4. Інші фізичні характеристики повітря

Атмосфера має теплоємність – кількість теплоти, яку необхідно витратити для підвищення температури повітря на один градус. У СІ теплоємність вимірюється у джоулях на кельвін (Дж/К). Коли об’єм повітря постійний, то говорять про питому теплоємність – кількість теплоти, яку треба витратити для підвищення температури одиниці маси газу на один градус. Виражається в джоулях на кілограм-кельвін (Дж/кг ∙ К). Теплоємність повітря при сталому тиску значно більша, ніж при сталому об’ємі. Вона не однакова в різних шарах атмосфери, особливо по вертикалі, і залежить від таких метеоелементів, як якісний склад атмосфери, наявність і пружність водяної пари. Температура, тиск.

Крім теплоємності атмосфера характеризується також теплопровідністю – здатністю проводити теплоту. Якщо повітря перебуває в спокійному стані, то теплопровідність його визначається його молекулярним рухом, показує, скільки теплоти треба витратити, щоб за одиницю часу на одиниці довжини, чи висоти температура підвищилась на один градус. У СІ теплопровідність виражається в джоулях на метр-секунду-кельвин (Дж/м · с · К). В таблиці 5 приводиться порівняння теплопровідності різних середовищ.

Таблиця 5.

Порівняння теплопровідності різних середовищ.

Середовище	Теплопровідність в Дж/м ∙ с ∙ К
Повітря	0,000056
Вода	0,0013
Грунт	0,67-1,10

У природних умовах повітря перебуває в постійному русі, здебільшого в різнобічних, безладних складних траєкторіях. Такий рух повітря називають турбулентним. За таких умов перемішування, переміщення атмосферного повітря може різко змінити його теплопровідність – збільшити у 100 – 200 разів.

5. Добовий та річний хід атмосферного тиску

Атмосферний тиск доведений до рівня моря, змінюється від 970 до 1050 мбар. Екстремальні значення величин тиску складають 887 мбар (райони Тихого океану) і 1075 мбар (райони Сибіру).

У добовому ході тиску повітря існують два мінімуми, що настають приблизно в 10 і 22 год., та два мінімуми – о 4 і 16 год. добові коливання тиску пов’язані з коливанням температури.

У середніх широтах розрізняють два типи різного типу повітря; морський та континентальний. Значне нагрівання континентів і зниження над ними тиску в теплу пору року та підвищення тиску над морями призводить до переміщення повітряних мас з моря на сушу. В холодні місяці, навпаки, вищий тиск над континентами і нижчий над морями, тому повітряні маси рухаються з суші на море.

Лекція 2. Сонячна радіація План

1. Спектральний склад сонячної радіації і біологічне значення частин спектра

2. Зміни сонячної радіації при проходженні атмосфери

3. Екологічне значення основних частин спектра

4. Тривалість дня та її сезонна зміна

5. Радіаційний баланс поверхні та його складові

1. Спектральний склад сонячної радіації і біологічне значення частин спектра

Сонце – найближча до нас зірка. Відстань від Землі до Сонця в середньому складає 149,5 млн. км. Якщо виразити відстань в світлових хвилинах, то воно дорівнює в середньому 8,3 світлові хвилини. Наскільки близько находиться Сонце від Землі можна порівняти по відстані до другої зірки сонячної системи Альфа Центавра, яке дорівнює 4,3 світлових роки.

Сонце є основним джерелом енергетичних процесів на Землі. Сонце - велика куля (діаметром 1,4 млрд. км) , яка складається з розжарених газів: водню (50%), гелію (40%) і суміші важких елементів (10%). Об’єм Сонця в 1,3 10⁶ разів більше об’єму Землі, а його маса складає 99,87% маси всієї сонячної системи. Всередині Сонця температура становить 20000000 ⁰С, а на зовнішні поверхні 6000 ⁰С. За такої високої температури в надрах Сонця весь час проходять ядерні реакції, в результаті яких Сонце випромінює в простір енергію, яка приблизно дорівнює 3,71 10²⁶ Вт. До Землі доходить близько однієї мільярдної частини цієї енергії. Проте і це становить понад 3,3 10⁸ Вт на 1 км² за рік. Така енергія рівноцінна потужності 33 10⁴ кВт. На верхню границю Землі приходить енергетичний потік в 1382 Вт/м².

Інтенсивність сонячної радіації вимірюють в Вт/м² або кал/см² хв. 1 кал/см² хв = 698 Вт/м².

Мал. 4. Будова Сонця

Прихід радіації на верхню межу атмосфери змінюється в залежності від відстані Землі до Сонця, яке на протязі року не залишається постійним внаслідок еліптичної орбіти Землі. Найменша відстань Землі до Сонця (перигелій) – 147 ∙ 10⁶ км, це проходить 2 січня. Найбільша відстань Землі від Сонця (афелій), дорівнює 152 ∙ 10⁶ км і відмічається 5 липня.

