Радиационный режим в атмосфере

Радиационный режим в атмосфере

Излучение в атмосфере

Реферат

Радиационный режим в атмосфере

Составлен:

Карбышевым С.Ф.

Введение

Большинство происходящих в атмосфере явлений, изучаемых оптиками и

метеорологами, развиваются за счет лучистой энергии, т.е. энергии,

доставляемой Земле солнечной радиацией. Мощность этой энергии примерно

может быть оценена в 18*1023 эрг/с. Энергетический спектр солнечной

радиации на границе атмосферы близок к спектру абсолютно черного тела с

температурой порядка 60000К (рис.1.[1]).

До того, как солнечное излучение достигнет поверхности, оно проделает

длинный путь через

земную атмосферу, где будет не только рассеяно и ослаблено, но и изменено

по спектральному

[pic]

Рис.1. Распределение энергии в спектре солнечной радиации на границе

атмосферы: 1- по данным 1903-1910 гг., 2 - 1920-1922 гг., 3 - 1917 г., 4 -

абсолютно черное тело при температуре 57130К.

составу. В результате дошедшая до места наблюдения (земной поверхности) в

виде параллельных лучей от Солнца так называемая прямая солнечная радиация

будет как количественно, так и качественно отлична от солнечной радиации за

пределами атмосферы [1].

Солнечная (коротковолновая) радиация преобразуется, проходя через

атмосферу, в следующие виды радиации: рассеянную (ввиду наличия в атмосфере

различных ионов и молекул газов, частиц пыли происходит рассеяние прямой

солнечной энергии во все стороны; часть рассеянной энергии доходит до

поверхности Земли), отраженную (часть попавшей в атмосферу и на земную

поверхность энергии отражается обратно), поглощенную (происходит

диссоциация и ионизация молекул верхних слоях атмосферы, нагрев воздуха и

самой земной поверхности, тех предметов, которые на ней находятся).

Спектр Солнца

Как видно из рис.1., энергетический спектр излучения близок к спектру

абсолютно черного тела при температуре T(60000К, но не совпадает с ним,

т.к. яркость солнечного диска планомерно уменьшается от его центра к краям.

Наилучшей формой представления распределения энергии в солнечном спектре

является формула В.Г. Кастрова:

l0,(*((=0,021*(-23*exp(-0,0327*(-4)*(([1] (1).

Формулы, описывающей распределение энергии Солнца на поверхности Земли

пока не существует, т.к. в нее должно входить слишком много флуктуирующих

параметров (плотность и высотное распределение газов, альбедо отражающих

поверхностей, температура и т.п.).

Ослабление потоков лучистой энергии в атмосфере

Солнечное излучение, проходя через атмосферу, ослабляется благодаря

эффектам рассеяния и поглощения. Для потоков лучистой энергии атмосфера в

видимой части спектра является мутной средой, т.е. рассеивающей, а в

ультрафиолетовой и инфракрасной - поглощающей и рассеивающей. Световой

поток поглощается в атмосфере, причем количество энергии, дошедшей до

поверхности Земли, можно найти из закона Бугера (закон ослабления света):

I=I0*exp(-[pic])[3] (2),

где I0 - интенсивность падающего излучения (на границе атмосферы), Z0(750

(плоско-параллельная модель атмосферы), H - путь, пройденный светом до

земной поверхности, k(h)- коэффициент поглощения (ослабления) светового

потока, зависящий от высотного распределения плотности, состава атмосферы,

физических и химических свойств газов, частиц, находящихся в атмосфере

(рис.2.[1]).

