- •1. Предмет и метод метеорологии
- •2. Связь метеорологии с другими науками. Деление на научные дисциплины
- •3. Значение метеорологии для народного хозяйства и обороны страны
- •4. Особенности
- •6. Краткие сведения о достижениях метеорологической науки
- •7. Международное сотрудничество в области метеорологии
- •Глава 1
- •1.1. Состав воздуха вблизи земной поверхности
- •1.2. Состав воздуха
- •1.3. Уравнение состояния сухого воздуха
- •1.4. Уравнение состояния влажного воздуха
- •1.5. Характеристики влажности воздуха и связь между ними
- •2 Строение атмосферы
- •2.1. Основные сведения о Земле как планете
- •2.2. Принципы деления атмосферы на слои. Краткие сведения о методах исследования атмосферы
- •2.3. Тропосфера, стратосфера и мезосфера
- •2.4. Понятие о воздушных массах и фронтах
- •3 Статика атмосферы
- •3.1. Силы, действующие в атмосфере в состоянии равновесия
- •3.2. Уравнение статики атмосферы
- •3.3. Барометрические формулы
- •3.4. Барическая ступень
- •3.5. Вертикальный масштаб атмосферы
- •3.6. Геопотенциал. Абсолютная и относительная высота изобарических поверхностей
- •3.7. Стандартная атмосфера
- •Глава 4 Термодинамика атмосферы
- •4.1. Первое начало термодинамики применительно к атмосфере
- •4.2. Адиабатический процесс
- •4.3. Сухоадиабатический градиент
- •4.4. Потенциальная температура
- •4.5. Критерии устойчивости атмосферы по методу частицы
- •4.6. Изменение потенциальной температуры с высотой при различных видах стратификации атмосферы
- •4.7. Адиабатические процессы во влажном ненасыщенном воздухе
- •4.8. Влажноадиабатические процессы
- •4.9. Анализ состояния атмосферы с помощью термодинамических графиков
- •4.10. Стратификация атмосферы по отношению к влажноадиабатическому и сухоадиабатическому движению частицы
- •4.11. Метод слоя
- •Глава 5
- •5.2. Солнце и солнечная постоянная
- •Глава 6
- •6.1. Поглощение солнечной радиации в атмосфере Земли
- •6.2. Рассеяние солнечной радиации в атмосфере
- •6.3. Законы ослабления радиации в земной атмосфере
- •6.4. Прямая солнечная радиация
- •6.5. Рассеянная радиация
- •6.6. Суммарная радиация
- •6.7. Альбедо
- •Глава 7
- •7.1. Излучение земной поверхности
- •7.2. Излучение атмосферы
- •7.3. Полуэмпирические формулы для расчета излучения атмосферы и эффективного излучения земной поверхности
- •7.4. Влияние облачности на встречное и эффективное излучение
- •7.5. Суточный и годовой ход эффективного излучения
- •Глава 8
- •8.1. Радиационный баланс земной поверхности
- •Глава 9
- •9.1. Ламинарное и турбулентное состояние атмосферы
- •9.2. Простейшие характеристики турбулентности
- •9.3. Конвективный и турбулентный потоки тепла
- •Глава 11
- •11.1. Уравнение
- •Глава 12
- •12.1. Распределение температуры в тропосфере и нижней стратосфере
- •12.2. Инверсии температуры в атмосфере
- •Глава 14 Влажность воздуха
- •14.1. Уравнение переноса водяного пара в турбулентной атмосфере
- •14.2. Испарение
- •Глава 15
- •15.2. Зависимость теплоты фазового перехода и давления насыщенного водяного пара от температуры
- •Глава 16 Туманы
- •16.1. Физические условия образования и классификация туманов
- •Глава 17 Облака
- •Глава 18 Осадки
- •18.1. Классификация осадков
- •18.2. Процессы укрупнения облачных элементов и образования осадков
- •18.3. Наземная конденсация и осадки
- •Глава 19
- •19.1. Силы, действующие в атмосфере
- •19.2. Уравнения движения турбулентной атмосферы
- •Глава 21
- •21.1. Ветер в пограничном слое атмосферы
- •21.2. Местные ветры
- •Глава 22
- •22.1. Яркость небесного свода
- •22.3. Оптические явления в облаках, туманах и осадках
- •Глава 23
- •23.1. Ионизация атмосферы
- •23.3. Механизм образования электрических зарядов в грозовых облаках
- •23.4. Структура грозового облака. Рост града
- •23.5.. Полярные сияния
Глава 5
Солнечная радиация
Энергия, излучаемая Солнцем, носит название солнечной радиации. Большая часть поступающей на Землю солнечной радиации превращается в тепло.
