Б.И. Извеков, Н.Е. Кочин - Динамическая метеорология (часть 1) (1115249), страница 36
Текст из файла (страница 36)
Однако в дальнейшем мы все же будем применять этот закон для излучения атмосферы, как это обычно делается.в приближенных подсчетах. Длина волны, соответствующая наибольшему излучению абсолютно черного тела, обратно пропорциональна абсолютной температуре Л У=а, . (8) где а=сопаЬ В этом состоит так называемый закон Вина (%!еп). Постоянная В и н а связана с постоянной П л а н к а простым соотношением. В принятой в метеорологии системе единиц а = 2880 град.
р, Интенсивность излучения при Л Е =5,98 Гб '~ Т» «ал. льив. ' си Укажем еще другую, приближенную формулу Вина для моиохроматическаго излучения. Если в формуле Планка (6) ЛХ мало в сравнении с с, то приближенно с 432 мх дух. =1,683Л г хт 10ЧЛ,(Л выражено в р)..... (9) аЕхт 4750 Ошибка для — меньше 5'Д, если Л < —.. Внутри области применения втой формулы ~й — '=1,482 Гб аЕхт, ЙЕхт, ' Хт 3' где П=Тх — т, н т.- ~/ тР,. $2.
Общие соображения о притоке лучистой энергии и балансеее в земной атмосфере. Главным и, можно сказать, единственным источником энергии, прнтекающей к земле н поддерживающей температуру земли и ее водной и воздушной оболочки является солнце. В самом деле, тепловое излучение луны н звезд не имеет никакого значения в энергетике земного шара. Равным образом роль внутренних источников энергии весьма незначительна. Тепло, притекающее к земной поверхности. нз недр земли, составляет меньше одной десятимиллионной доли энергии, притекающей от солнца.
Исследования температурного градиента и коэффициентов теплопроводности земной коры показывают, что изменения температуры земной поверхности, обусловленные притоком тепла изнутри, имеют порядок 0,1'С. Влияние таких изменений температуры земной поверхности на земную атмосферу совершенно неощутимо. Приток тепла от солнца в форме лучистой энергии обусловливает весь тепловой режим земного шара в целом и его атмосферы.
Неодинаковость нагревания различных зон является причиной общей атмосферной циркуляции, на которую налагаются вторичные и местные циркуляции. Состав и строение различных слоев атмосферы определяют распространение в ней лучистой знергии и распределение температуры в толще атмосферы, как по высоте, так и по географическим широтам. Поэтому учение о распространении лучистой энергии э 'атмосфере является одной из основных глав теоретической метеорологии, с которой должно начинаться ее изучение. Весьма тонкие и детальные исследования солнечного спектра, произведенные за последние геды многими исследователями (особенно надо отметить работы Аббота (АЬЬо1) и его сотрудников в САСШ) показывают„что излучение солнца можно считать приблизительно соответствующим излучению абсолютно черного тела температуры около 6000' аЬз. Максимум солнечного излучения при этом находится в области длин волн от 0,5 — 0,6 р, т.
е. в той области спектра, в которой наш глаз обладает наибольшей чувствительностью, что конечно не является случайным обстоятельством, а указывает на приспособляемость организмов к физическим условиям среды. Многолетними наблюдениями астрофизической Обсерватории Смитсоинанского Института в Вашингтоне и Обсерватории на г. Вильсон в Калифорнии установлено, что, количество лучистой энергии, падающей на 1 ке, см.,подерхности располощщноК нй границе атмосферы и ориейтированной перпейдикулярйо к направлению падающей 'радиаций, составляет окойоД""гр5кал, в "минуту"."Величина 'эта," "'как - йзвестно,' называется' с'о л: т 11,ечной постоянной, Если она н изменяется в зависимости от йзменення солйечйой деятельности (что связано, как известно, с количеством солнечных пятен), то во всяком случае изменения эти весьма незначительны, Мы будем в дальнейшем считать солнечную постоянную действительно постоянной и обозначать ее череа lо').
Еслибы не существовало земной атмосферы, то интенсивность,раднйцйй,,нада)йц)ей,,на Е(1нййцу'„щЮщадн" ЗЕМй~ОЙ "ПОВЕрХНОСтИ',"ВираЗИЛаСЬ бЫ Кан .г» З)П а, Гдв а есть"угловое""рйсстоянне"'солнца "над госризой~рм,"которбе",'Зйвй®т'.,'ет'"йрй-, мейи гбда; времейн суток н географической широты места. Легко рассчитатв;-что .во время равноденствий, когда солнце двйжется по экватору, количество радиации, падающей иа единицу земной поверхности в тече» ние одного дня, составляло бы (прн условии отсутствия земной атмосферы) 458,4.го сов ч гр. кала где р — географическая широта.
