- •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
6.2. Рассеяние солнечной радиации в атмосфере
Атмосфера по отношению к потокам солнечной радиации представляет собой мутную среду. Понятие мутности связано, прежде всего, с наличием в атмосфере различного рода примесей — взвешенных в воздухе твердых или жидких частиц самых различных размеров. Примеси частично поглощают проходящую через атмосферу солнечную радиацию, а также вследствие дифракции частично рассеивают ее. Однако и при отсутствии примесей атмосфера является мутной средой, рассеивающей радиацию. При этом в качестве элементов мутности выступают молекулярные комплексы, в которых изменение числа молекул и расстояний между ними приводит к колебаниям плотности.
Рассеяние на молекулярных комплексах называют обычно молекулярным или рэлеевским (по имени ученого, впервые установившего законы этого явления). Рассеяние на частицах примесей называют аэрозольным. Сущность рассеяния заключается в особой форме взаимодействия переменного поля падающей электромагнитной волны с частицей, находящейся в некоторой среде. Благодаря такому взаимодействию частица становится источником новых электромагнитных волн — рассеянной радиации.
Задача о рассеянии радиации в общем виде сводится к решению системы уравнений Максвелла с заданными граничными условиями. Из анализа уравнений Максвелла следует, что падающий поток радиации определенной длины волны создает поток рассеянной радиации с той же длиной волны.
Большое влияние на вид решения оказывают геометрическая структура мутной среды и ее физические свойства.
Геометрическая структура среды может быть охарактеризована в основном безразмерными параметрами г/λ и l/λ, где г — радиус частицы, l — расстояние между частицами и λ — длина волны падающей радиации. Законы рассеяния оказываются существенно различными для случаев, когда г « λ, и когда размер частицы соизмерим с длиной волны падающей радиации или значительно превышает ее (г ≥λ).
Если l/λ » 1, то частицы можно рассматривать как независимые излучатели. Поскольку частицы обычно расположены хаотично, то явление интерференции наблюдаться не будет и складываться будут не поля отдельных частиц, а лишь интенсивности рассеянного излучения. Это упрощает решение задачи так называемого кратного рассеяния. Кратное рассеяние есть результат рассеяния уже прежде рассеянной радиации. Кратным рассеянием можно пренебречь, если степень мутности не очень велика.
Физические свойства среды и рассеивающих частиц характеризуются так называемым комплексным показателем преломления = п(1 + ik), где п — абсолютный показатель преломления; к — характеристика поглощения, связанная с показателем поглощения k соотношением 4πκ= kλ.
Молекулярное рассеяние. В нижних слоях атмосферы ослабление солнечной радиации происходит в основном под влиянием рассеяния, поглощение играет меньшую роль. Поэтому вместо комплексного показателя т можно использовать лишь вещественный показатель п, так как к ≈ 0. Теория молекулярного рассеяния разработана английским ученым Рэлеем. В основе ее лежат следующие предположения: а) радиус рассеивающих диэлектрически однородных шарообразных частиц значительно меньше длины волны (г « λ); б) показатель преломления частиц мало отличается от показателя преломления среды, причем пμ < 1, гдеμ = 2πr / λ в) частицы рассеивают свет независимо друг от друга, для чего должно выполняться условие l » λ; г) рассеянный свет наблюдается на расстоянии R » г.
Аэрозольное рассеяние солнечной радиации. Если размеры частиц становятся сравнимыми с длиной волны падающей радиации, то их нельзя уже рассматривать как излучающие диполи и необходимо принимать во внимание излучение систем высших порядков (квадрупольные и т. д.). Поэтому законы рассеяния света на крупных частицах будут существенно иными, чем в случае молекулярного рассеяния.
Теория рассеяния на крупных частицах создана Лявом и Ми. Важные исследования в этой области выполнены В. В. Шулейкиным, Ван де Хюлстом и др.
В атмосфере встречаются крупные частицы двух видов: непрозрачные (пыль, п = ∞) и прозрачные (капли воды). Водяные капли в пределах ультрафиолетового и видимого участков спектра поглощают очень слабо. Абсолютный показатель преломления воды в этой области несколько убывает с ростом λ (среднее значение п — 1,33).
Согласно теории, объемный коэффициент ослабления kλ для крупных частиц описывается формулой
где K(μ, m) — некоторая функция от μ = 2πг/λ и комплексного показателя преломления т, называемая эффективным сечением рассеяния; N — число частиц в единице объема. График функции K(μ) для случая капель воды (п = 1,33) приведен на рис. 6.2. Кривая имеет несколько максимумов, однако функция К(μ) близка к 2 при достаточно больших р., т. е. для предельно больших частиц:
Начальный участок кривой до первого максимума (при малых μ) соответствует молекулярному рассеянию.
В дальнейшем характер зависимости рассеяния от длины волны самый разнообразный. Однако если частица становится достаточно большой (μ > 40), то рассеяние практически не зависит от длины волны (так называемое нейтральное рассеяние). Если в атмосфере такие частицы присутствуют, то небо
становится белесоватым, поскольку свет всех длин волн рассеивается в одинаковой степени. По этой же причине облака и туманы имеют белый цвет.