Практически солнечная радиация является единственным источником энергии для Земли и атмосферы. По сравнению с солнечной радиацией значение других источников энергии для Земли ничтожно мало. Например, благодаря тому, что температура Земли в среднем с глубиной возрастает (примерно на 1 °С на каждые 35 м), поверхность Земли получает некоторое количество тепла из внутренних частей. Подсчитано, что в среднем 1 см2 земной поверхности получает из внутренних частей Земли около 220 Дж в год. Однако это значение в 5000 раз меньше количества тепла, получаемого от Солнца. Источником энергии для Земли в принципе являются также звезды и планеты, но от них Земля получает приблизительно в 30 млн. меньше тепла, чем от Солнца.
Количество энергии, поступающей на Землю от Солнца, огромно. Так, мощность потока солнечной радиации, поступающей на площадь в 10 км2, составляет в летний безоблачный день (с учетом ослабления атмосферой) 7—9 млн. кВт. Это больше, чем мощность Красноярской ГЭС. Лучистая энергия, поступающая на площадь 30 ∙ 30 км за год, достигает 3,8 ∙ 1015 кДж. Это больше количества энергии, выработанной в СССР в 1972 г (3,1∙1015 кДж). Из этого огромного количества энергии непосредственно используется человеком лишь ничтожно малая часть.
В последнее время все более настойчиво подчеркивается мысль о необходимости использования солнечной радиации в качестве основного источника энергии на Земле. Современные достижения химии дают основание допустить, что в не столь отдаленном будущем удастся разрешить проблему фотосинтеза вне растений. Если коэффициент использования солнечной энергии будет увеличен до 20 % (это примерно вдвое больше, чем максимальный КПД фотосинтеза в растениях), то, согласно оценкам, на площади 10 км2 при среднем значении потока солнечной радиации 7,1 ∙ 1012 кДж/км2 в год (такие значения характерны для юга Европы и Северной Африки) можно получить количество энергии (энергетический урожай), равное 1,4∙ 1019кДж в год. В результате сжигания всех добытых на Земле в 1970 г. горючих ископаемых (уголь, нефть, газ) получено 2,3∙ 1017Дж. Таким образом, использование солнечной радиации позволило бы увеличить энергетические ресурсы Земли примерно в 60 раз.
Отметим, что проблема обеспечения человечества энергией в будущем вызывает озабоченность уже сегодня: запасы горючих ископаемых на Земле небезграничны. Если допустить, что темпы роста добычи топлива (приблизительно удвоение добычи за каждые 20 лет) сохранятся и в будущем, то, как показывают оценки, через 80— 140 лет будут исчерпаны все запасы горючих ископаемых. Темпы добычи нефти и газа, в частности, еще более высоки: она удваивается примерно каждые 10 лет. К тому же мировые запасы нефти и газа примерно в 5 раз меньше, чем угля. Если так будет продолжаться, то эти важнейшие для транспорта и химии источники сырья будут исчерпаны еще при жизни нынешнего поколения молодых людей.
„Таким образом, — отмечает академик Н. Н. Семенов, — над человечеством нависает настоящая катастрофа — энергетический голод. Мы — люди, живущие сейчас, — бездумно расходуем запасы ценнейшего сырья, которое понадобится будущим поколениям людей для обеспечения производства химических препаратов, органических материалов, моющих средств и т. п. Поэтому нашей задачей ... является решение вопроса об иных, новых, более эффективных путях обеспечения человечества энергией". Такими новыми источниками энергии могут служить термоядерные реакции и Солнце. Однако получение атомной энергии ограничено залежами урана, а также возможностью перегрева земной поверхности и атмосферы в результате выделения тепла в термоядерных реакторах. В отношении же использования солнечной радиации никаких ограничений не существует.