Б.И. Извеков, Н.Е. Кочин - Динамическая метеорология (часть 1) (1115249), страница 37
Текст из файла (страница 37)
Таким образом только незначительная часть ее (около 11 единиц) уходит в междупланетное пространство, а большая часть, около 104 единиц, преобразуется в тепловую энергию. Кроме этого притока тепла атмосфера еще получает около 16 единиц энергии в результате происходящих в ней процессов конденсации. Тепло, аатраченное на испарение влаги с земной поверхности н с поверхности водных бассейнов, переходит в атмосферу после того, как поднятый водяной пар, конденснруясь, освобождает это тепло. Таким образом земная атмосфера получает 14 единиц тепла погло- щением прямой солнечной радиации, 104 единицы поглощением темной (длинноволновой) земной радиации н 16 единиц в результате освобождаю- щейся скрытой теплоты испарения, а всего 134 единицы. В силу условия лучистого равновесия такое же количество тепла должно быть отдано атмосферой путем излучения длииноволновой радиации отчасти к земной поверхности, а отчасти в междупланетное пространство.
Если мы поло- жим интенсивность потока, направленного к земле, равной 88 единицам, а интенсивность потока направленного в междупланетное пространство равной 46 единицам, то полностью удовлетворим требованию теплового баланса всей 'системы земля — атмосфера. Таким образом первоначально принятый приток энергии к верхней . границе атмосферы в 100 тепловых единиц компенсируется коротковол- новым и длинйоволновым излучением в междупланетное пространство, При этом атмосфера получает поглощением и притоком скрытой теплоты конденсации 134 единицы, которые она отдает в форме длинно- волновой радиации.
Земная поверхность получает 23 единицы от прямой и 20 единиц от рассеянной диффузной солнечной радиации, далее, 88 единиц она получает от темной радиации атмосферы, что вместе составляет 131 еди- ницу. Она отдает обратно 115 единиц длннноволновым изучением, 16 еди- ниц вследствие процессов испарения н всего таким образом 131 единицу. Наконец с верхней границы атмосферы уходит в междупланетное пространство 24-~-19-~-11.+.46=100 единиц, т. е. столько же, сколько получаешься от солнца, Это схематическое представление кругооборота солнечной энергии в'.снстеме земля и ее атмосфера естественно относится только к земле как к целому и представляет средний результат для большого про' межутка времени. Оно дает нам представление о порядке величины различных потоков радиации.
Рнс. 19. Тепловой баланс атмосферы по АП'у. (1 3. Поглощение и излучение длиниоволновой радиации в земной атмосфере. Коротковолновая радиация, идущая от солнца, почти не по- 11 глощается атмосферой, что же касается длинноволновой радиации, излучаемой земной поверхностью, то поглощение ее в атмосфере значительное н это поглощение происходит главным образом за счет водяного пара и в меньшей степени за счвт углекислоты.
Можно считать, что газы, составляющие главным образом атмосферу — азот и кислород при температурах, госнодствующнх в атмосфере почти не поглощаютдлннноволновой радиации, а следовательно и не излучают ее. Поглощательная же способность водяного пара представляет сложную функцию длины волны. Поглощение лучистой знергии водяным паром было изучено достаточно подробна, а в последнее время результаты Геттнера в несколько схематизированном н упрощенном виде были применены Симпсоном к вопросу о преобразовании лучистой знергии в земной атмосфере. Согласно Симпсону можно принять, что столб воздуха, содержащий водяной пар в количестве зквнвалентном 0,3 лья осадков, поглощает сполна всю радиацию в пределах длин волн 5,5 — 7 р и свыше 14 р, а также нвкоторую долю радиации в промЕжуткЕ 11 — 14 р. Существует область спектра 8 — 11 Р Для которой. водяной пар Являвтся совершенно прозрачным. Это обстоятельства имеет большое значение для атмосферы, т.
к. максимум интенсивности земной радиации падает на длину волны около 10 1с и таким образом как раз лежит в втой области спектра. Поглощение углекислотою происходит главным образом в полосе спектра около 15 р. Симпсон принимает, что внутри зтих областей поглощения водяной пар излучает поглощаемую радиацию как абсолютно черное тело при той же температуре. Прилагаемый рисунокзаимствованный из упомянутой статьи Симпсона изображает поглощение радиации в земной атмосфере.(см.
рис. 20). Земную поверхность можно считать абсолютно черным телом, излучающим при температуре 280' аЬз. Она излучает с единицы поверхности в единицу времени количество знергии, которое изображается площадью, ограниченною кривой АВСОЕГОН. Полоса заштрихованная горизонтальными черточками (8,6 — 11 р) дает количество знергии вовсе не поглощаемой атмосферой. Эта радиация, как только покидает земную поверхность так уходит в космическое пространство и таким образом .совершенно теряется для земли.
