3.6. Радіаційний баланс земної поверхні
Радіаційний баланс земної поверхні це різниця між поглинутою радіацією і ефективним випромінюванням
(3.4)
(3.4)
Друга назва – залишкова радіація.
Радіаційний баланс змінюється від нічних негативних значень до позитивних денних після сходу Сонця при висоті 10…15°. Від позитивних значень до негативних він переходить перед заходом Сонця, при тій же його висоті над горизонтом. При наявності снігового покрову радіаційний баланс переходить до позитивних значень тільки при висоті сонця біля 20...25о, так як при більшому альбедо снігу поглинання сумарної радіації невеличке. Вдень радіаційний баланс росте зі збільшенням висоти сонця й зменшується з її зменшенням. Вночі, коли сумарна радіація відсутня, негативний радіаційний баланс дорівнює ефективному випромінюванню й тому змінюється протягом ночі мало, якщо умови хмарності залишаються однаковими.
3.7. Прилади для вимірювання радіаційного балансу та його складових
Для виміру інтенсивності променевої енергії застосовуються актинометричні прилади різноманітної конструкції. Прилади бувають абсолютні та відносні. По абсолютним приладам результати отримують зразу у теплових одиницях, а по відносним – у відносних.
Абсолютні прилади за будовою та за поводженням досить складні й не мають масового розповсюдження. Застосовуються вони, як правило, для перевірки відносних приладів.
Термоелектричний актинометр АТ-50 використовується для виміру прямої сонячної радіації.
Термоелектричний піранометр П-3х3 застосовується для виміру розсіяної та сумарної сонячної радіації.
Похідний термоелектричний альбедометр АП-3х3, призначений для виміру в похідних умовах сумарної, розсіяної та відбитої радіації. На практиці він застосовується для виміру альбедо діяльної поверхні.
Балансомір термоелектричний М-10 застосовується для виміру радіаційного балансу підстилаючої поверхні або залишкової радіації, яка являє собою алгебраїчну суму усіх видів радіації.
Геліограф універсальний ГУ – призначений для реєстрації тривалості сонячного сяйва, тобто проміжок часу, протягом якого сяє сонце.
Таксиметр Ю-16 – застосовується для виміру природного й штучного освітлення. Принцип його дії застосований на явищі фотоелектричного ефекту.
4. Тепловий режим атмосфери
4.1. Причини зміни температури повітря
Зміна температури повітря відбувається під впливом сонячної радіації і циркуляції атмосфери.
Розподіл температури повітря в атмосфері і її безперервні зміни називаються тепловим режимом атмосфери. Тепловий режим визначається в першу чергу теплообміном між атмосферним повітрям і оточуючим середовищем. Під оточуючим середовищем розуміють космічний простір, сусідні маси або шари повітря, а також земну поверхню.
Теплообмін здійснюється:
радіаційним шляхом - при власному випромінювані повітрям і при поглинанні повітрям радіації Сонця, радіації земної поверхні, або інших атмосферних шарів;
шляхом молекулярної теплопровідності між повітрям і земною поверхнею і турбулентної теплопровідності всередині атмосфери.
Передача тепла між земною поверхнею і повітрям відбувається також при випаровуванні і наступної конденсації (кристалізації) водяної пари. Крім того зміна температури повітря може відбуватися без теплообміну з оточуючим середовищем, тобто адіабатично. Строго адіабатичних процесів в атмосфері не існує. Ніяка маса повітря не може бути повністю ізольована від теплового впливу оточуючого середовища. Але, якщо атмосферний процес протікає дуже швидко, особливо при вертикальних рухах повітря, і теплообмін за цей час дуже малий, то зміну стану можна вважати адіабатичним.
Я
(4.1)
(4.1)
де Р - тиск;
v- питомий об'єм газу ;
R - газова стала, яка залежить від природи газу;
Т - температура по абсолютній шкалі (Кельвіна).
Зміни температури, не пов'язані з теплообміном, відбуваються внаслідок перетворення внутрішньої енергії газу в роботу, або роботи у внутрішню енергію. При розширенні маси повітря відбувається робота проти зовнішніх сил тиску, так звана робота розширення, на яку витрачається внутрішня енергія повітря. Але внутрішня енергія газу пропорційна його абсолютній температурі, тому температура повітря при розширені знижується. Навпаки, при стисканні маси повітря здійснюється робота стискання. Внутрішня енергія маси повітря, яка стискається, росте, тобто швидкість молекулярних рухів збільшується. Відповідно, росте і температура повітря.
Безпосереднє поглинання сонячної радіації в тропосфері мале і може визвати підвищення температури повітря не більше ніж на 0,5° в день. Дещо більше значення має втрата тепла із повітря шляхом довгохвильового випромінювання (зустрічне випромінювання атмосфери Еа). Але вирішальне значення для теплового режиму атмосфери має теплообмін з земною поверхнею шляхом теплопровідності.
Повітря, яке безпосередньо прилягає до земної поверхні, обмінюється з нею теплом внаслідок молекулярної теплопровідності. Всередині атмосфери діє інша, більш ефективна передача тепла - шляхом турбулентної теплопровідності. Перемішування повітря сприяє швидкій передачі тепла від одних шарів атмосфери до інших, а також збільшує передачу тепла від земної поверхні до повітря і навпаки.
Для вищих шарів атмосфери теплообмін з земною поверхнею має менше значення. Тут зростає значення адіабатичних змін температури при висхідних і низхідних рухах повітря.
Зміни температури, які відбуваються в певній кількості повітря внаслідок названих вище процесів називаються індивідуальними. Вони характеризують зміну теплового стану даної певної кількості повітря.
Можна говорити про зміни температури повітря в конкретній точці атмосфери з фіксованими географічними координатами і з незмінною висотою над рівнем моря. Любу метеостанцію можна розглядати, як таку точку. Температура в цій точці буде змінюватися не тільки внаслідок індивідуальних змін, а й внаслідок безперервної зміни повітря в даному місці (надходження повітря із інших місць, де воно має іншу температуру).
Надходження до даного місця повітряних мас з інших районів носить назву адвекції, а зміни температури пов'язані з адвекцією - адвективними. Розрізняють адвекцію тепла і адвекцію холоду. Якщо надходить повітря з більш високою температурою, то це адвекція тепла і навпаки.
Загальна зміна температури в конкретній географічній точці, яка залежить і від індивідуальних змін і від адвекції називається локальною (місцевою) зміною.
Таким чином, прилади метеостанції дають локальні зміни температури повітря, а термометр розташований на повітряній кулі, що летить за вітром, знаходиться в одній і тій же повітряній масі, показує індивідуальні зміни температури в цій повітряній масі.