Л.Т. Матвеев - Курс общей метеорологии. Физика атмосферы (1115251), страница 40
Текст из файла (страница 40)
7.1). Наибольшей поглощательной способностью в инфракрасном участке спектра обладает снег, для которого 6 =0,986 (по другим данным 0,995). В среднем для земной поверхности 6 полагают равным 0,95. Поток излучения земной поверхности Ве значительно меньше потока излучения Солнца (Ве«Вс), но вполне сравним с потоком солнечной радиации !', поступающим на поверхность земли, Поток излучения абсолютно черного тела В=оТ' при разных температурах имеет следующие значения: — 40 — 20 0 20 40 0,17 0,24 0,32 0,43 0,55 Изллнение Земли и атмосеерм Раднаиионнма режим атмосоер» 182 7ВЗ Таблица 7.1.
Поглощательная способность различных естественных покровов (по В. Л. Гаевскому) Понеркность Песок мелкозернистый: сухой хорошо увлажненный Супесчаная почва: 0,949 0,962 0,954 0,968 сухая хорошо увлажненная Торф; сухой хорошо увлажненный Зеленая трава: 0,970 0,983 0,986 0,975 0,971 густая редкая на влажной супесчаной почве Хвойные иглы Снег: 0,986 0,969 свежевыпавший загрязненный Водная воверхност(м гладкая прп волнении 4 — 5 баллов 0,893 0,910 Из этих данных следует, что Во имеет тот же порядок величины, что и 1' (см. табл.
6.6). Подчеркнем, что поток излучения земной поверхности зависит от ее температуры, с увеличением которой он растет. Этот поток наблюдается днем и ночью и непосредственно не зависит от того, каков поток солнечной радиации. 2 Излучение атмосферы Излучение атмосферы носит более сложный характер, чем излучение земной поверхности. Во-первых, по закону Кирхгофа энергию излучают лишь те газы, которые ее поглощают: водяной пар, углекислый газ и озон.
Во-вторых, излучение (как и поглощение) каждого из этих газов носит сложный избирательный (селективный) характер. Кроме основных, поглощающих инфракрасную радиацию газов (Н,О, СОА и Оз), в атмосфере содержится ряд других газов, имеющих полосы поглощения в инфракрасной области. Это всевозможные окислы азота ()л)О, %0, %0ц !л)зОз), ряд углеводородных соединений (САНЫ СНА) и др, Однако ввиду ничтожного содержания этих газов в атмосфере поглощение и излучение ими длинноволновой радиации практического значения не имеют.
Наиболее широкими и интенсивными полосами поглощения в инфракрасной области спектра обладает водяной пар. Значения массового показателя поглощения радиации сел водяным паром в различных спектральных интервалах длин волн приведены в табл. 7.2. Таблица 7.2. Массовый показатель поглощенна радиации сел водяным паром и энергетическая яркость черяого тела Ел прн 7=290 К (з е> Вт/(и'ср) (Оеез Вт((м' ср( Л мкм ал смят аз смит Л мкм 18 — 19 Из табл. 7.2 следует, что наиболее сильные полосы поглощения водяного пара приходятся на спектральные интервалы 5,5 — 7,0 мкм н более 17 мкм.
В интервале 8,5 — 12 мкм водяной пар практически прозрачен для инфракрасной радиации (здесь показатель поглощения всего лишь около 0,1 смз)г), По этой причине данный участок спектра называют окном прозрачности атмосферы или атмосферным окном. Кроме водяного пара, играющего преобладающую роль в поглощении инфракрасного излучения в атмосфере, определенное влияние на потоки радиации оказывают углекислый газ и озон. Приведем значения объемного коэффициента поглощения углекислого газа алр (р — плотность воздуха при нормальных температуре и давлении): 2,6 — 2,8 4,10 — 4,45 9,1 — 10,9 !2,9 — 17,1 0,025 О,ЗЗ 2 10-е 0,083 Л мкм. алр и-' . Как показывают эти данные, в области атмосферного окна углекислый газ также очень слабо поглощает радиацию.
Наиболее 5,0 — 5,5 5,5 — 6,0 6,0 — 6,5 6,5 — 7,0 7,0 — 7,5 7,5 — 8,0 8,0 — 8,5 8,5 — 9,0 9,0 — 12,0 12 — 13 13 — 14 14 — 15 15 — 16 16 — !7 17 — 18 40 198 98 156 !2,8 3,4 0,10 0,10 0,25 0,84 1,30 4,40 17,2 14,0 16 131 200 244 306 350 398 408 2708 803 759 690 593 557 500 442 19 — 20 20 — 21 21 — 22 22 — 23 23 — 24 24 — 25 25 — 26 26 — 27 ! 27 — 28 28 — 29 29 — 30 30 — 31 31 — 32 32 — 33 33 — 34 34 — 35 43 23 58 64 75 80 53 93 Пб 136 152 179 179 179 198 110 396 350 318 285 254 223 202 179 162 145 133 П9 109 99 89 81 Нзаьченне Земан н атнеейер» )85 Раднанненнмп ремам аьнееферм 184 (1.2) где Я вЂ” содержание (масса) водяного пара в столбе единичного сечения, на выходе из которого рассчитывается функция пропускания; Ясо, — содержание (масса) углекислого газа в том же столбе; Р1, Рг, Ра — функции, имеющие следующий (экспоненциальный) вид: Р(1е„) = х ае ехр( — ОЩ„).
