7.23. На какой основе базируется излучение земной поверхности
7.24.В чем заключается парниковый эффект в атмосфере
Сущность парникового эффекта состоит в том, что атмосфера почти целиком пропускает излучение Солнца к Земле, но из-за наличия в атмосфере парниковых газов (газов, вызывающих парниковый эффект) заметно задерживает обратное тепловое (инфракрасное) излучение земной поверхности. Парниковые газы образуют как бы "стеклянную крышу парника" над планетой и большая часть излучаемого Землей тепла возвращается назад. Тепловая энергия накапливается в приповерхностных слоях атмосферы тем интенсивнее, чем больше в них концентрация парниковых газов. Усиление парникового эффекта приводит к повышению температуры на поверхности Земли и потеплению климата. Благодаря существованию парникового эффекта только 20% теплового излучения земной поверхности безвозвратно уходит в космос. Если бы Земля не имела атмосферы с парниковыми газами, то средняя температура ее поверхности была бы на 33°С ниже. Сейчас средняя температура планеты 15°С. Главным парниковым газом на Земле является водяной пар. Огромный вклад в парниковый эффект вносят двуокись углерода СО2 (60% вклада) и метан СН4 (20% вклада). К парниковым газам относятся также закись азота N2O (5% вклада), фреон (15% вклада) и озон.
Источниками техногенных парниковых газов являются: теплоэнергетика, промышленность и автотранспорт, выделяющие СО2 , химические производства, утечки из трубопроводов, гниение мусора и отходов животноводства определяют поступление СН4; холодильное оборудование, бытовая техника - фреонов, автотранспорт, ТЭС, промышленность - оксидов азота и т.п.
В результате в биосферу дополнительно поступает теплота порядка 70·1020 Дж/год, при этом на долю отдельных газов приходится: СО2 - 50%, фреонов - 15, О3- 5, СН4 -20, N2O - 10%. Доля парникового эффекта в нагреве биосферы в 16,6 раза больше доли других источников антропогенного поступления теплоты.
Средняя температура в северном полушарии возросла на 0,4 0С с 1880 по 1940гг., а в период до 2030 г она может повыситься еще на1,5-4,5 0С. Это весьма опасно для островных стран и территорий, расположенных ниже уровня моря.
Парниковый эффект в атмосфере - явление, распространенное и на региональном уровне. Антропогенные источники теплоты (ТЭС, транспорт, промышленность), создают около городов пространства радиусом 50 км и более с повышенными на 1-5 0С температурами и высокими концентрациям загрязнений. Эти зоны (купола) над городами хорошо просматриваются из космического пространства. Они разрушаются лишь при интенсивных движениях масс атмосферного воздуха.
7.25.Как распределяется суммарная солнечная энергия по планете Земля
Географическое распределение суммарной радиации Распределение годовых и месячных количеств суммарной солнечной радиации по
земному шару зонально: изолинии (т. е. линии равных значений) потока радиации на картах не совпадают с широтными кругами. Солнечная радиация распределяется по земле неравномерно. Это зависит:
1. от плотности и влажности воздуха — чем они выше, тем меньше радиации получает земная поверхность;
95
2.от географической широты местности — количество радиации увеличивается от полюсов к экватору. Количество прямой солнечной радиации зависит от длины пути, который проходят солнечные лучи в атмосфере. Когда Солнце находится в зените (угол падения лучей 90°), его лучи попадают на Землю кратчайшим путем и интенсивно отдают свою энергию малой площади. На Земле это происходит в полосе между от 23° с. ш. и 23° ю. ш., т. е. между тропиками. По мере удаления от этой зоны на юг или на север длина пути солнечных лучей увеличивается, т. е. уменьшается угол их падения на земную поверхность. Лучи начинают падать на Землю под меньшим углом, как бы скользя, приближаясь в районе полюсов к касательной линии. В результате тот же поток энергии распределяется на большую площадь, поэтому увеличивается количество отраженной энергии. Таким образом, в районе экватора, где солнечные лучи падают на земную поверхность под углом 90°, количество получаемой земной поверхностью прямой солнечной радиации выше, а по мере передвижения к полюсам это количество резко сокращается. Кроме того, от широты местности зависит и продолжительность дня в разные времена года, что также определяет величину солнечной радиации, поступающей на земную поверхность;
3.от годового и суточного движения Земли — в средних и высоких широтах поступление солнечной радиации сильно изменяется по временам года, что связано с изменением полуденной высоты Солнца и продолжительности дня;
4.от характера земной поверхности — чем светлее поверхность, тем больше солнечных лучей она отражает.
