Л.Т. Матвеев - Курс общей метеорологии. Физика атмосферы (1115251), страница 31
Текст из файла (страница 31)
о Согласно приведенным данным, годовая инсоляция на полюсе в 2,5 раза меньше, чем на экваторе. Анализ формул для Я, и С7„показывает, что полугодовые значения инсоляции в северном и южном полушариях на соответствующих широтах одинаковы. Однако продолжительность астрономических полугодий в полушариях различна. Используя известное из астрономии уравнение земной орбиты (уравнение кеплерова эллипса), найдем выражения для продолжительности летнего (П,) и зимнего (П ) полугодий в северном полушарии: П,= 2' (! + — ез1п7.„), (3.9) П = — о(1 — — еыпХ. ), 11а ы 2 ( -.г и (3,10) где 7 — долгота перигелия земной орбиты (по современным дан- ным произведение е ып Х, = 0,016 454). $ ''' 0 1О 20 30 40 50 60 70 80 90 6,60 6,99 7,!8 7,20 6,99 6,62 6,13 5,70 5,53 5,47 Яы .
6,60 6,05 5,31 4,44 3,45 2,43 1,38 0,55 О,!2 0 !7о ° ° ° 13 20 !3 04 12 49 1! 64 !1 45 9 05 7 51 6 25 5 65 5 47 Таблица 5.3. Средние значения суточной иисоляции (Мдж/м') при !о*=1,37 квт/мз Полуыарие 10 ! 20 ! 30 ! 40 ! 50 ! 60 ! го ! 80 ! Летнее полугодие ! 37,5 ! 38,5 ! 38,6 ! 37,5 ! 35,6 ! 32,9 ! 30,6 ! 29,7 ! 29,3 Северное Южное Зимнее полугодие Северное Южное 32 4 28 5 23 8 18 5 13 О 7 4 3 О О 7 О О При решении ряда задач, в частности, в теории климата, удобно иметь дело с полугодиями одинаковой продолжительности, равной По/2. В связи с этим вводится понятие летнего и зимнего калорического полугодий, определяемых как такие полугодия равной продолжительности По/2, для которых суточная инсоляция на широте в любой день летнего полугодия больше, чем в любой день зимнего полугодия.
Из теории, развитой Миланковичем и другими учеными, следует, что инсоляция в калорнческие полугодия зависит от широты и изменяется под влиянием колебаний элементов орбиты Земли, а также наклона оси вращения Земли к плоскости эклиптики (плоскость вращения Земли вокруг Солнца). Выполнен расчет инсоляции за калорнческие полугодия на различных широтах северного и южного полушарий для различных моментов времени (охватывающих период от — 1 млн, лет до +50 тыс. лет). По указанной выше причине средние значения суточной инсоляции Яа/П, и Яы/П в северном полушарии отличаются от аналогичных значений в южном полушарии, где средняя суточная ннсоляция летом равна Я,/П„, зимой Я„/П,.
Значения Ям Я ., П, и П„ определяются по формулам (3.7) — (3.10). Результаты расчета средних значений суточной инсоляции в северном и южном полушариях приведены в табл. 5.3. Согласно данным этой таблицы, в южном полушарии на верхнюю границу атмосферы поступает летом солнечной радиации больше,чем в северном; зимой же имеет место обратное соотношение. Таким образом, разность между средними значениями инсоляции за летнее и зимнее полугодия (годовая амплитуда инсоляции) в северном полушарии меньше, чем в южном. Так, годовая амплитуда суточной инсоляции на широте 30' составляет 13,74 МДж/м' в северном полушарии и 16,46 МДж/мз в южном, на широте 60' — соответственно 25,18 и 26,87 МДж/м'.
