3.8. Відбиття сонячної радіації (альбедо)

Сумарна радіація, що досягає земної поверхні, не поглинається нею повністю, а частково відбивається від Землі в атмосферу. Відбиття радіації відбувається також від поверхні хмар.

Відношення величини усього потоку короткохвильової радіації , відбитого даною поверхнею в усіх напрямках, до потоку радіації Q, який падає на цю поверхню, називається альбедо (А) даної поверхні. Ця величина показує, яка частина падаючої на поверхню променистої енергії відбивається від неї. Часто величину альбедо виражають у відсотках. Тоді

(5.2)

Альбедо земної поверхні залежить від властивостей і стану цієї поверхні, її кольору і шорсткості, від наявності та характеру рослинного покриву. Темні та шорсткі ґрунти відбивають менше, ніж світлі та гладенькі. Зволоження ґрунтів також впливає на її відбиваючу здатність. Вологі ґрунти відбивають менше, ніж сухі, так як вони більш темні. В таблиці 5.2 приведені величини альбедо різних видів земної поверхні у відсотках.

Таблиця 5.2

Альбедо різних видів підстилаючої поверхні

Вид поверхні	Альбедо (%)
Сніг свіжий	84-95
Сніг, який лежав	46-60
Сухий чорнозем	14
Гумус	26
Поверхня піщаної пустелі	28-38
Парове поле (сухе)	8-12
Вологе виоране поле	14
Свіжа (зелена) трава	26
Суха трава	19
Жито та пшениця на різних стадіях зрілості	10-25
Ліс ялинковий і сосновий	10-18

Із цієї таблиці видно, що найбільшу відбиваючу здатність має сніг, який щойно випав. У окремих випадках спостерігалася величина альбедо снігу до 87%, а в умовах Арктики навіть до 95%. Сніг, який пролежав, почав танути та тим більш забруднений сніг відбиває вже значно менше.

Альбедо різних ґрунтів і рослинного покриву, як видно з цієї ж таблиці, відрізняється порівняно мало.

Альбедо водної поверхні для прямої та розсіяної радіації буде різним. Для розсіяної радіації альбедо води складає в середньому близько 8-10 %. Альбедо води для прямої сонячної радіації залежить від висоти Сонця: при зменшенні висоти Сонця величина альбедо зростає. Так при прямовисному падінні променів відбивається тільки близько 2-5 %. Якщо Сонце знаходиться низько над обрієм, то відбивається 30-70 %.

На відбивальну здатність води впливає ступінь її помутніння. Мутна вода відбиває більше, ніж прозора.

Дуже велика відбиваюча здатність у хмар. У середньому альбедо хмар складає близько 80%.

Знаючи величину альбедо поверхні та значення сумарної радіації, можна визначити кількість прямої та розсіяної радіації, яка поглинається даною поверхнею. Якщо А – альбедо, то величина являє собою коефіцієнт поглинання даної поверхні, що показує, яка частина падаючої на цю поверхню радіації нею поглинається.

3.9. Довгохвильове випромінювання землі та атмосфери

Поряд з потоками прямої та розсіяної радіації, атмосферу перетинають потоки довгохвильової радіації, яку випромінюють земна поверхня й атмосфера. Завдяки довгохвильовому випромінюванню Земля й атмосфера втрачають тепло у світовий простір, а також взаємно обмінюються теплом.

Будь-яке тіло, що має температуру вище за абсолютний нуль, випромінює радіацію, а це значить, що кожна ділянка земної поверхні і кожен об’єм повітря у відповідності до їх температури випромінюють теплову радіацію.

Випромінювання земної поверхні підкоряється загальним законам випромінювання і близьке до випромінювання абсолютно чорного тіла, яке виражається формулою Стефана – Больцмана

(5.3)

Проте земну поверхню не можна розглядати як абсолютно чорне тіло, тому до земної поверхні не можна застосовувати закони теплового випромінювання без введення спеціальних поправок.

Вимірювання довгохвильової радіації різних видів ґрунтів, рослинного покриву та інших речовин, які складають земну поверхню, показали, що довгохвильове випромінювання земної поверхні у всіх довжинах хвиль відрізняється на один і той самий множник від довгохвильового випромінювання абсолютно чорного тіла при тій же температурі. Тому закон Стефана – Больцмана, який можна використати для земної поверхні матиме вигляд

, де (5.4)

– інтенсивність випромінювання земної поверхні,

– відносна випромінювальна здатність земної поверхні.

Випромінювальна здатність різних природних покровів мало відрізняється від випромінювальної здатності чорного тіла, що видно з таблиці 5.3. За середнє значення відносної випромінювальної здатності земної поверхні приймають величину =95 %.

