Климат – это многолетний статистический режим погоды, характерный для данной местности в силу её географического положения []. Он формировался на протяжении веков и тысячелетий, и ныне мы наблюдаем дальнейшее развитие этого многосложного процесса.
Лекция 9. Основы актинометрии
Учебные вопросы:
1. История, основные понятия и законы актинометрии.
2.Общие сведения о Солнце .
3.Строение атмосферы Солнца.
4.Излучение Солнца и его взаимодействие с атмосферой Земли.
1. Основные понятия и законы актинометрии.
Актинометрия - раздел метеорологии, изучающий закономерности распространения в атмосфере потоков лучистой энергии и их взаимодействия с ее веществом.
Развитие Актинометрия началось ещё в 17 в. Первые измерения солнечного тепла (в некоторых относительных единицах) были произведены английским учёным Э. Галлеем в 1693. В 1896 русский учёный Р. Н. Савельев впервые провёл измерения прямой солнечной радиации с воздушного шара, положив этим начало актинометрическим исследованиям в свободной атмосфере. Однако лишь после создания пиргелиометра (1887) и пиргеометра (1905) шведским учёным К. Ангстремом и биметаллического актинометра (1905) русским физиком В. Михельсоном исследования солнечной и земной радиации приобрели строго количественный характер.
История нового периода Актинометрии в России тесно связана с именем С. И. Савинова и Павловской обсерваторией. В СССР в 1925 при Главной Геофизической обсерватории (ГГО) была создана постоянная актинометрическая комиссия под руководством которой началось расширение сети актинометрических станций. ГГО — одна из старейших обсерваторий мира, практически руководит в СССР всеми работами в области актинометрических измерений на поверхности Земли и климатологических исследований теплового баланса. Впервые в СССР в 1948 в ГГО начались радиационные измерения с самолёта. Обширные исследования в области Актинометрия проводились в Центральной Аэрологической обсерватории и Ленинградском государственном университете.
С 1954 в ФРГ, США, СССР и в Японии начались исследования свободной атмосферы при помощи актинометрических радиозондов (АРЗ) — приборов, поднимаемых на одной-двух небольших оболочках до 30—35 км и дающих распределение по высоте нисходящих и восходящих потоков длинноволновой радиации и эффективного излучения с достаточной для решения многих задач геофизики точностью. С 1963 впервые в мире в СССР начала работать сеть актинометрического радиозондирования, проводящая регулярные выпуски АРЗ. Кроме того, актинометрические исследования свободной атмосферы при помощи АРЗ проводят с кораблей погоды и в Антарктиде.
Теоретические работы в Актинометрия охватывают широкий круг задач, в особенности вопрос о связи радиации с температурой атмосферы, облачностью, изменениями погоды и климата. Ведущее место среди исследований связи радиации с облачностью занимают работы Физики атмосферы института АН СССР, а по теории климата — ГГО и Гидрометеорологического научно-исследовательского центра СССР.
Основную роль в формировании теплового режима нашей планеты играет энергия, получаемая ею от Солнца. Приток энергии от Солнца в среднем в 5000 раз превышает приток энергии из недр Земли и в 30 000000 раз больше притока энергии от других космических источников.
Электромагнитные волны, излучаемые Солнцем, называются Солнечной радиацией. Солнечная радиация распространяется по всем направлениям от источника излучения со скоростью =300 тыс. км/с. Она - основной источник энергии для всех географических процессов, в том числе процессов, происходящих в атмосфере. Длина волны составляющих солнечной радиации измеряется в микронах или в амстремах.
Состав солнечной радиации:
1) Видимый свет - 46% от общего излучения. Длина волны - 0,4-0,75 мк( от красного до фиолетового)
2)Инфракрасный .Длина волны >0,75 мк (тепловая радиация)
3)Ультрафиолет-7%. Длина волны - <0,4 мк.
В метеорологии принято выделять коротковолновую и длинноволновую радиацию. Коротковолновой называют радиацию в диапазоне длин волн от 0,1 до 4 мк. Она включает, кроме видимого света, еще ближайшую к нему по длинам волн ультрафиолетовую и инфракрасную радиацию. Солнечная радиация на 99% является такой коротковолновой радиацией. К длинноволновой радиации относят радиацию земной поверхности и атмосферы с длинами волн от 4 до 100-120 мк.
Часть потока солнечной радиации, достигающая земной поверхности называется суммарной солнечной радиацией. Поток суммарной солнечной радиации состоит из двух компонентов – из рассеянной солнечной радиации и прямой. Рассеянная солнечная радиация - вторичные электромагнитные волны, образующиеся при боковом рассеянии солнечной радиации на неоднородностях атмосферы. В рассеянную радиацию превращается около 25% энергии общего потока солнечной радиации, входящего в атмосферу.
Прямая солнечная радиация - остаток потока солнечной радиации, достигающий земной поверхности без рассеяния.
Всякое излучение телом энергии сопровождается понижением его температуры. Поглощая энергию из окружающей среды (или внутренних источников) тело повышает свою температуру. Если количество излученной и поглощенной энергии одинаковы то тело излучает равновесно, а его температура не изменяется. В противном случае излучение тела называется неравновесным.
Количество энергии, излучаемой телом через единицу площади его поверхности в единицу времени называется потоком лучистой энергии.
Зависимость мощности излучаемой телом от длины волны называется излучательной способностью.
Интеграл по всем длинам волн излучательной способности тела дает излучаемый им поток лучистой энергии.
При падении на поверхность потока лучистой энергии часть его отражается, часть поглощается, а часть проходит сквозь нее.
Число, показывающее, какую долю падающей на тело лучистой энергии оно отражает, называется коеффициентом отражения или альбедо.
Число показывающее, какую долю падающей на тело лучистой энергии оно поглощает, называется коеффициентом поглощения.
Число показывающее, какую долю падающей на тело лучистой энергии оно пропускает сквозь себя, называется коеффициентом прозрачности.
Сумма этих трех коеффициентов у любого тела равна 1.
Если величина коеффициента поглощения некоторого тела равна 1 , такое тело называется абсолюбтно черным.
В природе абсолютно - черных тел строго говоря не встречается, однако закономерности излучения многих реальных тел (в том числе и Солнца) весьма близки к ним.
Законы, которым подчиняются потоки лучистой энергии в атмосфере, называются законами актинометрии.
Отношение излучательной способности любого тела на любой частоте, излучающего равновесно к величине его коеффициента поглощения равна функции Кирхгофа. Это закон Кирхгофа в актинометрии.
Функция Кирхгофа имеет единственный максимум на длине волны, определяемой законом Вина. Согласно ему длина волны максимума функции Кирхгофа обратно пропорциональна абсолютной температуре тела.
К температурной радиации относится также известный из физики закон излучения Стефана--Больцмана, в соответствии с которым энергия излучаемой радиации растет пропорционально четвертой степени абсолютной температуры излучателя.
Некоторые вещества в особом состоянии излучают радиацию в большем количестве и в другом диапазоне длин волн, чем это следует по их температуре. Таким образом, возможно, например, излучение видимого света при таких низких температурах, при которых вещество обычно не светится. Эта радиация, не подчиняющаяся законам температурного излучения, называется люминесценцией.