Наибольшее значение получается на экваторе, в то время как на полюсах оно равно нулю. В действительности, вследствие изменения склонения солнца, земные полюсы получают солнечную радиацию в течение г)рлугода, причем приток радиации к полюсам достигает максимума во время соответствующего солнцестояния и составляет в это время около 25Чо суточного количества радиации получаемого на экваторе. Дефант (Ое1ап1) дает такую таблицу для количества радиации, падающей в течение года на сага иа различных широтах (числа выражают радиацию в кг. кал. на слгя при условии отсутствия атмосферы). ') Более точная величина среднего аначения солнечной постоянной по Аббату 1,95 - —,;1г — „или 1,35.1ва ара слг ~сел Количество солнечной энергии. падающей на юсиа земной поверхности иа различных широтах в «г кал. Отсюда видно, что годовое количество притекающей солнечной радиации на полюсе составлнет 40а1а количества,ее, пРитекающей на экваторе.
Однако, радиация, падающая в больших широтах, обладает малой эффективностью и дает малое нагревание земной поверхности, вследствие большого отражения от поверхности снега и льда. Наибольшее уменьшений рййнчи11ы притока энергии от экватора к дбЩ~сйм пфлучастся между пятидесятой н шестидесятой па' аллелью. 'Втб соотвеФ- ствует тому'"факту, чт между широтами средин температурный градиент по направлению от экватора к полюсу наибольший. Равным образом в этих широтах имеет место наиболее интенсивный перенос тепла от экватора к полюсам. а также связанная с ним повышенная циклоническая и штормовая деятельность атмосферы.
Однако не вся лучистая энергия, притекающая к земной атмосфере, вступает в нее и претерпевает в атмосфере дальнейшие изменения. Часть ее отражается атмосферой и особенно облаками, а также отчасти земной поверхностью, льдом, снегом и водою, а часть рассеивается частицами воздуха и непоглощенная уходит снова в междупланетное пространство. Эта обратно отданная радиация составляет а л ь б е д о земли и является ее физической характеристикой. Альбедо земной поверхности и облаков может быть изучено и изучается физическими методами, и поэтому имеется возможность оценить полное альбедо земли.
Определения альбедо имеются у разных исследователей и дают несколько колеблющиеся результаты. По последним определениям оно составляет около 0,43 количества всей падающей радиации. Остальные 57'1а вступают в систему земля — атмосфера, причем непосредственно атмосферой поглощается только весьма малая доля этой радиации, главная же часть достигает поверхности земли, поглощается ею и излучается снова в атмосферу, как длинноволновая радиация, соответственно низкой температуре излучающей поверхности. Эту длинноволновую радиацию земная атмосфера, благодаря содержанию в воздухе водяного пара, а также углекислоты, хорошо поглощает; а следовательно н снова излучает.
Обратные потоки длинноволновой радиации, направляющиеся из атмосферы к поверхности земли повышают температуру земной поверхности, так что температура ее оказывается значительно выше той, которая получилась бы при отсутствии атмосферы„поглощающей длнноволновую радиацию. Таким образом действие атмосферы можно, как хорошо известно, уподо« бить парнику или теплице. Сообщим цркоторые общие данные относительно баланса лучистой энергии в земной атмосфере. Данные эти заимствованы из доклада Альта (Е. А11), сделанного им на собрании Германского Метеорологического Общества в 1929 г.') В течение 24 часов солнце посылает на каждый «в.
си. земной поверхности 720 ар. кал., если примем сначала, что земная атмосфера отсутствует и что солнечнаяпостоянная равна2 ох кол. яик. ' см ~ На дальнейшем своем пути через атмосферу этот общий поток радиации подвергается процессам поглощения, диффузного и прямого отражения. Если мы возьмем за единицу 7,2 1р. кол. И будем выражать в дальнейшем — 155— интенсивность всех потоков в втой мере, то приток солнечной энергии на верхней границе атмосферы выразится числом 100. Из них 24 единицы отражаются обратно в междупланетное пространство облакамн и другими частицами, находящимися в атмосфере, 14 единиц вступают в атмосферу, где преобразуются, главным образом, в тепловую энергию и в малой' степени в химическую энергию, 23 единицы, проходя всю толщу атмо- сферы, достигают земной поверхности и оставшиеся 39 единиц рассеи- ваются в атмосфере путем .диффузного отражения от газовых молекул и мельчайших частиц, взвешенных в атмосфере.
Из этих 39 единиц рас- сеянной радиации 19 единиц уходят назад в междупланетное простран- ство, а 20 единиц достигают земной поверхности. Таким образом благодаря прямому и рассеянному отражению воз- вращается обратно 24+-19=43 единицы всей притекающей радиации. Позтому принято считать, что альбедо земли равно 0,43. Такое же самое количество 43 единяцы, а именно 23 единицы прямой н 20 единиц рассеянной радиации достигает поверхности земли. В первом приближении мы можем считать поверхность земли как черную излучающую поверхность, имеющую температуру 288' аЬз. Эта поверхность излучает темную (длинноволновую) радиацию в мировое пространство, температуру которого надо считать равной нулю.
По закону Стефана получается, что эта излучаемая радиация составляет приблизи- тельно 115 единиц. Максимум интенсивности этой длинноволновой радиации лежит при- близительно при 9000 или 10000 вя. Она очень сильно поглощается атмо- сферой, главным образом, входящим в состав атмосферы водяным паром и углекислотой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
