В.И. Трухин, К.В. Показеев, В.Е. Куницын - Общая и экологическая геофизика (1119248), страница 45
Текст из файла (страница 45)
Возрастание плотности атмосферы на высоте спутника увеличивает 252 !'л. 12. Структура и состав атмосферы. Вггешние факторы 200 240 10н о а200 Полн 160 !20 Аг !с ЯО и" 1Он 1О' „Ш" М,ем' Не 11 2000 1000 500 Аг 1О' 1О' 1Оа 1Оо 1Он 1О" 1О" Л; и Рис.12.2. Изменение с высотой в логарифмическом масштабе общей концентрации в области гомосферы (а); зависимости полной концентрации воздуха (сплошная кривая) и основных составляющих атмосферы (нгтриховые кривые) в гетеросфере (б); распределение концентрации основных газов (штриховые кривые) и полной концентрации воздуха (сплошная кривая) в термосфере при температуре экзосферы 800 К (модель СОБРАН. !пФегпа6опа! Кегегепсе АФпловрйеге, 1972) (в) !'и. 12.
Струапп1ра а ееетае итмееферн. Вне иаие факторы 253 торможение спутника и в конечном итоге меняет его орбиту. Например, в 1970-х гг. космическая станция «Скайлэб» после всплеска солнечной активности преждевременно произвела снижение и сгорела в нижних слоях атмосферы. Существует довольно много моделей атмосферы, одна из которых приведена на рис. 12.2. Многие организации, университеты создавали свои модели атмосферы, часть из них принята за стандарты при ряде технических расчетов. Пример стандартной модели атмосферы СССР ~9~ приведен на рис. 12.3. Такие оцифрованные модели достаточно хорошо передают «усредненнуюа вертикальную структуру атмосферы, в частности температурный ход, вертикальный профиль давления и плотности.
Сложнее обстоит ситуация с моделированием верхней атмосферы. Она хуже поддается модельному описанию, поскольку наряду с нейтральным газом здесь присутствует магнитоактивная плазма, которая весьма сложно реагирует на изменение внешних условий. Солнечное излучение Основным фактором, воздействующим и влияющим на атмосферу и на Землю вообще, является, безушювно, Солнце. Атмосфера, ее структура и состав во многом зависят от солнечного электромагнитного излучения как основного внешнгшо источника энергии. Существенно влияк>т на атмосферу и корпускулярные потоки солнечного ветра, солнечных и галактических космических лучей.
Заметно влияют на атмосферу и другие внешние факторы, такие как гравитационные воздействия Солнца и Луны,магнитные, электрические поля Земли и т.д. Здесь целесообразно привести некоторую информацию о Солнце, которая будет существенна в дальнейшем ~137]. Солнце относится к классу карликовых спектральных звезд класса С.
Радиус Солнца около 0,7 млн км, масса т — 1Овв кг. В Солнце сосредоточено 99,866% массы солнечной системы. Отношение массы Солнца к массе Земли равно 333000. Средняя плотность Солнца составляет -1,4 г1'ем~, светимость -4 102в Вт. Это огромная мощность. Для сравнения; энергия мегатонной бомбы равна 4 . 10~« Дж. Таким образом, мощность Солнца эквивалентна 10'1 мегатонных бомб каждую секунду. Основной источник энергии Солнца — термоядерные реакции, т. е. реакции, в которых участвуют ядра водорода, гелия и т.д.
Например. термоядерные реакции углеродного цикла. Известно, что спектр излучения Солнца близок к спектру излучения абсолютно черного тела. Тонкий поверхностный (всего 350 км) 254 Га. 18. Структура и состое атмосферы. Внстнис факторы 200 !80 !60 140 Й !20 а !ОО Ы 80 Ю 60 40 20 о 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Температура,'К 8000 600 и .
400 200 10 ' 1О ' !О ' !О ' 10 ' 10 ' 10 ' !О ' 10 ' 10" 10' 10' 10' 10' 1О' 1О" Давление, Па Рис.12.3. Стандартная атмосфера СССР. Температура и давление в зависимости от высоты излучак)щий слой Солнца называется фотосферой. Температура фотосферы около шести тысяч градусов, плотность составляет 10 7 г))ем~, иногда вводят более точную эффективную температуру поверхности фотосферы Т = 5780 К. Следующая область хромосфера также представляет собой тонкий в масштабах Солнца слой, толщиной 1500 км, с достаточно !'о.
12. Струнпнрра а еоетае итмоиферн. Внетнне фано1оры 255 сложной структурой. Здесь температура порядка 10000 К. Выше, на расстояниях в несколько солнечных радиусов, простирается внутренняя корона Солнца. Температура короны около полутора миллиона градусов. Рассмотрим кратко основные законы теплового излучения, определяющие спектральную плотность излучения Солнца. Закон Кирхгофа утверждает, что отношение испускательной и поглощательной способности тела не зависит от природы тела и равно испускательной способности абсолютно черного тела. Напомним, что испускательная способность это поток энергии, излучаемый единицей поверхности.