Годовые количества суммарной радиации особенно велики в малооблачных субтропических пустынях. Зато над приэкваториальными лесными областями с их большой облачностью они снижены. К более высоким широтам обоих полушарий годовые количества суммарной радиации убывают. Но затем они снова растут — мало в Северном полушарии, но весьма значительно над малооблачной и снежной Антарктидой. Над океанами суммы радиации ниже, чем над сушей.
Радиационный баланс земной поверхности за год положительный повсюду на Земле, кроме ледяных плато Гренландии и Антарктиды. Это означает, что годовой приток поглощенной радиации больше, чем эффективное излучение за то же время. Но это вовсе не значит, что земная поверхность год от года становится все теплее. Избыток поглощенной радиации над излучением уравновешивается передачей тепла от земной поверхности в воздух путем теплопроводности и при фазовых преобразованиях воды (при испарении с земной поверхности и последующей конденсации в атмосфере).
Следовательно, для земной поверхности не существует радиационного равновесия в получении и отдаче радиации, но существует тепловое равновесие: приток тепла к земной поверхности как радиационными, так и нерадиационными путями равен его отдаче теми же способами.
На океанах радиационный баланс больше, чем на суше в тех же широтах. Это объясняется тем, что радиация в океанах поглощается большим слоем, чем на суше, а эффективное излучение не такое большое вследствие более низкой температуры морской поверхности, чем поверхности суши. Существенные отклонения от зонального распределения имеются в пустынях, где баланс ниже вследствие большого эффективного излучения в сухом и малооблачном воздухе. Баланс понижен также, но в меньшей мере, в районах с муссонным климатом, где в теплое время года облачность увеличивается, а поглощенная радиация уменьшается по сравнению с другими районами под той же широтой.
7.26.Какими показателями можно подтвердить географическое распределение радиационного баланса
96
Энергией для большинства земных процессов является лучистое излучение Солнца, поступление которого изменяется в течение года и зависит от географической широты. В географической оболочке потоки солнечной радиации существенно трансформируются: отражаются, поглощаются, рассеиваются. Отношение отраженной радиации к суммарной (прямой и рассеянной) называется альбедо и выражается формулой:
где а - альбедо, выраженное в % или долях единицы; Qотр - отраженная солнечная радиация; Q+q - суммарная солнечная радиация; Q - прямая; q - рассеянная.
Альбедо зависит от многих причин: высоты Солнца, облачности, характера подстилающей поверхности, времени года. Из таблиц видно, что альбедо суши в среднем больше, чем альбедо водной поверхности. Планетарное альбедо Земли оценивают в 0,3- 0,35.
8.Радиация земной поверхности.
8.1.В чем заключается длинноволновое излучение земной поверхности
Солнечная радиация, поглощаясь верхним слоем Земли, нагревает его, в результате
чего почва и поверхностные воды сами излучают длинноволновую радиацию. Эту земную радиацию называют собственным излучением земной поверхности. Интенсивность этого излучения с некоторым допущением подчиняется закону Стефана-Больцмана для абсолютно черного тела с температурой 150С. Но так как Земля не абсолютно черное тело (ее излучение соответствует излучению серого тела), при расчетах необходимо вводить поправку, равную ε=0,95. Таким образом, собственное излучение Земли можно определить по формуле
Ез = εσТ4
Определено, что при среднепланетарной температуре Земли 150С собственное излучение Земли Ез = 3.73*102 Вт/м2. Столь большая отдача радиации с земной поверхности приводила бы к очень быстрому ее охлаждению, если бы этому не препятствовал обратный процесс - поглощение солнечной и атмосферной радиации земной поверхностью.
