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 60000
К (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 57130
К.

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~60000
К, 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

*

D
l
=0,021*
l
-23

*exp(-0,0327*
l
-4

)*
D
l
[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 H2
O. 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 (H2
O), которого очень много в нашей атмосфере (влажность, облака и т.п.), его полосы поглощения:r
s
t
(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:

D
E=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 а

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

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*
t
MS

*(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*
t
MS

*(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

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..