Физика

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  (<200  нм,  с  максимумом
поглощения около  (=155нм.  Поглощение  в  этой  области  спектра  настолько
велико уже в самых высоких слоях


                                    [pic]

        Рис.2. Распределение энергии в нормальном солнечном спектре.



[pic]
                 Рис.3. Спектр поглощения земной атмосферы.

атмосферы, что солнечные лучи с длиной волны (<200нм не  доходят  до  высот,
доступных для наблюдения с поверхности Земли  и  самолетов.  Кислород  также
дает систему полос в видимой области спектра: A (759,4- 70,3 нм;  (max=759,6
нм); B (686,8 - 694,6 нм; (max=686,9 нм). Углекислый газ  (CO2)  -  основная
узкая полоса с (max=4,3 мкм, остальные - слишком незначительны,  поэтому  не
имеют для нас существенного значения. Озон (O3) имеет весьма сложный  спектр
поглощения, линии  и  полосы  которого  охватывают  всю  область  солнечного
спектра,  начиная  от  крайних   ультрафиолетовых   лучей   и   до   далекой
инфракрасной области[1]. В земной атмосфере озона мало, он  располагается  в
виде слоя (10 - 40 км) с центром тяжести на высоте около 22 км, но  обладает
сильной поглощательной способностью. Его полосы: п.Гартлея (200  -  320  нм;
(max=255 нм); п.Шапюи (500 - 650 нм; (max=600  нм).  Наибольшее  значение  в
поглощении лучистой энергии в атмосфере имеет водяной  пар  (H2O),  которого
очень много в  нашей  атмосфере  (влажность,  облака  и  т.п.),  его  полосы
поглощения: ((( (0,926 - 0,978 мкм; (max=0,935 мкм); ( (1,095 -  1,165  мкм;
(max=1,130 мкм); ( (1,319 - 1,498 мкм; (max=1.395); ( (1,762  -  1.977  мкм;
(max=1.870 мкм); ( (2,520 - 2,845  мкм;  (max=2,680  мкм).  Наиболее  точная
формула для расчета  величины  поглощенной  в  атмосфере  энергии  солнечной
радиации имеет вид:
                  (E=0,156*(m*()0,294 кал/см2* мин.[2] (3),
где m - пройденный лучами  путь,  (  -  общее  содержание  водяного  пара  в
вертикальном столбе атмосферы единичного сечения (1 см2).  Далее  рассмотрим
атмосферные аэрозоли и пыль, их содержание зависит от высоты, они влияют  на
уменьшение прозрачности атмосферы.
      Рассмотрим  отраженную  радиацию,  т.е.  радиацию,  которая  достигает
земной поверхности, частично  отражается  от  нее  и  вновь  возвращается  в
атмосферу. Также отраженная  радиация  -  это  и  излучение,  отраженное  от
облаков.
      Количество отраженной некоторой поверхностью энергии  в  сильной  мере
зависит от свойств  и  состояния  этой  поверхности,  длины  волны  падающих
лучей. Можно  оценить  отражательную  способность  любой  поверхности,  зная
величину  ее  альбедо,  под  которым  понимается  отношение  величины  всего
потока, отраженного данной  поверхностью  по  всем  направлениям,  к  потоку
лучистой энергии, падающему  на  эту  поверхность;  обычно  его  выражают  в
процентах (ТАБЛИЦА 1[1]).
                                                                   ТАБЛИЦА 1
|ВИД  ПОВЕРХНОСТИ                |АЛЬБЕДО                         |
|СУХОЙ  ЧЕРНОЗЕМ                 |14                              |
|ГУМУС                           |26                              |
|ПОВЕРХНОСТЬ   ПЕСЧАНОЙ   ПУСТЫНИ|28 -38                          |
|ПАРОВОЕ   ПОЛЕ  ( СУХОЕ)        |8 - 12                          |
|ВЛАЖНОЕ   ВСПАХАННОЕ    ПОЛЕ    |14                              |
|СВЕЖААЯ  ( ЗЕЛЕНАЯ  )  ТРАВА    |26                              |
|СУХАЯ  ТРАВА                    |19                              |
|РОЖЬ  И  ПШЕНИЕЦА               |10 - 25                         |
|ХВОЙНЫЙ   ЛЕС                   |10 - 12                         |
|ЛИСТВЕННЫЙ  ЛЕС                 |13 - 17                         |
|ЛУГ                             |17 - 21                         |
|СНЕГ                            |60 - 90                         |
|ВОДНЫЕ    ПОВЕРХНОСТИ           |2 - 70                          |
|ОБЛАКА                          |60 - 80                         |



    Рассмотрим рассеянную радиацию. Рассеяние в атмосфере может  происходить
на молекулах газов (молекулярное  рассеяние)  и  частицах  (крупных  ((<>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..



смотреть на рефераты похожие на "Радиационный режим в атмосфере "