Солнечная радиация и ее ослабление в атмосфере

Лекция 2. Тепловой режим атмосферы

План лекции:

1. Солнечная радиация и ее ослабление в атмосфере.

2. Теплообмен океана и атмосферы.

3. Температурные градиенты.

4. Стратификация атмосферы и критерии неустойчивости.

5. Температурные инверсии.

6. Суточные и годовые колебания температуры.

7. Карты изотерм Мирового океана.

Рекомендованная литература:1,2,3,4,5,6,9.

Основные теоретические положения

Атмосферные процессы сопровождаются перераспределением огромных количеств энергии (в конечном счете все виды энергии – тепло). Для нашей планеты существуют три потенциальных источника тепловой энергии: лучистая энергия Солнца (солнечная радиация), энергия звезд и солнечная, отраженная от Луны, и, наконец, внутреннее тепло остывающей Земли, поступающее на поверхность в результате тектонических процессов с термальными водами, гейзерами и пр. Энергия звезд и внутреннее тепло Земли ничтожно мало по сравнению с солнечной радиацией, поэтому лучистую энергию Солнца рассматривают как единственный источник всех энергетических процессов на Земле.

Широкий диапазон солнечной температуры определяет спектр электромагнитных волн Солнца от гамма-излучения с длинами волн 10^{-10 см и короче до сверхдлинных радиоволн порядка десятков и сотен километров.}

Распределение энергии в спектре Солнца по длинам волн неравномерно. Его можно аппроксимировать законом Планка. Около 99% солнечной энергии приходится на длины волн γ от 0,1 до 4 мкм. Эти волны называются короткими. Только один процент солнечной энергии приходится на длинные волны (γ > 4 мкм). В коротковолновом участке солнечного спектра можно выделить ультрофиолетовые волны (0,1-0,4 мкм), видимые волны (0,4-0,78 мкм) и ближние инфракрасные волны (0,78- 4 мкм). На видимый участок солнечного спектра приходится почти половина энергии, излучаемой Солнцем. В видимом участке спектра самые короткие фиолетовые волны, а самые длинные – красные.

На ультрафиолетовую часть приходится около 5%, видимую – 52% и на инфракрасную –43 %. Максимум солнечного излучения приходится на волны длиной 0,47 мк, что соответствует сине-голубому участи солнечного спектра.

Электромагнитные волны, проходя через атмосферу Земли, испытывают отражение, поглощение и рассеяние как молекулами газов, входящих в состав атмосферного воздуха, так и атмосферным aэрозолем. Результирующее влияние атмосферы на солнечную радиации называется ослаблением лучистой энергии. Величину этого ослабления оценивают в 17–25%. Изменяется также соотношение частей соленого спектра. У поверхности Земли на ультрафиолетовую часть спектра приходится около 1 %, видимую – около 40 % к инфракрасную – около 60 %. Максимум излучения здесь приходится на длины волн около 0,56 мк, что соответствует желто-зеленому участку спектра.

Солнечная радиация в атмосфере поглощается преимущественно озоном (ультрафиолетовые лучи), водяным паром и углекислым газом, также облаками и твердыми частицами примесей. В солнечном спектре у Земли не наблюдаются волны короче 0,29 мк.

Атмосферный воздух – оптически неоднородная среда, рассеивающая лучистую энергию Солнца. В результате чего, например, освещаются места, куда не проникают прямые солнечные лучи. Рассеяние лучистой энергии в атмосфере происходит двояко: на молекулах и в аэрозоле. Интенсивность молекулярного и аэрозольного рассеяния различны. В результате этого процентное содержание лучей различной длины волн постоянно меняется, меняется и цвет небесной сферы, солнечного диска и пр. Когда, например, Солнце в сухую летнюю погоду находится близко к зениту, в атмосфере преобладают фиолетовые (малочувствительные человеческим глазам), синие и голубые цвета (небо голубое). Когда прямой солнечный свет теряет вследствие рассеяния больше всего сине-голубых лучей (пасмурная, облачная погода), цвет неба меняется на белесый, так как аэрозольное рассеяние дает преобладающий белый цвет. При заходе и восходе Солнца, когда лучи его пронизывают наибольшую толщу атмосферы, потеря сине-голубых лучей максимальна и Солнце у горизонта принимает красно-оранжевый цвет. Таким образом, яркость небесной сферы может служить показателем прозрачности (в первую очередь влагосодержания) атмосферы.

Электромагнитное коротковолновое излучение Солнца поступает к земной поверхности в виде прямой радиации, рассеянной и суммарной.

Прямая радиация – лучистая энергия, поступающая к ПП непосредственно от солнечного диска в виде пучка параллельных прямых лучей. На долю этого вида радиации приходится 75–80 % потока солнечной радиации на верхней границе атмосферы, что составляет 1,5–1,6 кал/см² мин. На прямую солнечную радиацию значительно влияют облака. Очень плотные облака прямую радиацию не пропускают, а легкие и прозрачные облака начинают пропускать ее при высотах Солнца над горизонтом более 15–20°.

Рассеянная радиация – радиация, поступающая к ПП от различных участков небесной сферы и от облаков. Полуденные значения рассеянной радиации в летние месяцы для умеренных широт составляют около 25 % от прямой радиации. Наличие неплотных просвечивающих облаков увеличивает рассеянную радиацию в 3–4 раза.

Суммарная радиация – суммарный поток лучистой энергии, поступающий к горизонтальной поверхности при незатененном солнечном диске.

Часть падающей на ПП коротковолновой радиации Солнца отражается (отраженная радиация), часть поглощается (поглощенная радиация). Отражательная способность ПП характеризуется величиной альбедо (А_к).

Альбедо моря колеблется от 2 до 80 % и зависит от состояния поверхности моря и высоты Солнца над горизонтом. Средняя величина альбедо моря 5–14 %, а суши (не покрытой снегом) –10 - 30 %. Вследствие этого единичная площадь поверхности океана получает тепла на 10–20 % больше, чем суша.