4 (Электронные лекции)

Основыгеофизики2017 Лекция №4Носов Михаил Александровичотделение геофизики, физический факультет МГУhttp://ocean.phys.msu.ru/courses/geo/Соленость морской водыsm примеси‰ промиллеm примеси  m чистой водыНа практике пользуются закономерностьюпостоянства солевого состава морской воды***Закономерность может нарушаться в полностьюизолированных морях (Каспийское, Аральское), в морях сограниченным водообменом, вблизи устьев рек.Типичная соленость:в океане35 ‰в рекахдо 0.5‰Мертвое море250-300 ‰Общее количество соли вМировом океане ~ 4.9·1019 кгНа порядок больше массыатмосферы!!!Соль Мирового океана способна покрытьповерхность суши слоем ~ 150 мГлавные компоненты примеси в морской воде(% массы)все прочиекомпоненты(микроэлементы)≈ 0.3% массыв 1 кг морской водысодержится ≈ 3·10-10 кгзолотаСреднегодовая солёность на поверхностиМирового океана (в промилле)WORLD OCEAN ATLAS 2013https://www.nodc.noaa.gov/OC5/woa13/Среднегодовая температура поверхностиМирового океанаWORLD OCEAN ATLAS 2013https://www.nodc.noaa.gov/OC5/woa13/Вертикальный разрез (температура)http://www.ewoce.orgВертикальный разрез (соленость)http://www.ewoce.orgВертикальный разрез (температура)http://www.ewoce.orgВертикальный разрез (соленость)http://www.ewoce.orgСТД- зонд (CTD)Вертикальный профиль температуры(примеры регистрации)Вертикальный профиль солености(примеры регистрации)Типичный вертикальный профиль температуры в океанеВКС - верхнийквазиоднородный(перемешанный)слойтермоклинглубинныйслойхолоднаяпленкаРАДИАЦИОННЫЙ ОБМЕНВ СИСТЕМЕСОЛНЦЕ - ЗЕМЛЯ - КОСМОСЗаконытепловогоизлученияАбсолютно черное тело (АЧТ) –понятие теории теплового излучения,означающее тело, которое полностьюпоглощает любое падающее на егоповерхность электромагнитноеизлучение, независимо оттемпературы этого телапонятие АЧТ введено Г.Р.Киргхофом в 1859г(G.R.Kirchhoff)Свойства АЧТ:1.

Поглощательная способность равна 1 приизлучениях всех частот, всех направлений илюбых поляризаций;2. Плотность энергии и спектральный составизлучения, испускаемого единицей поверхностизависят только от его температуры, но не отприроды излучающего вещества;3. Излучение АЧТ (*) может находиться вравновесии с веществом при равенстве потоковизлучения, испускаемого и поглощаемого АЧТ,имеющим определенную температуру.*( )Такое излучение представляет собой излучение равновесное, котороеподчиняется закону излучения ПланкаИспускательная способность АЧТ(закон излучения Планка [M.Planck, 1900; A.Einstein, 1916] ) ( , T ) 2hc25 Дж 1   hc  м 2 с м exp  1 kT T  температура1  длина волныc  скорость света34Дж  с  постоянная Планка23Дж / К  постоянная Больцманаh  6.63 10k  1.38 10 Дж 1   м 2 с м  Дж  м2 с Следствиязакона Планказаконсмещения ВиназаконСтефана-БольцманаЗакон смещения Вина [W.Wien, 1893](, T)d 2hc521 hc exp  1 kT (, T )d    T dF()5dd F()  0   max 5 d   -3 max  2.898  10 м  K   постоянная Винатрансцендентное уравнение max T   maxЗакон Стефана-Больцмана[J.Stefan, 1879; L.Boltzmann, 1884](, T ) 2hc521 hc exp  1 kT E   (, T)d   T4постояннаяСтефанаБольцмана052 k2415c h Дж  5.67 10 24м с  K 83Модель реального телаТело, коэффициент поглощения которого меньше 1 и независит от длины волны излучения и абсолютнойтемпературы, называется «СЕРОЕ ТЕЛО»СЕРОЕ ТЕЛО является источником серого излучения,излученияодинакового по спектральному составу с излучением АЧТ,но отличающегося от него меньшей яркостью СТ   АЧТ ,   1Коэффициент черноты β:Каменный угольСажаПлатиновая и висмутовая черниE  T40.80.94-0.960.93-0.99СОЛНЕЧНАЯ ПОСТОЯННАЯ (S0) суммарный поток солнечного излучения,проходящий через единичную площадку,перпендикулярную направлению лучей инаходящуюся вне земной атмосферы насреднем расстоянии Земли от Солнцаr=1 а.

