Применимость законов теплового излучения к реальной атмосфере.(вопрос 10)

Глава 6. Лучистая энергия

Хорошо известно, что первопричиной всех атмосферных дви­жений является солнечная радиация — ее неравномерный приход к поверхности земного шара (неравномерный в пространстве и во времени). Однако цепь физических процессов, начинающаяся с поглощения солнечной радиации и приводящая в конеч­ном итоге к атмосферным движениям, оказывается чрезвычайно сложной.

В целом Земля и атмосфера получают от Солнца столько же энергии, сколько сами излучают ее в мировое пространство, по­скольку многолетняя средняя температура на земном шаре ос­тается постоянной. Таким образом, процессы лучистого теплооб­мена обеспечивают равновесный тепловой баланс Земли как планеты в целом. Кроме того, лучистый теплообмен играет не­маловажную роль в атмосферных процессах в качестве внутрен­него механизма перераспределения энергии.

Как известно из курса физики, радиация (или излучение) представляет собой электромагнитные колебания различной чистоты, распространяющиеся со скорость с = 299793 км/с в вакууме и с несколько меньшей скоростью в различных средах. Чем выше частота (меньше длина волны) электромагнитных колебаний, тем больше переносимая ими энергия. В атмосферных процессах существенную роль играет радиация в диапазоне длин волн 0.3 – 60 мкм, т. е. в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра. Очень часто радиация проявляет себя как поток отдельных частиц – фотонов. Особенно удобно такое представление при описании процессов поглощения и излучения.

Главными источниками радиации, распространяющейся в атмосфере Земле, являются Солнце, земная поверхность и сама атмосфера. При этом основные компоненты атмосферы играют незначительную роль в процессах лучистого теплообмена. Газы селективно поглощают радиацию, т. е. имеют полосы поглощения. С энергетической точки зрения главную роль в поглощении и излучении радиации в атмосфере играют углекислый газ, озон и особенно водяной пар. С биологической точки зрения важным обстоятельством является поглощение кислородом и озоном уль­трафиолетовых солнечных лучей с длиной волны меньше 0,3 мкм, губительно действующих на живые организмы.

Основные характеристики радиации

Пусть δF_λ—количество лучистой энергии с длиной волны от λ до λ + dλ, поступающей из телесного угла dω и проходящей за время dt через площадку dσ_n, нормальную к направлению луча. Очевидно, что δF_λ пропорционально dσ_n, ,dλ и dt:

δF_λ =J_λ dσ_n dλ dt .

Коэффициент пропорциональности J_λ называется интенсивностью монохроматического излучения (или спектральной интенсив­ностью). Как видно из формулы, J_λ представляет собой количество лучистой энергии в единичном интервале длин волн, проходящее за единицу времени в пределах единичного телесного угла через единичную площадку, нормальную к распрост­ранению луча. Если направление падения радиации составляет некоторый угол ϧ с нормалью к площадке, то это же самое количество энергии δF_λ, распределяется по площадке

В дальнейшем мы будем рассматривать количество энергии δF_λ, отнесенное к единичным интервалам времени и длин волн, а также к единичной горизонтальной площадке, так что под уг­лом ϧ- будем понимать угол, образуемый направлением луча с вертикалью. Кроме того, учтем, что элемент телесного угла. В сферических координатах равен отношению элемента площади на сфере dS к квадрату радиуса r.

Тогда количество лучистой в элементарном телесном угле равно:

В этом выражении явно указана зависимость интенсивности радиации от координат точки. Вообще говоря, интенсивность излучения может меняться и во времени, однако скорость любых нестационарных процессов в атмосфере настолько меньше скорости света, что зависимость от времени можно учитывать параметрически. Количество лучистой энергии в единичном интервале длин волн, приходящей в единицу времени на единичную площадку из всей полусферы, называется монохромотическим или спектральным потоком радиации. Оно равно в случае если радиация изотропна (т.е. интенсивность не зависит от направления распространения) следующему выражению:

Полный (интегральный) поток радиации – количество лучистой энергии, приходящей за единицу времени на единичную горизонтальную площадку из все полусферы и во всем диапазоне длин волн. Он равен:

Нагревание или охлаждение атмосферы происходит в резуль­тате взаимодействия радиации с веществом, поэтому необходимо напомнить основные характеристики и законы этого взаимодей­ствия.