книги из ГПНТБ / Лушев, Ю. Г. Физика верхней атмосферы Земли учебник
.pdfПотоки радиации в атмосферном «окне» (8—12 мкм) в значи тельной степени отражают температурный режим земной поверх ности или верхней кромки сплошной облачности. В области сильного поглощения излучающий слой будет расположен в пре делах стратосферы или мезосферы. Таким образом, возникает так называемая обратная задача, т. е. по измеренным величинам интенсивностей или потоков найти профиль температуры или влажности.
Решение этой задачи значительно более сложно, чем решение прямой задачи — расчета потоков по известным распределениям температуры и влажности. Действительно, последняя задача сво дится к интегрированию обыкновенного линейного дифференци ального уравнения, тогда как в первом случае нужно решать не которое интегральное уравнение.
Запишем уравнение переноса для монохроматической радиа ции применительно к восходящему потоку:
|
|
|
dL |
( E X~ I X), |
|
.(7.1) |
|
|
|
± = W |
|
||
где |
p. = sec9, 6 — |
зенитный угол. |
= axp„dz, нетрудно |
|||
|
Вводя |
элемент |
оптической |
толщины d \ |
||
получить |
решение |
уравнения (7.1) в виде |
|
|
||
|
|
|
|
■'«> |
|
|
|
|
А (О, (О = |
J ?Ехе ~ ^ |
. |
(7.2) |
|
|
|
|
|
о |
|
|
где |
А (0, (*) — интенсивность уходящего потока |
радиации на |
||||
правления, характеризуемого величиной р на верхней границе атмосферы (т = 0, так как отсчет -с ведется сверху), Ехо— ин
тенсивность теплового излучения земной поверхности.
В областях сильного поглощения первым членом правой ча сти уравнения (7.2) можно пренебречь и положить:
|
^оо |
|
|
|
|
Л(0, н 0= J |
V-Exe ~ ^ d ^ . |
(7.3) |
|
|
о |
|
|
|
Здесь |
требуется определить |
Ех = Ех [т (Г)], |
если известна |
|
А (0, tO. |
|
Д. Кинг предложил пред |
||
Для |
нахождения функции Ex(z) |
|||
ставить |
ей в виде |
|
|
|
|
Ях(<)= 2 |
0А. |
(7-4) |
|
|
|
i=i |
|
|
6 З а к . 5025 |
81 |
где s, = { |
1 в интервале V , |
(7 5) |
I |
0 востальной частиатмосферы; |
’ |
at — численныекоэффициенты,подлежащие определению.
Подставляя выражение (7.4) в (7.3), получим
М о , р ) = £ V ,
где
— (7.6)
Если рассматривается конечный спектральный интервал, то
- Р , ) , |
(7.7) |
(=1
где Р( — функция пропускания для слоя от г'-го уровня до верх ней границы атмосферы.
Если взять п измеренных значений / х или / лХ при различ
ных зенитных углах (т. е. при различных ц), то получим
систему п уравнений для определения п коэффициентов а,:
П
7 = 1 , 2 , . . . , л,
/-1
где
= |
v V-j) — |
1*у) • |
По вычисленным значениям а, определяется функция Планка при различных т. От нее по формуле Планка можно перейти
к температуре.
Метод Кинга требует знания функции пропускания и распре деления поглощающего газа с высотой. Основным недостатком его является предположение о горизонтальной оптической одно родности атмосферы, что явно не выполняется при наличии об лачности.
В настоящее время методы решений обратной задачи продол жают совершенствоваться и на основе их получены довольно об надеживающие данные.
ГЛАВА IV
ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ СТРАТОСФЕРЫ И МЕЗОСФЕРЫ
Анализ и обобщение опытных данных о термическом режиме стратосферы и мезосферы, выполненные в последние годы рядом исследователей, позволили составить более полное и точное пред ставление о термическом режиме, в первую .очередь, стратосфе ры (сведения о термическом режиме мезосферы по-прежнему ма лочисленны и недостаточно точны). Эти новые результаты и со ставляют содержание данной главы.
§1. ПОЛЕ ЗОНАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ В СТРАТОСФЕРЕ
ИМЕЗОСФЕРЕ
Кнастоящему времени накоплен большой по объему экспери ментальный материал зондирования атмосферы с помощью ра диозондов, метеорологических рдкет. Анализу данных зондиро вания атмосферы посвящено большое число исследований, ре
зультаты которых обобщены в монографиях К- Я. Кондратьева, X. П. Погосяна и А. А. Павловской, В. Р. Дубенцова, И. В. Ханевской, К- Т. Логвинова и др.
На рис. 4.1 и 4.2 изображены вертикальные разрезы поля зо нальной температуры зимой и летом, построенные К. Т. Логвино вым. Не останавливаясь на особенностях термического режима тропосферы, отметим наиболее характерные черты этого режима в стратосфере. В зоне 0—40° с. ш. в течение всего года на высотах от 12 до 25 км существует приэкваториальная область холода с
температурой в центре около —82°. К северу от этой |
области |
температура повышается: летом — до полюса, а зимой |
до уме |
ренных широт, где наблюдается область тепла. К северу от этой области горизонтальный градиент температуры направлен в сто рону полюса, где в это время образуется вторая область холода, центр которой расположен между 25 и 30 км над полюсом. Зим няя область тепла в нижней стратосфере располагается между 40 и 60° с. ш., смещается к югу в средней стратосфере и постепен но сливается с обширной областью тепла, распространяющейся от летнего полюса в зимнее полушарие. С апреля по сентябрь над
6* |
83 |
Полярным бассейном располагается область тепла, центр кото рой находится на высоте 50—54 км. Средняя температура июля здесь около 12°, в то время как на высоте 30 км она составляет около —30°.