е. (149.6 ·109м).Тепловой потокиз недр Земли202S  1367 Вт / мQ ~ 0.1 Вт / м S 0  0 . 01 % солнечныепятна S 0  0 .1 % 11  летний циклменяет глобальную температуру Земли на 0.1КСветимость Солнца226L  S0  4r  3.84 10 ВтАЧТ при T=5770 KДоля энергии, получаемая Землей217L   S0 R   1.75 10 Вт22L  / L  R  / 4r  4.4 1010 Все существующие на Землезапасы каменного угляравноценны 30-летнему притокусолнечной радиации к Земле За 1,5 суток Солнце дает Землестолько же энергии, сколько даютэлектростанции всех стран втечение 1 года За 40 млн.лет Солнце дает Землеэнергию, равную энергииаккрецииСезонные вариации солнечной радиации(но не солнечной постоянной! )~1r2 перигелий афелий rафелий r перигелий e  c / a  0.0167rафелийa  c 1 e 1.017rперигелий a  c 1  e перигелий афелий21 e   1.034 1 e 23 январяперигелийF12a2сF24 июля афелийОценка радиационнойтемпературы Земли max T   maxСледствиязакона Планказаконсмещения ВинаE  TзаконСтефана-Больцмана4В спектре планетвсегда присутствуютдва максимума:1.

отраженноесолнечное излучение2. тепловое излучениеАльбедо – доля солнечнойэнергии, отраженной от планетыA   / 0 0 - падающий поток солнечногоизлучения;- поток, рассеянный планетойво все стороны.Альбедо различных поверхностей (%)ОкеанЛесаГородаТраваПочваПустыня (песок)ЛедОблакаСнег (старый)Снег (свежий)2-106-1814-187-2510-2035-4520-7030-7040-6075-95 Дж E  T 2м с0t4rRR2Sпов ти   4R  Sсечения   R Sпов ти   4R 2S  4r22442L  T Sпов ти   T (4R  )   LR 224 T R 2R224rr424   T Sпов ти   T (4R  )  (1  A)   A  0.3T  5770 KT  TR1/ 4(1  A)2r8R   6.96 10 мПочему такая низкаятемпература?!Средняя температураЗемли ≈ 288 Ko 255 K  18 C9r  149.6 10 мНе учтено влияние атмосферы!(парниковый эффект)???Joseph Fourier1768 – 1830Svante Arrhenius1859 – 1927French mathematician andphysicistSwedish scientist, the Nobel Prize forChemistry in 1903Fourier J.

B., Mémoire sur lestempératures du globe terrestre et desespaces planétaires, Mémoires del’Académie Royale des Sciences 7(1827), pp. 569–604.Arrhenius S. A., On the influence ofcarbonic acid in the air upon thetemperature of the ground, PhilosophicalMagazine 41 (1896), 237–76.НормированныеспектрыизлученияСолнца и ЗемлиСпектрпоглощенияатмосферыводяной паруглекислый газкислород и озонметанзакись азотаМодель без учета атмосферы~0.5 мкм  A ~10 мкм   A      (1  A )      (1  A )  B  B 11/ 4T  TR 1 A   288 K  15 o C2r  B B  0. 6T  5770 K8R   6.96 10 мA(T ), B(T )A  0.39r  149.6 10 мвозможность глобальногооледенения и потепленияРадиационно-тепловой баланс атмосферыальбедо A~0.3B6911543+34+67=144115+6+23=144 0 .6.