Исключение может представпться в трм слу; чае, когда она может быть отражена облаками к поверхности земли и вторично, хотя бы отчасти, там поглощена. В областях спвктра от 7 — 8'~э я и от 11 — 14 р происходит частичное поглощение радиации. Это суть площади криволинейных трапеций МВСК и РВЕГ7.
Остаетея' радиация, изображенная площадями АВМ и ДВР поглощаемая, как сказано,,водяным паром в количестве соответствующем около 0,3 як осадков. Такое количество пара в тропических странах, обладающих большой влажностью воздуха, содержится в столбе воздуха поперечного сечения 1 г КЯ и всего 10 я высоты, а в самых сухих областях земного шара — в столбе высотой около 1000 я над земной поверхностью. Чае ч до~ о .т 1 ~м М га тз м зг эо ~л хэ гкдм э давним эти в м и, го.
Таким образом большая часть длинноволновой радиации излучаемой земной поверхностью поглощается нижними слоями атмосферы, и только -небольшая ее часть безпрепятстзенно покидает землю и уходит в междупланетное пространство. Принято говорить, что водяной пар придает сухому воздуху свойство .поглощать и излучать длииноволновую радиацию, но необходимо подчеркнутгэ что в свою очередь сухой воздух сообщает содержащемуся в ием пару повышенную теплоемкость, так как, хотя он сам и не принимает участия в поглощении и лучеиспускаиии (если не считать незначительного поглощения н лучеиспускання углекислоты), но воспринимает вместе с водяным паром всякий приток или потерю тепла.
Нижняя кривая на фиг. Г7Н7Я~Р 'дает по Симпсону излучение стратосферы и соответствует распределению энергии в спектре абсолютно черного излучателя температуры 218' аЬз. Максимум интенсивности излучения при этом падает на длину волны около 12'(з э. Так как вследствие избирательного поглощенна в излучении стратосферы вовсе отсутствует излучение в области 8'~т — 11 я„ и отчасти отсутствует излучение в областях 7 — 8'~з я, то полное излучение стратосферы изображается площадями ОНМ+ 1;1КГ и частью площадей МНйЧ и Р!КО.
Полное излучение в междупланетное пространство посылаемое земной:-.поверхностью и атмосферой приближенно представляется поэтому всей заштрихованной площадью 0НСЮКР, В приближенных подсчетах можно считать, что слой воздуха, содер- жащий 0,3 ялг осадков поглощает всю радиацию в пределах 5,5 — 7 н н свыше 14 и, а поглощением водяного пара вне этнх пространств можно пренебречь вовсе, н считать что во всей остальной частн спектра атмо- сфера является вполне прозрачной средой. Более точное исследование показывает, что больше 8Р~, энергии, которую может поглощать водяной - пар содержится в пределах от 5,5 — 7 у. и свыше 14 я.
Это процентное соотношение еще повышается если принять во внимание поглощение СО„ макснмум которого приходится на 153. В нижних слоях земной атмосферы содертжится около 0,4574 цо весу СОм так что 1 ся' воздуха содержит 6.10 гр. СОь По Снмцсону столб воздуха сечением 1 гяэ, содержа- щий 0,08 гр. СОя поглощает 88'~, падающей радиации. В ннжннх слоях атмосферы столб воздуха высотой 1 км содержит достаточное для втого количество углекислоты. Иа изложенного ясно, насколько сложна проблема изучения судьб лучнстой энергии в земной атмосфере, И насколько попытки ее разреше- ния далеки от совершенства. Нужно сказать, что мы не имеем в этой области точной математической теории, а должны довольствоваться, главным образом, описаниями качественного характера н соображениями, основанными на данных теоретической физики, которые позволяют со- ставить верное представление о существе процессов преобразования лучистой энергии, но не дают исчерпывающего н точного ответа на многие вопросы.
Две основные проблемы намечаются в этой области. Во-первых, об'ясннть с-точки зрения лучистого равновесия основные черты распре- деления температуры по вертикали в разлнчных широтах земного шара и дать теоретическое об'яснение факту существования слоя верхней инверсии (стратосферы). Во-вторых, проследить судьбы длннноволновой раднацнн излучаемой земной поверхностью поглощаемой многократно н снова излучаемой нижними слоями земной атмосферы, содержащими водяной пар н угле- кнслоту. С этнм связан как видно н вопрос об общем балансе лучистой энергии на земле.
Постоянство средней температуры атмосферы показы- вает, что земля отдает в мировое пространство столько же лучистой энергии сколько она получает от солнца. Эта уходящая раднацня раз- личным обрааом распределяется по земному шару н от этого распреде- ления ачевндно завнсит общая цнркуляцня атмосферы.
Обе задачи представляют большие трудностн и для решения нх требуется знание: 1) состава земной атмосферы на различных высотах, т. е. главным образом количества водяных паров в атмосфере на разных высотах. 2) коэффициента поглощения газов входящих в состав атмосферы в различных частях спектра, 3) альбедо земля (отражательной способности земной поверхности, атмосферы и облаков).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