В нижней стратосфере, согласно рис. 4.3, построенному И. В. Ханевской, наблюдаются две области больших горизонталь ных градиентов (Г) зональной температуры. С сентября по март
в стратосфере существует область положительных |
Г ( Г > 0 , ес |
ли температура падает по направлению к полюсу). |
В январе мак- |
Рис. 4.1. Меридиональный разрез поля зональной темпе ратуры зимой:
1 — тропопауза; 2 — стратопауза. Буквы (от А до Л) на нижней шкале обозначают пункты наблюдения, по данным которых построен разрез
симальные значения Г наблюдаются в средней стратосфере меж
ду 60 и |
70° с. ш. |
и составляют 0,75—0,80 град/111 км. Вторая |
||
область больших |
(по модулю) значений Г, но |
направленных к |
||
экватору |
( Г < 0 ) , |
наблюдается круглогодично |
в нижней |
стра |
тосфере. |
Она располагается над тропосферной |
областью |
боль |
|
ших Г > |
0 и одновременно с последней смещается в течение го |
|||
да, занимая наиболее южное положение зимой (центр на широте около 30°) и наиболее северное летом (центр на широте около 45°). Значения Г в центре области составляют —0,90 град/ 111 км зимой и — (0,80-7-0,82) град/ 111 км в остальные сезоны.
84
В пределах всей стратосферы наблюдается хорошо выражен ный годовой ход температуры. Наглядное представление о нем можно составить с помощью временных разрезов, приведенных для отдельных станций (р. Хейса, Волгоград и м. Кеннеди) на рис. 4.4—4.6 (по К- Т. Логвинову [25]). Согласно этим дан ным, годовой ход высоты стратопаузы на всех широтах ана логичен: она достигает максимума зимой и минимума летом; наибольшая амплитуда колебаний высоты стратопаузы (6—8 км)
Рис. 4.2. Меридиональный разрез поля зональной температуры летом.
Обозначения — см. рис. 4.1
и температуры ее (5—10°) наблюдается в полярных и умеренных широтах. В тропической и экваториальной областях высота страгопаузы изменяется на 4—б км, а температура ее — на 1—2°.
В табл. 4.1 приведены сведения о средних значениях высоты
стратопаузы (гст), толщины стратосферы |
(Дг) и разности тем |
ператур между стратопаузой и тропопаузой |
(ДТ). |
Разность ДТ достигает максимума (70—75°) в экваториаль ной и тропической областях, по направлению к полюсу она умень шается, толщина же стратосферы наибольшая (44—46 км) в по лярных районах.
Вертикальные профили температуры (средней за все сезоны, максимальной и минимальной) приведены для различных широт-
85
Пункт
наблюдений
о Хейса
Форт-Грили
Волгоград
Уайт-Сэндс
м. Кеннеди
Экваториаль ный район
Мак-Мердо
Т абл и ц а 4.1
Некоторые характеристики стратосферы |
|
|
|
||||||
Ши |
|
Зима |
|
|
Лето |
|
|
Год |
|
z cm |
Дг |
|
|
Дz |
|
|
д* |
|
|
рота |
Д7°С |
*ст |
Д Т°С |
z cm |
ДГС |
||||
К М |
км |
К М |
км |
К М |
км |
||||
81° |
— |
— |
_ |
52 |
42 |
63 |
_ |
_ |
|
64° |
56 |
46 |
51 |
53 |
42 |
58 |
54,5 |
44 |
54 |
49° |
54 |
43 |
51 |
47 |
35 |
50 |
50 |
38,5 |
51 |
32° |
50 |
34 |
66 |
48 |
31,5 |
66 |
49 |
33 |
66 |
О 00 сч |
50 |
33,5 |
68 |
48 |
31,5 |
67 |
49 |
32,5 |
68 |
10° |
49 |
32 |
73 |
47 |
31 |
70 |
48 |
31,5 |
71 |
с. ш. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
—10° |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ю. ш. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
78° |
56 |
46 |
77 |
53 |
45 |
76 |
54 |
45 |
81 |
ю. ш. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ных зон (полярной, умеренной, тропической и экваториальной) на рис. 4.7—4.10. В полярном районе наблюдаются наибольшие разности экстремальных температур (от 60° в нижней страто сфере до 90° в верхней), в умеренных широтах эти разности
86
г км |
2S8 268 263 253 |
253 |
Z км |
263 273 293 |
273 263 258 |
Ш I Ж Ш Ш Y Ж Ш Ш И. 1 Л
Ряс. 4.4. Годовой код температуры (°К) на ст. о.
/ — тропопауза
Рис. 4.5. Годовой ход температуры (°К) на ст. Волго град:
1 — тропопауза; 2 — стратопауза
Z нм
z нм
Рис. 4.7. Вертикальные профили температуры |
в поляр |
|
1 |
ном районе (о. Хейса): |
5 — год; |
— зима; 2 — весна; 3 — лето; 4 — осень; |
||
6 |
максимальные температуры; 7 — минимальные тем |
|
|
пературы; 8 — предполагаемый ход |
|
z к м
Z к м
Рис. 4.8. Вертикальные профили температуры в |
|
средних широтах (35—55° с. ш.). |
Обозначения — см. рис. 4.7 |
Обозначения — см. рис. 4.7 |
о
с
Z Н М
г нм
Рнс. 4.11. Распределение с высотой сред них квадратических отклонений темпера туры на ст. о. Хейса:
/ — зима; 2 — лето; 3 — год