15-16.
2.Собственное излучение атмосферы
Проблема собственного излучения земной атмосферы составляет важный раздел физики атмосферы.
Физические основы теплового излучения атмосферы и земной поверхности, расчетные методы, количественные данные и подробный их анализ изложены в ряде фундаментальных монографий К.Я. Кондратьева.
Физика процессов, приводящих к свечению атмосферы, представлена в монографии Дж. Чемберлена, а также в обзоре Янга Р.
Рассмотрим количественные данные и выделим основные закономерности изменения яркостных характеристик излучения атмосферы в зависимости от ее оптических свойств и условий наблюдения.
2.1.Тепловое излучение атмосферы
В зависимости от места расположения, например, оптико-электронной системы фон теплового излучения атмосферы и земной поверхности будет обусловлен потоками различных направлений.
В соответствии с установившейся терминологией тепловое излучение атмосферы в направлении земной поверхности принято называть противоизлучением (нисходящим излучением) атмосферы.
Потоки теплового излучения именно этого направления будут создавать фоновые помехи при наблюдениях с земной поверхности.
Тепловое излучение атмосферы и земной поверхности в направлении от земной поверхности принято называть восходящим или уходящим излучением.
Потоки теплового излучения этого направления будут создавать фоновые помехи при аэрокосмических исследованиях.
В основе закономерностей теплового излучения атмосферы лежит закон излучения Кирхгофа (1859). Согласно этому закону при наличии термодинамического равновесия отношение коэффициента излучения к коэффициенту поглощения равно интенсивности излучения абсолютно черного тела. Следовательно, это отношение является универсальной функцией длины волны и температуры.
(Термодинамическое равновесие – состояние замкнутой системы, в которое она самопроизвольно переходит после внешних воздействий спустя достаточно большой промежуток времени. В этом состоянии физическая система при неизменных внешних воздействиях может пребывать сколь угодно долго.)
Эта универсальная
функция
была получена Планком (1900) на основе
гипотезы о квантовом характере процесса
излучения (распределении энергии в
спектре) и носит название закона излучения
Планка. Вид ее следующий
,
где
−
постоянная Планка;
−
скорость света;
−
постоянная Больцмана;
−
температура.
Из закона излучения
Планка следуют частные: закон Релея-Джинса
для длинноволновой области спектра (он
получается как предельный случай закона
Планка при
)
−
испускательная способность абсолютно
черного тела; закон смещения Вина
см/град, где
−
положение максимума функции
;
закон излучения Стефана-Больцмана для
полной энергии излучения
,
где
=5,7∙10-5
эрг/см2с
град –
постоянная излучения.
Особенность теплового излучения реальной атмосферы состоит в том, что условие термодинамического равновесия в целом не выполняется. Но для применения закона Кирхгофа в атмосфере вводят так называемое условие локального термодинамического равновесия.
При этом условии температура атмосферы может изменяться от точки к точке, но каждый элемент среды ведет себя так, как если бы он находился в состоянии термодинамического равновесия при температуре данной точки.
Изолированная система находится в термодинамическом равновесии, если термодинамические параметры (давление, объем, температура), определяющие ее состояние, остаются постоянными сколь угодно долго. Флуктуациями здесь пренебрегаем и должно быть большое число частиц, образующих макроскопическую систему.
Условие локального термодинамического равновесия в атмофере выполняется до высот 20 км, пока продолжительность жизни атомов в возбужденном состоянии (10-8с) существенно превышает время между их столкновениями (10-9с).
Как и инфракрасный спектр поглощения, спектр теплового излучения атмосферы определяется поглощающими свойствами газов. В первую очередь, водяного пара, углекислого газа, озона и т.д. Пространственная и временная изменчивость содержания этих газов в атмосфере вызывает изменчивость спектра излучения в зависимости от метеоусловий и углов наблюдений, сезона и географического района.
Рассмотрим как распределяется энергия в спектре теплового излучения атмосферы при ясном небе.
Из анализа приведенного рисунка можно сделать следующие выводы:
− излучение атмосферы близко к излучению абсолютно черного тела в спектральном интервале 5,5-7,5 мкм и вблизи 15 мкм
(в первом интервале имеется полоса поглощения водяного пара с центром у 6,3 мкм, во втором – полоса поглощения углекислого газа);
− наибольший максимум в спектре излучения в интервале 9-10 мкм обусловлен излучением озона (полоса поглощения с центром 9,6 мкм).
− Количественный анализ многих экспериментальных данных показывает, что атмосфера излучает, как и абсолютно черное тело во всем спектральном диапазоне вблизи горизонта при ясном небе и в любых направлениях при низкой сплошной облачности.
− Угловое распределение теплового излучения атмосферы в области полос сильного поглощения при ясном небе и сплошной облачности характеризуется малыми изменениями от азимута и зенитного угла. В дневное время только в участках неба, близких к Солнцу, наблюдается заметная угловая анизотропия за счет сильного рассеяния вперед.
− Угловое распределение в "окнах" прозрачности атмосферы при ясном небе и сплошной облачности не зависит от азимутального угла.
− Изменение оптической толщи, при этом, с зенитным углом обусловливает зависимость потока теплового излучения от величины зенитного угла.
− Для разных спектральных интервалов имеет место различная зависимость интенсивности теплового излучения атмосферы от зенитного угла.
− Частичная облачность оказывает наибольшее влияние на угловое распределение теплового излучения атмосферы, создавая статистическую структуру яркости неба.
− Количественные данные по спектрам пространственных (временных при угловом сканировании) частот яркости облачного неба (дневного и ночного) для участка длин волн 8,4-12,5 мкм удается аппроксимировать выражением
,
где
−
мощность первой гармоники;
и
−
эмпирические постоянные для данного
типа облачности.
− Наряду с относительно медленными пространственно-временными вариациями, яркость неба, обусловленная тепловым излучением атмосферы, подвержена быстрым флуктуациям. Статистические характеристики этих флуктуаций хорошо совпадают с турбулентными характеристиками температурного поля атмосферы вплоть до временных интервалов в 1 с.