122 П Радиационный режим атмосферы 743 Ослабление солнечной радиации Глава 6 Ослабление солнечной радиации 1 Поглощение солнечной радиации в атмосфере Земли Солнечная радиация, поступившая на верхнюю границу атмосферы Земли, прежде чем дойти до земной поверхности, претерпевает ряд существенных изменений. Часть ее рассеивается молекулами воздуха и содержащимися в атмосфере твердыми и жидкими примесями; частично солнечная радиация поглощается. Рассмотрим процесс поглощения солнечной радиации. К основным газам, поглошающим солнечную радиацию, относятся водяной пар, озон, углекислый газ, а также кислород и ряд малых газовых примесей. Солнечная радиация в результате поглощения преобразуется в другие виды энергии (главным образом в тепловую; в верхних слоях в процессе ионнзации также в электрическую).
Процесс поглощения солнечной радиации в атмосфере носит селективный характер. Коротко рассмотрим спектры поглощения основных газов. Озон (03). Как показывают наблюдения, солнечная радиация, достигающая земной поверхности, резко обрывается на длине волны около 0,3 мкм. Однако Солнце, будучи близким по своим свойствам к абсолютно черному телу с эффективной температурой излучения около 6000 К, излучает радиацию и более коротких длин волн.
Такое резкое ослабление потока солнечной радиации в области ультрафиолетового участка спектра объясняется поглощением радиации озоном. Озон имеет большое количество полос поглощения по всему спектру. Наиболее сильная полоса (полоса Хартлея) приходится на интервал 0,22 — 0,29 мкм, в котором коэффициенты поглощения имеют весьма большие значения (максимум достигается прн л = = 0,2553 мкм, где десятичный объемный коэффициент поглощения 72',= 126,5 см-'). В другой полосе (0,31 — 0,36 мкм) поглощение озона значительно слабее: значения й' не превышают 0,79 см-'.
л В видимом участке спектра имеется достаточно широкая полоса поглощения озона (0,44 — 0,75 мкм), в максимуме которой значе- Таблица 6.!. Функция пропускания (70) водяным паром спектральных потоков радиации Полоса поглощения, мкм Оп кг/м' 1мб — 2.08 !.08- 1,21 1,28- 1.84 0.80- 1.00 2,28 — 3,00 3,00 — З,бо 0,71-0,7б 0,81-0,8б 86,4 71,4 61,4 57,7 47,2 44.! 41,5 38,0 94,5 88,2 78,5 73,4 57,8 53,6 50,! 44,8 99,8 99,4 99,4 98,0 98,8 95,6 98,3 93,9 94,6 82,9 92,0 76,5 89,5 70,7 98,6 95,8 91,1 87,8 68,7 59,8 51,7 40,2 0,0! 0,1 0,5 1,0 10 20 40 100 99,8 99,3 98,5 97,4 93,4 90,3 87,4 81,! 95,5 87,2 76,2 70,! 48,0 41,0 35,2 27,9 97,4 92,2 83,8 78,3 51,9 42,3 34,7 25,5 84,! 60,6 Ослабление общего (интегрального) потока солнечной радиации находится путем суммирования ослабления спектральных потоков в полосах поглощения.
Анализ опытных данных показал, ние 72',= — 0,0594 см-', Во всех трех полосах 72'„ увеличивается с ростом температуры. В инфракрасной области на спектрограммах ныделяются сильные полосы поглощения озона с центрами при 4,75, 9,6 н 14,1 мкм, из которых полоса 9,6 мкм самая сильная. Средние (для всей полосы) коэффициенты поглощения и инфракрасной области зави. сят от приведенной толщины слоя озона и атмосферного давления, в то время как в ультрафиолетовой и видимой областях такая зависимость не наблюдается.
