4.4. Виды радиации поступающей на земную поверхность
Солнечная энергия поступает на земную поверхность в виде прямой, рассеянной, суммарной и отраженной радиации. Рассмотрим эти виды радиации.
Прямая солнечная радиация. Под прямой солнечной радиацией (I') понимают радиацию, доходящую до места наблюдения в виде пучка параллельных лучей непосредственно от Солнца.
Количество прямой солнечной радиации зависит от:
– солнечной постоянной;
– расстояния между Землей и Солнцем;
– физического состояния атмосферы над пунктом наблюдения;
– высоты Солнца над горизонтом.
Рассеянная радиация. Рассеянная радиация ( i ) это часть прямой радиации рассеянной в атмосфере I'.
Величина рассеянной радиации зависит от высоты Солнца над горизонтом, прозрачности атмосферы, наличия и форм облаков. В летний полдень в умеренных широтах максимальная величина рассеянной радиации составляет 0,25 от прямой солнечной радиации I'.
Неплотные, просвечивающие облака увеличивают рассеянную радиацию в 3 – 4 раза.
Суммарная радиация. Потоком суммарной радиации называется сумма потоков прямой ( I' ) и рассеянной ( i ) радиации, поступившей на горизонтальную поверхность.
Отраженная радиация. Подстилающая поверхность не является абсолютно черным телом, поэтому не вся, пришедшая радиация, поглощается ею.
Часть пришедшей радиации, отраженной от подстилающей поверхности, называется отраженной радиацией.
Количество отраженной радиации зависит от отражательной способности земной поверхности. Отражательная способность определяется через альбедо.
Альбедо ( А ) определяет отношение потока отраженной радиации к потоку падающей радиации.
Альбедо для облаков составляет 0,50 – 0,75,
для суши (без снега) – 0,05 – 0,30,
для океана в среднем – 0,02 – 0,14.
Вследствие этого единица поверхности океана в среднем получает тепла больше, чем суша.
4.5. Теплообмен подстилающей поверхности и атмосферы.
Радиационный баланс земной поверхности
Теплообмен подстилающей поверхности и атмосферы
Из общего потока солнечной радиации, попадающей на подстилающую поверхность, часть ее поглощается подстилающей поверхностью ( Iпогл ) , в результате чего происходит нагрев поверхности. Толщина прогреваемого слоя зависит от его теплопроводности.
Подстилающая поверхность, получив тепловую энергию от Солнца, сама становится источником теплового излучения. Так как температура подстилающей поверхности невелика (+70 ÷ 88°С), то вся уходящая радиация Земли приходится на инфракрасный спектр.
Излучательная способность поверхности Земли близка к излучению серого тела.
Излучение атмосферы носит более сложный характер, чем подстилающей поверхности:
энергию излучают лишь те газы, которые ее поглощают,
к этим газам относятся водяной пар, углекислый газ и озон;
излучение, как и поглощение каждого из этих газов, тоже носит селективный характер.
Через безоблачную атмосферу проходит от 17 до 35 % инфракрасной радиации, излучаемой земной поверхностью.
Благодаря сильному поглощению длинноволновой радиации водяным паром и углекислым газом, и особенно облаками, большая часть излучения от подстилающей поверхности поглощается атмосферой.
Нагреваемая таким образом атмосфера, сама становится источником излучения тепла, часть которого в виде встречного излучения возвращается на подстилающую поверхность. Подстилающая поверхность поглощает
90 – 99 % встречного излучения. Встречное излучение является дополнительным к коротковолновой радиации Солнца источником тепла и возрастает с увеличением облачности.
Разность между собственным излучением подстилающей поверхности и встречным излучением носит название эффективное излучение (Еэ).
Ночью, при отсутствии солнечной радиации, подстилающая поверхность теряет тепло.
Днём эффективное излучение перекрывается поглощенной солнечной радиацией, поэтому подстилающая поверхность нагревается.
В средних
широтах подстилающая поверхность за
счет эффективного излучения теряет
50%
тепла, полученного за счет поглощения
солнечной радиации.
Приток тепла в виде лучистой энергии является важнейшей составной частью общего притока тепла, под влиянием которого изменяется термический режим атмосферы и подстилающей поверхности.
Радиационный баланс земной поверхности
Радиационным балансом (R) тела называется разность между поглощенной им радиацией и собственным (эффективным) излучением.
Приходная часть радиационного баланса подстилающей поверхности состоит из поглощенных частей прямой солнечной радиации и рассеянной радиации, а также части излучения атмосферы.
Расходной частью радиационного баланса подстилающей поверхности является излучение земной поверхности.
Таким образом, радиационный баланс земной поверхности носит название эффективного излучения земной поверхности.
Радиационный баланс земной поверхности оказывает существенное влияние на распределение температуры почвы, поверхностного слоя воды и воздуха в приземном слое, а также на испарение, снеготаяние, образование туманов и заморозков, изменение свойств воздушных масс.
Изменение радиационного баланса зависит от широты, времени года и суток, погодных условий и т. п.
При положительном радиационном балансе (R > 0), подстилающая поверхность нагревается,
при отрицательном радиационном балансе (R < 0) подстилающая поверхность остывает.
Радиационный баланс переходит:
от отрицательных значений к положительным значениям, примерно через один час после восхода Солнца,
от положительных к отрицательным значениям – за один час до захода Солнца.
В ночное время, при наличии плотной облачности, радиационный баланс постоянный.
Момент перехода радиационного баланса через ноль совпадает со временем установления в вечернее время и разрушения в утренние часы приземных температурных инверсий.
Радиационный баланс является одним из климатообразующих факторов.
Атмосфера, поглощая земное излучение и посылая встречное, предохраняет Землю от потери тепла, но мало препятствует нагреванию от Солнца.
Эта способность атмосферы носит название тепличного (парникового) эффекта.