(1.3) Вошедшие сюда постоянные ае и 51 принимают следующие значе- ния (если яп и ясо — в кг/мк): Фуикцпп пропускапкп Р, Яеч.,!0) Р, (!2а =10 —: 100) Р, О,!9 0,2! 0,35 47 1,! 0,03 0,05 0,19 0,29 0,023 0,19 0,26 0,29 1',0 0,0!5 0,32 0,40 0,28 0,056 1,2 !О ' 1,5 !О-' а1 . пе па . Определенная с помощью соотношений (1.2) и (1.3) функция пропускания удовлетворительно согласуется с опытными данными (относительная погрешность не превышает 2 — 3 1)1р ).
Функции пропускания атмосферы для потока, излученного земной поверхностью, в случаях, если учитывать поглощение только водяным паром (Р ) н если, кроме того, учитывать поглощение углекислым газом и озоном (Р' ), при различном содержании водяного пара принимают следующие значения: Ое кг/и'. Ре ) а 10 0,599 0,348 50 0,237 0,168 0,333 0,227 важное значение имеет полоса поглощения 12,9 — 17,1 мкм, где энергия излучения Земли все еще велика (см. табл. 7.2).
Озон имеет несколько полос поглощения в инфракрасной области. Однако практический интерес представляет полоса озона, центр которой приходится на длину волны 9,65 мкм, так как она расположена в области атмосферного окна. Все другие полосы поглощения озона перекрываются полосами поглощения водяного пара и углекислого газа. Функция пропускания для интегрального потока длннноволновой радиации, учитывающая поглощение водяным паром и угле- кислым газом, может быть представлена (аппроксимирована) в следующем виде: Р (Я„, Я~,)=Р,(Я.)+Р,(Я.)Р Я~~,), Из приведенных данных видно, что при учете поглощения угле- кислым газом н озоном функция пропускання атмосферы существенно уменьшается.
Таким образом, через безоблачную атмосферу проходит от 17 до 35 1)ь инфракрасной радиации, испускаемой земной поверхностью. Особенно большое влияние на поглощение инфракрасной радиации оказывает облачность. Для различных форм облаков массовые коэффициенты поглощения этой радиации каплями воды колеблются от 500 до 2000 смк/г (ср.
с водяным паром — табл. 7.2). Функция пропускания инфракрасной радиации облаками Р зависит от массы капель воды 1,)а, содержащейся в вертикальном столбе единичного сечения (водозапаса облака): 0,07 О, 0004 0,03 0,013 0,01 !7п кг/пе Р. 0,144 Таким образом, уже прн Яе, превышающем 0,03 кг/м' (а реальные значения водозапаса облаков, как правило, превосходят их — см.
главу 17), облако практически полностью поглощает инфракрасную радиацию (функция пропускания радиации атмосферой с учетом поглощения водяным паром, СОь Оз и облаком при Ярж ж0,07 кг/мк имеет порядок 10 к). Благодаря сильному поглощению длинноволновой радиации водяным паром, углекислым газом н, особенно, облаками большая часть излучения земной поверхности поглощается атмосферой, в то время как солнечную радиацию атмосфера в значительной степени пропускает. В целом атмосфера оказывает сильное отепляющее воздействие на земную поверхность. Вопрос об излучении атмосферы н изменении температурного режима атмосферы под влиянием потоков радиации неоднократно подвергался теоретическому рассмотрению. Однако до настоящего времени теоретический расчет излучения атмосферы встречает значительные трудности.
Уравнения переноса инфракрасной радиации в атмосфере. Получим дифференциальные уравнения для потока монохроматической радиации, с помощью которых описывается процесс переноса ее в атмосфере. Строгий вывод этих уравнений с учетом всех факторов, влияющих на ослабление радиации в атмосфере (в частности, рассеяния), дан Е. С. Кузнецовым. Ограничимся здесь выводим приближенных уравнений переноса инфракрасной радиации. В основе приводимых ниже рассуждений лежит введенное в гл. 5 понятие энергетической яркости, Это понятие родственно понятию потока излучения, однако отличается от последнего тем, что энергетическая яркость характеризует количество лучистой энергии, распространяющейся в единичном телесном угле (1 ср) за единицу времени н через единичную площадку, перпендикуляр- Иельченне Земли н атмосферы УВ7 Рааненнонныа немым атмосферы должна равняться сумме выражений (2.1) н (2.2), т.
е. йУ~ = ( — ал/). + алЕл) р„й/. (2.3) ную лучам. Единицами энергетической яркости служат: Вт/(маХ ;ус', ср ) — для монохроматической радиации (Ул) и Вт/(м". ср )— для интегральной (У). В общем случае энергетическая яркость зависит от направления распространения лучей. В том частном случае, когда она по всем направлениям одинакова, поле излучения называют изогропным.
В последнем случае между потоком У н яркостью У существует простая связь: Ул=пУл., У=пУ. Пусть в направлении, составляющем с вертикалью угол О, распространяется пучок монохроматических лучей (рис. 7,1). Обозначим через Ул и Ул энергетическую яркость излучения, поступаю- щего в точку А из верхней и нижней полую сферы соответственно.
Если в точке А яркость Ул, то яркость излучения, прошедше- с в да го слой атмосферы толгдиной аг, изменится з на Нлл . Изменение яркости излучения проз исходит под влиянием следующих процессов: а) поглощения лучистой энергии, кото- рое может быть записано в виде Рис. 7Л.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
