Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
лекция 14. мик..doc
Скачиваний:
6
Добавлен:
03.11.2018
Размер:
196.61 Кб
Скачать

Лекция №14. Тепловой режим атмосферы.

Учебные вопросы.

  1. Природа теплового излучения земной поверхности.

  2. Поглощение и излучение тепла в атмосфере.

  3. Радиационный баланс

  4. Поле температуры в атмосфере и его пространственно- временная изменчивость.

  5. Глобальное потепление

  1. Природа теплового излучения Земли.

При падении солнечной радиации на земную поверхность часть ее энергии отражается и рассеивается (т.е. возвращется в атмосферу). Остаток солнечной энергии поглощается земной поверхностью, повышая ее температуру.

Отношение энергии отраженной и рассеяной поверхностью к энергии падающей называется альбедо (А). Эта характеристика измеряется в %.

Значение альбедо для данной длины волны или диапазона длин волн зависит от спектральных характеристик отражающей поверхности, поэтому альбедо отличается для разных спектральных диапазонов (различают оптическое, ультрафиолетовое, инфракрасное альбедо) или длин волн (монохроматические альбедо).

Величина альбедо зависит от угла падения солнечных лучей, материала из которого состоит поверхность, ее формы цвета, а также степени шероховатости и характера растительности. В справочниках приводят значения альбедо для плоской поверхности (это т.н. истинное или Ламбертовское альбедо).

Чем больше угол падения, тем больше величина альбедо. Альбедо максимально при расположении солнца на горизонте.

Спокойная поверхность воды при угле падения равном 0 имеет альбедо 1.9%, а при угле падения 88 град.- 78.5%. В среднем альбедо воды =9%.

Подстилающая поверхность: Снег :Чернозем :Трава :Вода

___________________________________________________________

Среднее альбедо : 84% 14% 26% 9%

Большое значение имеет альбедо облаков.

Перистые облака имеют альбедо 48-59%

Высококучевые облака мощностью 300м -71%

Кучевые облака - 50-64%

Слоистые (мощностью 75м)-13%

мощностью 570м-75%.

Среднее альбедо хвойного леса - 12%

Лиственного леса- 15%

Желтого осеннего леса-14%

Луга -19%.

Если бы отток энергии от земной поверхности отсутствовал, то непрерывное поглощение ею солнечной радиации приводило бы к неограниченному росту ее температуры .

К счастью этого не происходит, поскольку все нагретые тела сами становятся источниками теплового излучения.

Тепловое излучение - это электромагнитные волны длина которых составляет от 1 милимикрона до 100 микрон. Суммарное тепловое излучение тел приблизительно соответствует закону Стефана- Больцмана:

В = σT4 ,

Здесь σ - постоянная Больцмана =0.0826 нкал/кв.см . мин. Град4

T - абсолютная температура,

В- суммарное тепловое излучение поверхности абсолютно черного тела площадью 1 см2.

Абсолютно черным называется тело, которое полностью поглощает всю падающую на него солнечную радиацию (ничего не отражая и не рассеивая).

Земная поверхность не является абсолютно черной, поэтому суммарное тепловое излучение земной поверхности -в несколько меньше чем излучение абсолютно черного тела , нагретого до той же температуры.

Подстилающая поверхность: Чернозем: Песок : Гравий : Снег : Вода:Трава

в/В :0.87 : 0.89 : 0.91 :0.995 :0.96 : 0.93

______________________________________________________

Длина волны теплового излучения поверхности тела, соответствующая максимуму спектра его излучения (согласно закону Вина), обратнопропорциональна его абсолютной температуре:

Т, С λmax

-40 12.4μк

0 10.6μк

+40 9.2μк

Поскольку средние температуры на планете остаются практически неизменными можно заключить, что между приходом энергии к земной поверхности и ее расходом имеется примерное равенство (т.е. режим излучения - равновесный).

2.Поглощение и излучение тепла в атмосфере.

Днем в атмосфере распространяются три потока энергии - сверху вниз- солнечная радиация, практически полностью состоящая из волн видимого диапазона, снизу вверх- тепловое излучение земли, и вверх и вниз- тепловое излучение атмосферы. Тепловое излучение земной поверхности несколько больше, чем обратное тепловое излучение атмосферы. Поэтому днем температура земной поверхности и воздуха над ней повышаются.

Ночью солнечная радиация отсутствует и в атмосфере распространяется только тепловое излучение земной поверхности и атмосферы. В результате этого температуры земной поверхности и атмосферы постепенно понижаются.

Наблюдения показывают, что фактические потери тепла земной поверхностью существенно меньше, чем следует из закона Стефана- Больцмана. Объясняется это тем, что направленное к земле встречное собственное тепловое излучение, частично компенсирует потери ее тепла.

Собственное тепловое излучение атмосферы является главной причиной потепления приземного слоя атмосферы. Оно является проявлением парникового эффекта и обусловлено присутствием в воздухе молекул водяного пара, углекислоты, метана, фреонов, закиси азота и других парниковых веществ.

Особенности спектров поглощения теплового излучения молекулами многих перечисленных веществ рассмотрены в предыдущих лекциях.

Спектры собственного тепловое излучение тех или иных слоев атмосферы зависят от их температуры. Приземный слой атмосферы, имеющий практически ту же температуру, что и подстилающая поверхность имеет похожий спектр излучения. Максимум спектра излучения слоев тропосферы смещается в сторону больших длин волн помере снижения их температуры и увеличения высоты над земной поверхностью.

В диапазоне от 9 до 12μк атмосфера практически прозрачна для теплового излучения . При температуре поверхности -40 град на это окно прозрачности приходится 15.6% всего теплового излучения земли, при температуре 0 град- 16.8%, а при температуре +40 град- 20.2%.

Как видим, атмосфера устроена весьма «разумно» - чем выше температура земной поверхности, тем большая часть потока тепловой радиации, которая воздухом не поглощается и в создании парникового эффекта не участвует.

Ночное остывание земной поверхности и атмосферы в основном происходит именно за счет теплового излучения в диапазоне 9-12μк.

Разность теплового излучения земли и теплового излучения атмосферы называется эффективным излучением земной поверхности R. Эффективное тепловое излучение в значительной мере определяется потоком тепла, излучаемого земной поверхностью в диапазоне 9 до 12μк

R - есть сложная функция распределения в атмосфере водяного пара, углекислоты , а также температуры. Для практических расчетов ее величины можно использовать формулу Ангстрема:

R= (0.2+ 0.2 x10-0.05е )σT4

Здесь е- упругость водяного пара в милибарах у земной поверхности.

R возрастает летом и уменьшается зимой. При прочих равных условиях с увеличением влажности воздуха оно уменьшается. В течение ночи эффективное излучение постепенно уменьшается.

Поскольку нижние слои атмосферы содержат основные количества влаги и углекислоты, R с увеличением высоты до 2500м увеличивается, а далее постепенно уменьшается.

Облака состоят из капель воды и ледяных кристаллов, образующихся при конденсации водяного пара и кристаллизации воды. При этих процессах в воздух излучается много тепла. Вследствие этого облака существенно увеличивают собственное излучение атмосферы. Влияние облаков на собственное излучение атмосферы тем больше, чем ближе они расположены к земной поверхности. Сильнее всего на него влияют облака нижнего яруса и туманы. Благодаря этому с помощью искусственных туманов можно бороться с заморозками.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]