Таблиця 5.3

Випромінювальна здатність різних природних поверхонь

Підстилаюча поверхня	Випромінювальна здатність (процент до випромінювальної здатності чорного тіла )
Чорнозем	87
Пісок	89
Гравій	91
Рідка трава	84
Житнє поле	93
Сніг	99,5
Вода	96,5

Випромінювання земної поверхні має місце вдень і вночі, проте вдень воно може компенсуватися надходженням тепла від Сонця та тільки вночі, коли немає надходження цього тепла, воно може виявлятися повністю. Тому випромінювання Землі іноді називають нічним.

Земне випромінювання – довгохвильове, інфрачервоне. Це випромінювання лежить повністю в тій частині спектра, в якій поглинаюча дія атмосфери, особливо водяної пари, найбільша. Тому земне випромінювання, направлене через атмосферу в світовий простір, буде затримуватися майже повністю атмосферою, а точніше водяною парою, яка міститься в ній.

Атмосфера, затримуючи частину сонячної радіації та поглинаючи велику частину земного випромінювання, у свою чергу випромінює променисту енергію як у світовий простір, так і до земної поверхні. Атмосферне випромінювання, що направлене до Землі, називається зустрічним випромінюванням атмосфери. Зустрічне випромінювання, як і земне, – довгохвильове, невидиме теплове випромінювання.

Довгохвильову радіацію, що випромінює земна поверхня, поглинає головним чином водяна пара, яка міститься в атмосфері, а також вуглекислий газ. Так як кількість вуглекислого газу в атмосфері незначна, то практично поглинає, а з цього слідує, що і випромінює довгохвильову радіацію водяна пара. За законом Кірхгофа ця радіація складається лише з тих довжин хвиль, які водяна пара здатна поглинати. З вищезазначеного слідує, що земна поверхня, втрачаючи тепло випромінюванням в атмосферу, сама одержує деяку кількість тепла у вигляді випромінювання атмосфери. Таким чином, в природних умовах завжди є одночасно два потоки довгохвильової радіації: власне випромінювання Землі і зустрічне випромінювання атмосфери Е_а. Різниця цих потоків

(5.5)

складає фактичну втрату тепла земною поверхнею і називається ефективним випромінюванням.

Величина ефективного випромінювання якої-небудь поверхні визначається температурою випромінюючої поверхні та температурою, вологістю повітря. Температура поверхні визначає власне випромінювання даної поверхні, а температура та вологість повітря впливають на зустрічне випромінювання атмосфери, так як воно є випромінюванням водяної пари та залежить від вмісту її в атмосфері, а також і від її температури.

Зі збільшенням температури підстилаючої поверхні ефективне випромінювання буде зростати, а зі збільшенням абсолютної вологості – зменшуватися. Погіршення прозорості повітря також супроводжується зменшенням ефективного випромінювання. Сильно впливає на величину ефективного випромінювання хмарність. Чим більше хмар і чим вони густіші, тим менше ефективне випромінювання. Пояснюється це тим, що шар водяних крапель, які складають хмару, випромінює майже так, як і земна поверхня. Якщо температура хмари дорівнює температурі земної поверхні, то Е₃ = Е_а і Е_Еф = 0. Якщо ж температура хмари буде вище температури Землі, то ефективне випромінювання прийме зворотній знак і стане джерелом не втрати, а надходження тепла.

Величину зустрічного випромінювання атмосфери легко обчислити, якщо є значення величини ефективного випромінювання за приладом спостереження та температура приладу. Припустимо, що при температурі 20˚ ефективне випромінювання приладу Е_ЕФ.пр=0,19 кал/см² хв і власне випромінювання приладу, обчислене за формулою Стефана – Больцмана Е_пр=0,609 кал/см² хв, тоді Е_а=Е_пр–Е_ЕФ.пр=0,609–0,19=0,419 кал/см² хв.

Це показує, яку значну кількість енергії випромінює до Землі атмосфера. Якщо за середню величину зустрічного випромінювання прийняти Е_а=0,4 кал/см² хв, то за добу земна поверхня отримає кал/см²хв. Це приблизно стільки ж, скільки дає пряма сонячна радіація в ясний літній день у помірних широтах. Звідси видно, яку велику роль відіграє атмосфера у збереженні тепла земної поверхні, захищаючи її від надмірного охолодження. Затримуючи і поглинаючи довгохвильове теплове випромінювання, що йде від земної поверхні, атмосфера в той же час достатньо добре пропускає до Землі короткохвильову сонячну радіацію.

Таким чином, атмосфера діє наче скло в парниках, яке пропускає сонячні промені всередину приміщення і затримує довгохвильове випромінювання підстилаючої поверхні. Цю властивість атмосфери часто називають оранжерейним ефектом. Розрахунки показали, що завдяки атмосфері земна поверхня зберігає таку кількість тепла, яку Земля могла додатково одержати при збільшенні сонячної постійної на 22 %. Якби Земля була без атмосфери, то середня температура Землі була б не 15˚, як це є в дійсності, а –23˚, тобто на 38˚ нижче.