Поглощательная способность определяется отношением поглощенного потока к падающему. Чисто термодинамическими методами Кирхгоф в конце Х1Х века доказал этот закон. И как это ни парадоксально звучит, излучение Солнца близко к излучению абсолютно черного тела. Термин «абсолютно черное телоо означает, что всякое падающее на тело излучение им полностью поглощается. Соотношение для спектральной плотности равновесного излучения абсолютно черного тела было получено Планком в начале ХХ века. Плотность равновесного излучения, как функция частоты нарастает как кубическая функция при малых частотах, далее имеется максимум, затем функция спадает по экспоненте.
Таким образом, излучающее тело имеет максимум плотности излучения на некоторой частоте, причем положение максимума зависит от температуры; чем болыпую температуру будет иметь тело, тем большую частоту будет иметь максимум излучения. Формулу можно переписать через длину волны, тогда длина волны Ло,, для которой спектральная плотность излучения максимальна, обратно пропорциональна температуре. При этом константа пропорциональности с точностью до числового сомножителя порядка единицы равна произведению постоянной Планка на скорость света, деленному на постоянную Больцмана; Лт7' = сопв1 3 10 ~ и К.
(12.1) Отсюда получается, что Земля, которая находится при температуре 7' 300 К, излучает с максимумом спектральной плотности на длине волны Лоа — 10 ' м (инфракрасное излучение). Солнце при температуре 7' = 6000 К имеет спектральный максимум на длине волны Л,„= 0,5 10в м (оранжевая область спектра). Таким образом, определяя спектральный максимум излучения тела, можно определить температуру равновесно излучающего тела, собственно говоря, так и была впервые определена 266 !'а.12. Структура и еоетае атмоеферы. Внешние факторы температура фотосферы Солнца.
Температура солнечной короны значительно выше, она превышает 10 К, при этом максимум излучения приходится на рентгеновский диапазон с Лт = 2 пм. Здесь полезно напомнить еще один пример равновесного теплового излучения — реликтовое излучение с максимумом на длине волны Л = 1 мм, что соответствует температуре 7' = 3 К. Предполагается, что после первоначального Большого взрыва первичного акта возникновения Вселенной, вещество отделилось от поля, и поле равновесного теплового излучения эволюционировало и остывало само по себе. Отметим, что проводя наблюдение Солнца в разных диапазонах волн, мы будем видеть фактически разные оболочки Солнца.
В рентгеновском -- корону, в оптическом фотосферу, в ульграфиолете хромосферу и фотосферу. На рис. 12.4 схематично изображен спектр Солнца от 0,1 нм до 10 м при различных условиях на Солнце. В видимом и инфракрасном диапазонах спектр излучения близок к спектру равновесного излучения абсолютно черного тела с температурой Т вЂ” 5780 К. В годы высокой солнечной активности наблюдается увеличение спектральной мощности излучения в области ультрафиолета, рентгена и радиоволн. По энергетике солнечные вспышки по отношению к полной энергии, излучаемой Солнцем, представляют собой сравнительно малые вариации (10 4 — 10 в), тем не менее, опи существенно влияют на многие процессы па Земле, в том числе на состояние биосферы, погоду и климат.
Спектральная плотность солнечного излучения на поверхности Земли отличается от спектра излучения Солнца. После прохождения через атмосферу спектр солнечного излучения существенно изменяется из-за поглощения различными атмосферными газами, до Земли доходит спектр, изрезанный линиями поглощения. Солнечные спектры во внешней атмосфере и на уровне моря приведены на рис. 12.5. Рядом с полосами поглощения отмечены поглощающие газы.
Если проинтегрировать спектральную плотность распределения энергии по всем частотам, то в результате получится, что полная (на всех частотах) излучательная способность абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени температуры: 4 /'о = сс78. Это соотношение носит название закона Стефана — Больцмана.
Отсюда излучательная способность Солнца составляет около 70 МВт с каждого м2, что сопоставимо с мощностью большой электростанции. Естественно, основная часть излучается с Вп. 1М. Сапрунтпури и еоетао атмосферы. Внешние факторы 257 1О' спекср злучения !Ои х 'в си !Оо !ООА 1мкм 100мкм !см ! м Рис. 12.4.
Солнечный спектр от 1 А до 10 м при различных условиях на Солнце Солнечная постоянная и оценка температуры Земли Солнечная постоянная Яе определяется как плотность потока энергии солнечного излучения на среднем расстоянии от Земли до Солнца (за пределами земной атмосферы). Она пропорциональна потоку излучения с единицы поверхности Солнца и отногпению радиуса Солнца к расстоянию от Зем,ви до Солнца.
Теоретические оценки, связанные с моделью черного тела, т.е. с законом Стефана-Волы!мана, дают Ье — — (1373 ~ 14) Вт/м2. Внеатмосферные измерения показали близкий результат Ье —— = (1367 ~ 6) Вт/м2. 9 В. И. Трихин и пр. поверхности фотосферы. Светимость Солнца представляет собой полную энергию, которую излучает Солнце в единицу времени. Светимость равна произведению мощности, излучаемой с единицы площади, на площадь поверхности Солнца, и составляет 1 = 3,86 1020 Вт. 208 Гл.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