Мал. 5. Відстань Землі до Сонця

В атмосфері сонячна радіація на шляху до поверхні Землі частково поглинається а також розсіюється і відбивається від земної поверхні. Тому в атмосфері спостерігають три види промінистої енергії Сонця: пряма, розсіяна, та відбита.

Пряма сонячна радіація – поступає на Землю безпосередньо від сонячного диску в вигляді пучка паралельних промінів. Інтенсивність потоків прямої радіації пов’язані з положенням сонця над горизонтом.

При безхмарному небі, прозорі атмосфері і високому розташуванні Сонця над горизонтом пряма радіація найбільш інтенсивна.

Розсіяна сонячна радіація – частина сонячної радіації, яка проходячи крізь атмосферу розсіюється молекулами атмосферних газів та аерозолів. Інтенсивність молекулярного розсіювання підкоряється закону Релея:

К = С : λ4

С – коефіцієнт, який залежить від кількості розсіюваючих частинок в одиниці об’єму повітря;

λ – довжина хвилі.

Відбита короткохвильова сонячна радіація – частина сонячної радіації, яка відбивається земною поверхнею.

Сумарна радіація – складається з прямої сонячної радіації, яка приходить на горизонтальну поверхню та розсіяної радіації. Щорічно потоки сонячної радіації не є постійними в зв’язку із хмарністю, викидами аерозолів в атмосферу, циклами сонячної активності. Безумовно зміна потоків сумарної радіації впливають на процеси фотосинтезу рослин, на їх продуктивність.

Земна поверхня, як фізичне тіло, яке має температуру вище –273^оС, є джерелом випромінювання яке називають теплове випромінювання Землі. Воно направлено в атмосферу і майже повністю поглинається нею. Атмосфера в свою чергу також випромінює тепло частково в космічний простір, а частково на земну поверхню. Частину атмосферного випромінювання , яка приходить до земної поверхні називають – зустрічним випромінюванням.

Промінисту енергію Сонця та теплове випромінювання Землі і атмосфери умовно поділяють на короткохвильове і довгохвильове (табл. 6). Пряма, розсіяна і відбита радіація відносяться до короткохвильової частини спектра, а теплове випромінювання Землі та зустрічне випромінювання до довгохвильової.

Таблиця 6.

Поділ промінистої енергії Сонця

Довгохвильове випромінювання	Короткохвильове випромінювання
Теплове випромінювання Землі Зустрічне випромінювання. атмосфери	Пряма радіація Розсіяна радіація Відбита радіація

Розділ метеорології, який вивчає промінисту енергію в атмосфері називають актинометрією.

Сонячна радіація складається з електромагнітних хвиль різної довжини. В актинометрії цю довжину найчастіше вимірюють в мікрометрах (мкм),а деколи в нанометрах (1 мкм = 1^-6 м; 1 нм = 10^-9 м). Розпреділення хвиль по довжині називають спектром. Сонячний спектр складається з трьох частин: ультрафіолетового, видимого та інфрачервоного випромінювання. Довжина хвиль і енергія в окремих частинах сонячного спектра аналізується в таблиці 7.

Біля верхнього шару атмосфери на видиму частину приходиться - 46%, на інфрачервону - 47%, на ультрафіолетову – 7%. Видима частина спектра створює освітленість, при проходженні через призму сонячне світло розпадається на кольорові промені розміщені по мірі зменшення довжини хвиль в слідуючому порядку червоні, оранжеві, жовті, зелені, голубі, сині, фіолетові. Дія цих променів на око людини одночасно сприймається як білий колір. Крім промінистої енергії, від Сонця до Землі поступає корпускулярне випромінювання, яке складається з електрично заряджених частинок. Це випромінювання поглинається в атмосфері на висоті 100 км.

Таблиця 7.

Довжина хвиль і енергія в окремих частинах сонячного спектра

Ділянка спектра	Довжина хвиль (мкм)	Енергія хвиль		Примітка
		Вт/м2	%
Ультрафіолетова	0,20-0,39 0,20-0,28 0,29-0,32 0,32-0,39	97,7 5,6 17,4 74,7	7 0,4 1,2 5,4	- поглинаються озоновим шаром - досягають земної поверхні
Видима	0,40-0,75 0,40-0,52 0,52-0,62 0,62-0,75	635,2 364,3 209,4 181,5	46 18 15 13	- фіолетові, сині, голубі зелені, жовті, оранжеві червоні
Інфрачервона	0,76-24,0 0,75-1,40 1,40-3,00 3,00-24,0	649,1 446,7 174,5 27,9	47 32 13 2	- Ближча інфрачервона - -

Максимум енергії в спектрі сонячної радіації на верхні межі атмосфери приходиться на довжину хвилі 0,48 – 0,49 мкм, тобто лежить в синьо-голубі частині спектра. Спектр прямої радіації у земної поверхні характеризується максимумом в жовто-зелені області.