8.2.Для чего используется закон Стефана-Больцмана
Закон Стефана-Больцмана.
В1879 году австрийские ученые Йозеф Стефан (экспериментально для произвольного тела) и Людвиг Больцман (теоретически для абсолютно черного тела) установили, что общая энергетическая светимость во всем диапазоне длин волн пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры тела:
Закон определяет зависимость мощности излучения абсолютно чёрного тела от его температуры.
97
8.3.Что собой представляет встречные излучения земной поверхности
Атмосфера нагревается, поглощая как солнечную радиацию (хотя в сравнительно небольшой доле, около 15% всего ее количества, приходящего к Земле), так и собственное излучение земной поверхности. Кроме того, она получает тепло от земной поверхности путем теплопроводности, а также при конденсации водяного пара, испарившегося с земной поверхности. Нагретая атмосфера излучает сама. Так же как и земная поверхность, она излучает невидимую инфракрасную радиацию примерно в том же диапазоне длин волн.
Большая часть (70%) атмосферной радиации приходит к земной поверхности, остальная часть уходит в мировое пространство. Атмосферную радиацию, приходящую к земной поверхности, называют встречным излучением Еа, так как оно направлено навстречу собственному излучению земной поверхности. Земная поверхность поглощает встречное излучение почти целиком (на 95–99%). Таким образом, встречное излучение является для земной поверхности важным источником тепла в дополнение к поглощенной солнечной радиации. Встречное излучение возрастает с увеличением облачности, поскольку облака сами сильно излучают.
8.4. Как определяется эффективное излучение
Земная поверхность, поглощая коротковолновую суммарную радиацию, в то же время теряет тепло путем длинноволнового излучения. Это тепло частично уходит в мировое пространство, а в значительной части поглощается атмосферой, создавая так называемый «парниковый эффект». В этом поглощении большое участие принимают водяной пар, озон и углекислый газ, а так же пыль. Вследствие поглощения излучения Земли атмосфера нагревается и, в свою очередь, приобретает способность излучения длинноволновой радиации. Часть этого излучения достигает земной поверхности. Таким образом, в атмосфере создаются два потока длинноволновой радиации, направленных в противоположные стороны. Один из них, направленный вверх, состоит из земного излучения Ез, а другой поток, направленный вниз, представляет радиацию атмосферы Еа. Разность Ез–Еа называют эффективным излучением Земли Еэф. Оно показывает фактическую потерю тепла земной поверхностью. Так как температура атмосферы чаще всего ниже температуры земной поверхности, поэтому в большинстве случаев, эффективное излучение больше 0. Это означает, что вследствие длинноволнового излучения земная поверхность теряет энергию. Лишь при очень сильных инверсиях температуры зимой, а весной при таянии снега и при большой облачности излучение меньше нуля. Такие условия наблюдаются, например, в области Сибирского антициклона.
Величина эффективного излучения определяется в основном температурой подстилающей поверхности, температурной стратификацией атмосферы, влагосодержанием воздуха и облачностью. Годовые величины Еэф на земном шаре изменяются по сравнению с суммарной радиацией значительно меньше (от 840 до 3750 МДж/м2). Это обусловлено зависимостью эффективного излучения от температуры и абсолютной влажности. Повышение температуры способствует росту эффективного излучения, но одновременно оно сопровождается ростом влагосодержания, которое уменьшает это излучение.
8.5.Как влияет облачность на излучение земной поверхности
Водяной пар сильно поглощает длинноволновую инфракрасную радиацию, которую излучает земная поверхность. В свою очередь и сам он излучает инфракрасную радиацию,
98