6.2. Отраженная и поглощенная радиация. Альбедо земной поверхности и Земли в целом

Суммарная солнечная радиация, приходящая на земную поверхность, частично от нее отражается и теряется ею – это отраженная радиация (R_k); она составляет около 3% от всей солнечной радиации. Оставшаяся радиация поглощается верхним слоем почвы или воды и называется поглощенной радиацией (47%). Она служит источником энергии всех движений и процессов в атмосфере. Величина отражения и соответственно поглощения солнечной радиации зависит от отражательной способности поверхности, или альбедо. Альбедо поверхности – это отношение отраженной радиации к суммарной радиации, выраженное в долях от единицы или в процентах: A = (R_k/Q) * 100%. Отраженная радиация выражается формулой R_k = Q * A, оставшаяся поглощенная – Q - R_k или Q * (1 - А), где 1 – А – коэффициент поглощения, причем А рассчитывается в долях от единицы.

Альбедо земной поверхности зависит от ее свойств и состояния (цвета, влажности, шероховатости и т. д.) и изменяется в больших пределах, особенно в умеренных и субполярных широтах в связи со сменой сезонов года. Наиболее высокое альбедо у свежевыпавшего снега – 80 – 90%, у сухого светлого песка – 40%, у растительности – 10–25%, у влажного чернозема – 5%. В полярных областях высокое альбедо снега сводит на нет преимущество больших величин суммарной радиации, получаемых в летнее полугодие. Альбедо водных поверхностей в среднем меньше, чем суши, так как в воде лучи глубже проникают в верхние слои, чем в почвогрунтах, рассеиваются там и поглощаются. При этом на альбедо воды большое влияние оказывает угол падения солнечных лучей: чем он меньше, тем больше отражательная способность. При отвесном падении лучей альбедо воды составляет 2–5%, при малых углах – до 70%. В целом альбедо поверхности Мирового океана составляет менее 20%, так что вода поглощает до 80% суммарной солнечной радиации, являясь мощным аккумулятором тепла на Земле.

Интересно также распределение альбедо на различных широтах земного шара и в разные сезоны.

Альбедо в целом увеличивается от низких широт к высоким, что связано с возрастающей облачностью над ними, снежной и ледяной поверхностью полярных областей и уменьшением угла падения солнечных лучей. При этом видны локальный максимум альбедо в экваториальных широтах вследствие большой облачности и минимумы в тропических широтах с их минимальной облачностью.

Сезонные вариации альбедо в северном (материковом) полушарии значительнее, нежели в южном, что обусловлено более острой реакцией его на сезонные изменения природы. Это особенно заметно в умеренных и субполярных широтах, где летом альбедо понижено из-за зеленой растительности, а зимой повышено за счет снежного покрова.

Планетарное альбедо Земли – отношение уходящей в Космос «неиспользованной» коротковолновой радиации (всей отраженной и части рассеянной) к общему количеству солнечной радиации, поступающей на Землю. Оно оценивается в 30%.

6.3. Излучение земной поверхности. Встречное и эффективное излучение

Земная поверхность, поглощая солнечную энергию и нагреваясь, сама становится источником излучения тепла в атмосферу и мировое пространство. Согласно закону Стефана – Больцмана, чем выше температура участка поверхности, тем больше его излучение. В отличие от коротковолновой солнечной (прямой и рассеянной) и отраженной радиации, собственное излучение земной поверхности длинноволновое, тепловое (Е_s). Большая часть земного излучения задерживается атмосферой благодаря водяному пару, диоксиду углерода и отчасти озону. Поглощая его, а также некоторую часть солнечной радиации, атмосфера нагревается и сама излучает тепло. Атмосферное излучение тоже длинноволновое. Большая часть его направлена обратно к земной поверхности и носит название встречного излучения атмосферы (Е_а). Оно является для земной поверхности дополнительным источником тепла к поглощаемой солнечной радиации. Разность между излучением земной поверхности и встречным излучением атмосферы называется эффективным излучением (Е_эф). Оно показывает фактическую потерю тепла земной поверхностью.

Эффективное излучение зависит от ряда факторов, и прежде всего от температуры подстилающей поверхности: чем она выше, тем больше эффективное излучение. Поэтому оно значительнее днем, но перекрывается суммарной солнечной радиацией. Ночью же, когда оно остается без компенсации, температура поверхности и воздуха понижается. На эффективное излучение существенно влияют влажность воздуха и облачность: в пасмурную погоду оно мало, в ясную – велико. Снижает его и растительность. Зависит излучение и от абсолютной высоты местности: в горах, где малая плотность воздуха, благодаря чему днем велика прямая солнечная радиация, а ночью незначительно встречное излучение, эффективное излучение весьма велико. Это приводит к большому суточному перепаду температур.

Наибольшего значения эффективное излучение достигает в области тропических пустынь, что обусловлено высокой температурой подстилающей поверхности, безоблачным небом и сухостью воздуха. Меньшие и примерно одинаковые величины потери тепла за счет эффективного излучения наблюдаются в экваториальных и умеренных широтах, самые наименьшие – в полярных странах.

Способность атмосферы пропускать солнечную радиацию, но задерживать благодаря парниковым газам земное излучение называют парниковым или оранжерейным эффектом. Он оказывает смягчающее влияние на температуру Земли. Поскольку водяной пар – основная поглощающая и излучающая часть воздуха, он является важным звеном не только влагооборота, но и теплооборота Земли.