Енергетичний потенціал сонячного випромінювання (продовження). Розсіяне випромінювання

Перші спроби пояснити синій колір неба відносяться до 16 в. Леонардо да Вінчі пояснював синявий небесного зводу тим, що біле повітря на темному тлі світового простору здається синім. Л. Ейлер уважав (1762), що "самі частки повітря мають синюватий відтінок і в спільній масі створюють інтенсивну синь". На початку 18 ст. І. Ньютон пояснював колір неба інтерференційним відбиттям сонячного світла від дрібних крапель води, завжди зважених у повітрі. В 1809 французький фізик Д. Араго відкрив, що світло неба сильно поляризоване.

Перше правильне пояснення синього кольору неба дав англійський фізик Релей (Дж. У. Стрет) (1871, 1881). По теорії Релея кольорові промені, що утворюють сонячний спектр, розсіюються молекулами повітря пропорційно λ^-4 (де λ — довжина світлової хвилі). Сині промені розсіюються, приблизно, в 16 разів сильніше, ніж червоні. Тому колір неба (розсіяне сонячне світло) — синій, а колір Сонця (пряме сонячне світло), коли воно низько над обрієм і промені його проходять великий шлях в атмосфері, — червоний. При цьому розсіяне світло повинно бути сильно поляризоване, а під кутом 90° від напрямку на Сонце поляризація повинна бути повної.

В атмосфері завжди ширяє як би мережа із дрібних порошин і крапель, особливо густа в нижніх приземних шарах. Це атмосферний аерозоль, що і є головною причиною мутності повітря. Він зменшує дальність видимості в реальній атмосфері, у порівнянні з ідеальної, приблизно в 20 разів. Крім аерозолю, велику роль в оптичних явищах в атмосфері грають водяна пара, вуглекислий газ і озон, хоча вони становлять усього декілька % від об'єму газів, з яких складається повітряна суміш. Тільки ці гази поглинають сонячне й земне випромінювання й самі випромінюють радіацію.

Телуричні лінії (від лат. tellus, род. п. telluris - Земля), лінії поглинання в спектрах космічних джерел випромінювання, що виникають при проходженні випромінювання крізь земну атмосферу. За утворення телуричних ліній відповідальні головним чином молекули N₂, О₂, О₃, Н₂О.

У розсіюванні світла в атмосфері вирішальне значення має аерозоль. Німецький фізик Г. Мі (1908) побудував теорію розсіювання світла часткою довільного розміру.

Проходження сонячного випромінювання через атмосферу Землі.

Інтенсивне поглинання рентгенівського й жорсткого ультрафіолетового випромінювання молекулярним азотом, а також атомарним і молекулярним киснем починається вже на висотах близько 1000 км, через що температура в термосфері, досягає 1000 К. На рівні мезопаузи (висота 90-100 км) уже практично повністю поглинене все сонячне випромінювання з довжинами хвиль коротше 0,1 мкм. У мезосфері молекули кисню й озону практично повністю поглинають сонячне випромінювання з довжинами хвиль коротше 0,2 мкм. У стратосфері, в основному, на висотах 25-30 км молекулами озону й вуглекислого газу цілком поглинається випромінювання з довжинами хвиль коротше 0,3 мкм. У нижніх шарах атмосфери й у тропосфері поглинання викликається хмарами, аерозолем і атмосферним розсіюванням. Таким чином, поглинання сонячного короткохвильового випромінювання поверхнею Землі підтримує на постійному рівні середньорічну її температуру, що у свою чергу забезпечує її випромінювання в довгохвильовій частині спектра з максимумом близько 10 мкм.

Розподіл температури в тропосфері визначається її тепловою взаємодією з поверхнею, що підстилає, і конвекційним переносом прихованого і явного тепла по висоті й горизонталі. Тропосфера прогрівається за рахунок конвекційного й турбулентного теплообміну з поверхнею, поглинання довгохвильового випромінювання поверхні Землі, а також за рахунок поглинання тепла, що виділяється при конденсації в атмосфері різних парів. Вміст вуглекислого газу СО₂ становить усього 0,03%, так що основним поглиначем теплового інфрачервоного випромінювання є пари води Н₂О, на які припадає ~ 0,1 %. Поглинання цих газів забезпечує збільшення температури на 40 К. Ефективність процесів, мвочевидь, залежить від кількості й непрозорості структурних утворень (наприклад, хмар), швидкості конвекційного переносу тепла, перепадів температури й особливо від динамічних переміщень повітряних мас (атмосферна циркуляція,різні типи вітрів і т.п.). Тому парниковий ефект, що грає дуже важливу роль у формуванні місцевих особливостей клімату й сильно залежний від багатьох факторів, призводить до надзвичайного різноманіття кліматичних і погодних умов на Землі.

Наявність в атмосфері вуглекислого газу підсилює парниковий ефект на нашій планеті. Він проявляється не так сильно, як на Венері, але все-таки піднімає середню температуру на Землі від мінус 23 до плюс 15 градусів за Цельсієм.

Дифузійне випромінювання неба це сонячне випромінювання, що сягає земної поверхні після того, як воно було розсіяно на молекулах або твердих частинках у атмосфері. Із усього світла, що залишає пряме випромінювання Сонця в атмосфері (близько 25% від падаючого випромінювання, коли Сонце перебуває високо в небі), біля двох третин в остаточному підсумку досягає Землі, як дифузійне випромінювання неба.

Основні механізми розсіювання світла в атмосфері (розсіяння Релея, розсіяння Мі) є пружними, тобто при розсіюванні в атмосфері практично не відбувається поглинання енергії; основний ефект розсіювання — просторовий перерозподіл випромінювання.