3.6.2. Потоки довгохвильової радіації

Поглинаючи сонячну радіацію, земна поверхня та атмосфера нагріваються і як кожне тіло з температурою вище абсолютного нуля, починають випромінювати радіацію. Як уже зазначалося, порівняно із сонячною радіацією, випромінювання земної поверхні та атмосфери є довгохвильовим. Максимум їхнього випромінювання припадає на хвилі з довжиною близько 10 мкм. Для цього випромінювання атмосфера мало прозора, інфрачервоні промені інтенсивно поглинаються водяною парою, хмарами, вуглекислим газом, завдяки чому середня температура усієї тропосфери відчутно зростає.

Закон випромінювання Стефана – Больцмана. У 1879 р. Й. Стефан експериментально, а в 1884 р. Л. Больцман теоретично показали, що випромінювання абсолютно чорного тіла прямо пропорційне четвертому степеню його абсолютної температури :

,

(3.19)

де  – стала Стефана – Больцмана. Сама залежність (3.19) називається законом випромінювання Стефана – Больцмана.

Одразу ж зробимо застереження, що радіаційні властивості земної поверхні й атмосфери дещо відрізняються від властивостей абсолютно чорного тіла. Дослідження спектрів довгохвильової радіації поширених на Землі поверхонь і природних покровів показало, що їх з достатнім ступенем точності можна вважати "сірими тілами". Іншими словами, їхнє випромінювання на всьому інтервалі довжин хвиль відрізняється від випромінювання абсолютно чорного тіла на один і той же множник. З урахуванням сказаного, на поверхні Землі та в атмосфері виконується така умова:

,

(3.20)

де  – відносна випромінювальна здатність відповідного різновиду підстильної поверхні або об’єму повітря. Встановлено, що для різних підстильних поверхонь (для абсолютно чорного тіла ). Найбільшою випромінювальною здатністю характеризується сніг (), найменшою – вода (). Пересічно .

У діапазоні температур, характерних для системи Земля – атмосфера (від ‑15 до 45°C), різниця в 1 K спричиняє зміну густини потоку випромінюваної радіації від 4 до 7 Вт/м² (Т.Р. Оке, 1982).

Випромінювання Землі й атмосфери. Потік тепла, спрямований від земної поверхні в атмосферу називається випромінюванням Землі . Випромінює не тільки земна поверхня, але й атмосфера. Та частина випромінювання атмосфери, яка спрямована до земної поверхні, називається зустрічним випромінюванням атмосфери .

Обчислені за формулою (3.20) потоки випромінювання і досягають значень, зіставних з величинами надходження прямої сонячної радіації на горизонтальну поверхню.

Різниця між власним випромінюванням земної поверхні і поглинутою нею частиною зустрічного випромінювання атмосфери називається ефективним випромінюванням земної поверхні:

.

(3.21)

Використання множника при зумовлено тим, що земна поверхня не є абсолютно чорним тілом, а тому поглинає тільки частину зустрічного випромінювання атмосфери.

Зустрічне випромінювання атмосфери здебільшого поступається випромінюванню земної поверхні й протилежне можливе тільки у виняткових випадках (при потужних інверсіях і великому вмісті водяної пари в атмосфері). Уночі, коли сонячна радіація відсутня, а ефективне випромінювання додатне, поверхня Землі вихолоджується.

Інтенсивність ефективного випромінювання сильно залежить від вмісту в атмосфері водяної пари і хмарності. Зокрема, величина випромінювання, а також амплітуда його добового і річного ходу при хмарній погоді зменшуються. Це використовується для розроблення напівемпіричних формул для обчислення та .