Тепловое излучение атмосферы

Собственное излучение атмосферы

15-16.

Оптимальное решение,

Отрицательных коэффициентов в строке нет функция достигла максимума

S4)

S3)

Z) x1)

S2-x2)

базис
				3/4	1/2
				1/4	-1/2
				-1/8	3/4			3/2
				3/8	-5/4			5/2
				1/8	-3/4			1/2

Проблема собственного излучения земной атмосферы составляет важный раздел физики атмосферы.

Физические основы теплового излучения атмосферы и земной поверхности, расчетные методы, количественные данные и подробный их анализ изложены в ряде фундаментальных монографий К.Я. Кондратьева.

Физика процессов, приводящих к свечению атмосферы, представлена в монографии Дж. Чемберлена, а также в обзоре Янга Р.

Рассмотрим количественные данные и выделим основные закономерности изменения яркостных характеристик излучения атмосферы в зависимости от ее оптических свойств и условий наблюдения.

В зависимости от места расположения, например, оптико-электронной системы фон теплового излучения атмосферы и земной поверхности будет обусловлен потоками различных направлений.

В соответствии с установившейся терминологией тепловое излучение атмосферы в направлении земной поверхности принято называть противоизлучением (нисходящим излучением) атмосферы.

Потоки теплового излучения именно этого направления будут создавать фоновые помехи при наблюдениях с земной поверхности.

Тепловое излучение атмосферы и земной поверхности в направлении от земной поверхности принято называть восходящим или уходящим излучением.

Потоки теплового излучения этого направления будут создавать фоновые помехи при аэрокосмических исследованиях.

В основе закономерностей теплового излучения атмосферы лежит закон излучения Кирхгофа (1859). Согласно этому закону при наличии термодинамического равновесия отношение коэффициента излучения к коэффициенту поглощения равно интенсивности излучения абсолютно черного тела. Следовательно, это отношение является универсальной функцией длины волны и температуры.

(Термодинамическое равновесие – состояние замкнутой системы, в которое она самопроизвольно переходит после внешних воздействий спустя достаточно большой промежуток времени. В этом состоянии физическая система при неизменных внешних воздействиях может пребывать сколь угодно долго.)

Эта универсальная функция была получена Планком (1900) на основе гипотезы о квантовом характере процесса излучения (распределении энергии в спектре) и носит название закона излучения Планка. Вид ее следующий

,

где − постоянная Планка; − скорость света; − постоянная Больцмана; − температура.

Из закона излучения Планка следуют частные: закон Релея-Джинса для длинноволновой области спектра (он получается как предельный случай закона Планка при ) − испускательная способность абсолютно черного тела; закон смещения Вина см/град, где − положение максимума функции ; закон излучения Стефана-Больцмана для полной энергии излучения , где =5,7∙10^-5 эрг/см²с град – постоянная излучения.

Особенность теплового излучения реальной атмосферы состоит в том, что условие термодинамического равновесия в целом не выполняется. Но для применения закона Кирхгофа в атмосфере вводят так называемое условие локального термодинамического равновесия.

При этом условии температура атмосферы может изменяться от точки к точке, но каждый элемент среды ведет себя так, как если бы он находился в состоянии термодинамического равновесия при температуре данной точки.

Изолированная система находится в термодинамическом равновесии, если термодинамические параметры (давление, объем, температура), определяющие ее состояние, остаются постоянными сколь угодно долго. Флуктуациями здесь пренебрегаем и должно быть большое число частиц, образующих макроскопическую систему.

Условие локального термодинамического равновесия в атмофере выполняется до высот 20 км, пока продолжительность жизни атомов в возбужденном состоянии (10^-8с) существенно превышает время между их столкновениями (10^-9с).

Как и инфракрасный спектр поглощения, спектр теплового излучения атмосферы определяется поглощающими свойствами газов. В первую очередь, водяного пара, углекислого газа, озона и т.д. Пространственная и временная изменчивость содержания этих газов в атмосфере вызывает изменчивость спектра излучения в зависимости от метеоусловий и углов наблюдений, сезона и географического района.

Рассмотрим как распределяется энергия в спектре теплового излучения атмосферы при ясном небе.

Из анализа приведенного рисунка можно сделать следующие выводы:

− излучение атмосферы близко к излучению абсолютно черного тела в спектральном интервале 5,5-7,5 мкм и вблизи 15 мкм

(в первом интервале имеется полоса поглощения водяного пара с центром у 6,3 мкм, во втором – полоса поглощения углекислого газа);

− наибольший максимум в спектре излучения в интервале 9-10 мкм обусловлен излучением озона (полоса поглощения с центром 9,6 мкм).

− Количественный анализ многих экспериментальных данных показывает, что атмосфера излучает, как и абсолютно черное тело во всем спектральном диапазоне вблизи горизонта при ясном небе и в любых направлениях при низкой сплошной облачности.

− Угловое распределение теплового излучения атмосферы в области полос сильного поглощения при ясном небе и сплошной облачности характеризуется малыми изменениями от азимута и зенитного угла. В дневное время только в участках неба, близких к Солнцу, наблюдается заметная угловая анизотропия за счет сильного рассеяния вперед.

− Угловое распределение в "окнах" прозрачности атмосферы при ясном небе и сплошной облачности не зависит от азимутального угла.

− Изменение оптической толщи, при этом, с зенитным углом обусловливает зависимость потока теплового излучения от величины зенитного угла.

− Для разных спектральных интервалов имеет место различная зависимость интенсивности теплового излучения атмосферы от зенитного угла.

− Частичная облачность оказывает наибольшее влияние на угловое распределение теплового излучения атмосферы, создавая статистическую структуру яркости неба.

− Количественные данные по спектрам пространственных (временных при угловом сканировании) частот яркости облачного неба (дневного и ночного) для участка длин волн 8,4-12,5 мкм удается аппроксимировать выражением

,

где − мощность первой гармоники; и − эмпирические постоянные для данного типа облачности.

− Наряду с относительно медленными пространственно-временными вариациями, яркость неба, обусловленная тепловым излучением атмосферы, подвержена быстрым флуктуациям. Статистические характеристики этих флуктуаций хорошо совпадают с турбулентными характеристиками температурного поля атмосферы вплоть до временных интервалов в 1 с.