 35-40%; Основную часть планетарного альбедо Земли составляет отражение солнечной радиации облаками.

Длинноволновое излучение земной поверхности Верхние слои почвы и воды, снежный покров и растительность, поглощая радиацию, нагреваются, а затем сами излучают длинноволновую радиацию; эту земную радиацию называют собственным излучением земной поверхности Es

Встречное излучение Атмосфера нагревается, поглощая как солнечную радиацию (около 15-20% всего ее количества, приходящего к Земле), так и собственное излучение земной поверхности. Кроме того, она получает тепло от земной поверхности путем теплопроводности, а также при испарении и последующей конденсации водяного пара. Будучи нагретой, атмосфера излучает сама. Так же как и земная поверхность, она излучает невидимую инфракрасную радиацию примерно в том же диапазоне длин волн.

Встречное излучение Большая часть (до 70%) атмосферной радиации приходит к земной поверхности, остальная часть уходит в мировое пространство. Атмосферную радиацию, приходящую к земной поверхности, называют встречным излучением (Еа), потому, что оно направлено навстречу собственному излучению земной поверхности. Земная поверхность поглощает это встречное излучение атмосферы почти целиком (на 90-99%). Оно является для земной поверхности важным источником тепла в дополнение к поглощенной солнечной радиации

Эффективное излучение Встречное излучение Еа всегда несколько меньше собственного земного излучения Ез Поэтому ночью, когда солнечной радиации нет и к земной поверхности приходит только встречное излучение, земная поверхность теряет тепло за счет положительной разности между собственным и встречным излучением. Эту разность между собственным излучением земной поверхности и встречным излучением атмосферы называют эффективным излучением или длинноволновым балансом радиации Еэф = Ез - Еа

Радиационный баланс земной поверхности Это разность между поглощенной радиацией (суммарная радиация минус отраженная) и эффективным излучением (излучение земной поверхности минус встречное излучение) B=S +D – R + Eа – Ез В=Q(1-A)-Eэф Ночью коротковолновый баланс =0 Поэтому В= - Eэф

Поверхность суши и воздух приземного слоя быстро нагреваются днем и довольно быстро теряют тепло ночью. Если бы в верхней тропосфере отсутствовали улавливающие тепло слои, амплитуда колебаний суточных температур могла бы быть гораздо больше. Например, Луна получает от Солнца примерно столько же тепла, сколько и Земля, но, поскольку у Луны нет атмосферы, температуры ее поверхности днем повышаются примерно до 101° C, а ночью понижаются до –153° C.

Фотосинтетически активная радиация (ФАР) Это часть потока суммарной радиации Q, которая используется зелеными растениями в процессе фотосинтеза ФАР составляет 50% от Q Длина волны ФАР от 0,38 до 0,71 мкм Выделяют также ФИЗИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНУЮ РАДИАЦИЮ (ФР) от 0,35 до 0,75 мкм

Лучистая энергия ФАР – источник всех ФОТОХИМИЧЕСКИХ процессов в растениях при фотосинтезе и при фитофизиологических процессах. ФАР составляет: 50% от суммарной радиации 60% от рассеянной радиации 40% от прямой радиации

Поток ФАР 1.частично поглощается листьями растений – 80%,энергия идет на нагревание листьев (превращается в тепло) и расходуется на испарение и транспирацию и теплообмен 2. отражается от листовой поверхности и проходит насквозь – до 12%.

Поглощение листьями (а именно хлорофиллом) энергии, в т.ч. ФАР избирательно: Сильнее всего поглощается сине-фиолетовая часть (0,39-0,48 мкм) Меньше –оранжевая и красная часть (0,64-0,68 мкм) Меньше всего поглощение в желто- зеленой части спектра (0,5-0,6 мкм)- поэтому она больше отражается и мы видим цвет…. листьев

На фотосинтез используется несколько процентов лучистой энергии(1-4%) КПД растительности: это отношение ФАР использованной в фотосинтезе ко всему потоку ФАР КПД обычно мал: 1-2%, для агроценозов 1-3% Для лесов 2-4%

Самостоятельно: 1.ФАР 2.Радиационный режим леса

Методы измерения радиации Для измерения интенсивности прямой и рассеянной солнечной радиации и эффективного излучения (а также альбедо, освещенности и пр.) существует много приборов как с визуальными отсчетами, так и с автоматической регистрацией. Приборы для измерения прямой солнечной радиации называют пиргелиометрами и актинометрами, для измерения рассеянной радиации пиранометрами, для измерения радиационного баланса балансомерами. Названия самопишущих приборов окан­чиваются на «граф» (актинограф, пиранограф).