Основные полосы поглощения молекулярного кислорода приходятся на далекую ультрафиолетовую область спектра (0,13— 0,24 мкм). Водяной пар (Н20) и углекислый газ (СО2). Эти газы имеют очень сложный спектр, полосы поглощения которого расположены как в видимой, так и в инфракрасной области. Основные полосы поглощения водяного пара приходятся на длины волн (центр полосы) 0,72, 0,84, 0,94, 1,14„1,38, 1,87, 2,70 и 3,20 мкм а углекислого газа — на длины волн 1,44, 1,60, 2,02, 2,70 и 4,31 мкм. К настоящему времени функция пропускания для водяного пара и углекислого газа достаточно детально изучена экспериментальным путем. В табл. 6.1 приведены опытные значения функции пропускания Рь(О„) для некоторых полос поглощения при различных значениях содержания (массы) водяного пара в столбе воздуха, через который проходят солнечные лучи. Видно, что наиболее сильно солнечная радиация поглощается в полосах, относящихся к близкой инфракрасной области.
При обычно наблюдаемых значениях О„(чаще всего от 1 до 20 кг7мт) при прохождении через всю атмосферу поток солнечной радиации ослабляется за счет поглощения на 5 — 10%. Радааааоаамд ремам атмОсфеРы Осаабаеаае соаааеаоа радааааа что с удовлетворительной точностью (погрешность менее 1%) функция пропускания водяным паром интегрального потока солнечной радиации может быть аппроксимирована следующим экспоненциальным выражением: а Р(Я„) = ~ Ь! ехр( — )!Д„), 1=! где Ь! = 0,077, Ьа = 0,145 и Ьз = 0,778; р! = 5,83, ра= 0,145 и (1з= =0,002 (если Я вЂ” в кг/м').
Нетрудно видеть, что наибольший вклад вносит третье слагаемое (поскольку велико Ьз и мало рз). Поскольку масса водяного пара больше, чем других поглощающих газов (СОь Оз), на его долю приходится основная часть поглощенной радиации (во всем атмосферном столбе). Т. В. Кириллова по измерениям на оз.
Севан получила следующие значения функции пропускания солнечной радиации для слоев жидкой воды различной толщины Ь за май (Рч), июль (Ртп) и сентябрь (Ргх): 7с .. . . . 0,5 1 2 3 5 8 !О !5 20 Рч ' " О 49 О 38 О 27 О 22 О !2 0 06 О 04 О О! О 00 Рт« ' ' ' 0 48 0 43 0,34 0,28 О,!9 'О,!2 0,09 0,05 0,03 Р- х ' 0'4! 0 36 О'27 0 23 0'!5 0'!О 0'07 0'04 1 0'01 Из приведенных данных видно, что у>не слой воды тол!циной 0,5 м поглощает поток солнечной радиации более чем наполовину, а слой толщиной ! 0 м — на 90 — 95 %. Сведения о пропускании и поглощении солнечной радиации облаками приведены в п.
7. Отметим, что солнечную, равно как и длинноволновую (земную) радиацию совершенно не поглощает основной (по массе) газ атмосферы — азот. Солнечную радиацию поглощают атмосферные примеси (пыль). На основе спектральных измерений (в диапазоне длин волн 0,4— 2,4 мкм), выполненных К. Я. Кондратьевым и его сотрудниками над пустыней, установлено, что в слое атмосферы 0,3 — 8,4 км водяной пар и углекислый газ поглощают 0,052 кВт/м' (3,8 с/о солнечной постоянной), атмосферные примеси (аэрозоль)— 0,065 кВт/м' (4,8 о/, солнечной постоянной).
По данным актинометрических измерений (в интервале длин волн 0,3 — 3,0 мкм), в том же слое общее поглощение солнечной радиации составляет (0,150 ~ 0,014) кВт/ма. При сильном замутнении атмосферы (особенно в городах) поглощение солнечной радиации твердыми примесями может быть значительным. Так, согласно измерениям, выполненным на самолете, в нижнем слое (до 3 — 5 км) общее поглощение солнечной радиации чаще всего в 1,5 — 2 раза превышает теоретически определенное значение поглощения водяным паром. В отдельных случаях в нижнем километровом слое коэффициенты поглощения увеличивались (в безоблачной атмосфере) в 15 раз.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