Рассмотрим избирательное поглощение лучистой энергии в атмосфере. Любое

вещество имеет свои полосы поглощения (рис.3.[1]). Из газов, входящих

всегда в состав атмосферы, существенным для нас селективным поглощением

обладают лишь O2, O3, CO2 и водяной пар H2O. Кислород вызывает интенсивное

поглощение света

В далекой ультрафиолетовой области для длин волн (>r)), находящихся в атмосфере, оно зависит также и

от наличия облачности. Основы этой теории заложены Рэлеем, но позже она

была усоршенствована другими учеными уже для различных размеров, форм и

свойств частиц. Для анализа явлений рассеяния используют уравнение

переноса излучения; запишем его в векторной форме[3: [pic] (4),

где Si - параметры Стокса (S1=I - суммарная интенсивность, S2=I*p*cos((0),

(0 - угол поворота направления максимальной поляризации относительно

плоскости референции, p - степень линейной поляризации, S3=I*p*sin((0),

S4=I*q, q - степень эллиптичности поляризации),fij - матрица рассеяния. При

молекулярном рассеянии диполи под действием падающей волны начинают

двигаться с ускорением, следовательно излучают волны с частотой падающей

волны, т.е. происходит рассеяние света на данных молекулах. Рассмотрим

коэффициент молекулярного ослабления kMS и учтем, что рассеяние должно

происходить тогда, когда показатель преломления частицы относительно среды

n не равен единице, тогда:

[pic] [3] (5) (( << r),

где N - число частиц в единице объема, ( - длина падающей волны. Также

запишем функцию, показывающую «разбрасывание света по углам»:

fMS(()=3*(MS*(1+cos2(())/(16*()[3] (6),

где (MS - оптическая толща молекулярного рассеяния. Если ввести параметр (,

характеризующий анизотропию молекул, то формула (6) примет вид:

fMS(()=3*(MS*(1+(+(1-()*cos2(())/(16*()[3] (7)

Обычно молекулярный рассеянный свет поляризован:

[pic] [3](8),

где Pлин - степень линейной поляризации.

При попадании света на крупные частицы, обычно находящиеся вблизи

поверхности Земли, происходит частичная потеря импульса падающей электро-

магнитной волны, т.е. на молекулу действует световое давление, тогда будем

иметь эффекты дифракции, отражения и преломления, пронукновения электро-

магнитной волны вовнутрь частицы. В результате может возникнуть

интерференция падающей волны и вышедшей из частицы за счет явления

внутреннего отражения. Все эти явления описываются в теории Ми.

Предположения теории Ми: частицы сферические, однородные, не сталкиваются;

атмосфера - плоско-параллельный слой. Т.к. показатель преломления частиц,

описываемых теорией Ми, - комплексный: m=n+(*(, где n - обычный показатель

преломления, ( - характеризует поглощение волны частицей.

В результате рассеяния прямого солнечного излучения в атмосфере, она сама

становится источником излучения, которое достигает земной поверхности в

виде рассеянного излучения. Максимум в спектре рассеянной радиации смещен в

более коротковолновую область, чем у солнечного спектра; также состав

рассеянной радиации зависит от высоты Солнца (рис.4.[1]).

[pic]

Рис.4. Распределение энергии в спектре рассеянного света, посылаемого

различными точками небесного свода.

Рассеянная радиация также зависит и от облачности, что

проиллюстрировано на рис.5.[1], который построен по экспериментальным

данным для г. Павловска. Нередки случаи, когда рассеянная радиация

достигает значений, сравнимых с потоком прямой солнечной радиации[1]. Это

явление обычно происходит в северных широтах. Оно объяснимо тем, что чистый

сплошной снежный покров имеет черезвычайно большую отражательную

способность. Облака являются средами, которые могут сильно рассеивать свет;

опыты показали, что плотные облака толщиной 50 - 100 метров уже полностью

рассеивают прямые солнечные лучи.

[pic]

Рис.5. Рассеянная радиация атмосферы при безоблачном небе и при сплошной

облачности (10 баллов).

Реферат содержит

|СТРАНИЦ |ТАБЛИЦ |РИСУНКОВ |ФОРМУЛ |

14

| |1 |5 |8 |

Литература

1. «Курс метеорологии» под ред. Г.Н.Тверского, ГИДРОМЕТЕОИЗДАТ, Л., 1951г..

2. Справочник «Атмосфера», ГИДРОМЕТЕОИЗДАТ, Л., 1991г..

3. Лекции Павлова В.Е. по оптике атмосферы для студентов III - V курсов

специализации «Оптическое зондирование атмосферы», АГУ, Барнаул, 1996г..