3.3.Альбедо системы земная поверхность-атмосфера

Альбедо такой системы представляет отношение потока излучения, достигающего верхней границы атмосферы в виде отраженного от земной поверхности и рассеянного атмосферой излучения, к падающему на эту границу потоку излучения.

Как следует из определения, вопрос об альбедо такой системы является продолжением вопроса об уходящем коротковолновом излучении с точки зрения внеатмосферных наблюдений.

Годовой ход планетарного альбедо характеризуется слабым изменением с тенденцией увеличения от декабря к маю. Межгодовая изменчивость альбедо и облачности пока еще слабо изучена. Альбедо имеет заметную широтную зависимость.

По результатам спутниковых измерений планетарное альбедо системы изменяется от 22% в экваториальной зоне до 65-70% в полярных зонах. При этом в тропиках пространственные контуры альбедо (изоплеты) следуют за передвижением зон местной циркуляции, а в полярных районах – за быстрыми изменениями снежного и ледяного покрова.

Планетарное альбедо , измеренное со спутников, связано с потоком уходящего коротковолнового излучения на уровне земной поверхности.

Соответствующая эмпирическая формула имеет вид

,

где − солнечная постоянная; − зенитный угол Солнца.

3.4.Отраженное излучение земной поверхностью

Количественное описание этого излучения пока не поддается теоритическим расчетам. На основании статистических экспериментальных данных в этом случае определяются (выделяются) основные характеристики природных образований, с помощью которых проводится соответствующий физический анализ и последующие расчеты.

Основными характеристиками отраженного излучения являются спектральное альбедо и спектральные коэффициенты отражения. Коэффициенты отражения характеризуют и угловое распределение отраженного излучения. То есть они определяют индикатрису отражения шероховатой поверхности.

Для строгого учета поляризационных эффектов при отражении необходимо определение указанных характеристик в терминах параметров Стокса. Однако, при решении большинства практических задач обычно ограничиваются лишь величиной степени поляризации.

На рисунке приведены количественные данные об отражательных свойствах разных типов поверхности в видимом и ближнем ИК диапазоне спектра.

1 – снег с ледяной коркой (38˚);

2 – снег влажный (37˚);

3 – суданка (52˚);

4 – силосная кукуруза (54˚);

5 – кукуруза желтая (46˚);

6 – чернозем (40˚);

7 – водная поверхность озера (56˚).

В скобках указаны зенитные углы Солнца, для которых проведены измерения.

Альбедо для почвы и растительного покрова возрастает в инфракрасной области спектра. Наоборот, для снежного покрова и водной поверхности характерно снижение альбедо в инфракрасной области, которое продолжается и в длинноволновой. Как показывают измерения, также ведет себя и поляризация отраженного солнечного излучения. Поляризация сильно зависит от угла отражения (угол между зенитным углом Солнца и углом визирования) и достигает максимума в 100% при углах отражения около 106^○. При уменьшении или увеличении угла отражения поляризация убывает до нуля.

Спектральный ход коэффициентов отражения для различных природных образований подобен спектральной зависимости альбедо. Он более подробно исследован в основном в инфракрасной области спектра до 2,5 мкм. Для некоторых типов подстилающей поверхности спектральный ход исследован и в длинноволновой области. При этом имеются отдельные измерения вплоть до 100мкм.

Основные результаты, которые следуют из исследований отражения излучения земной поверхностью следующие.

● Коэффициенты отражения земной поверхности в ИК-области спектра сильно зависят от влажности. Поэтому для увлажненных почв на спектральных кривых наблюдаются четко выраженные минимумы в области полос поглощения воды. По мере высыхания почвы, они исчезают по всему спектру. (Этот факт служит основой для измерения влажности почвы со спутников.)

● Коэффициент отражения увлажненной поверхности, как правило, меньше по сравнению с сухой. Это объяснятся низким его значением для водных пленок из-за поглощения излучения.

● К числу других важных факторов, влияющих на спектральные отражательные свойства земной поверхности, относятся химический и минералогический состав почв, степень обработки почв, тип и стадия развития растительного покрова и др.

● Особое место в ряду отражательных (рассеивающих) шероховатых поверхностей занимает взволнованная водная поверхность. Временная и пространственная изменчивость ее отражательных свойств требует статистического описания последних. Это относится как к области зеркального отражения (в области "световой дорожки"), так и в области диффузного отражения, характеризующегося сложной индикатрисой отражения.

В основе расчета характеристик отраженного излучения здесь лежат модели взволнованной поверхности как статистического ансамбля зеркальных площадок с разной ориентацией. Это специальная задача представляет интерес, прежде всего при исследованиях методами дистанционного зондирования водной поверхности.