В.А. Магницкий - Общая геофизика (1119278), страница 27
Текст из файла (страница 27)
Безусловно, физический закон отражения будет точнр описывать процесспреломления и отражения излучения для падающего и отраженного луча. Однако из-за волнения и ряби на поверхности океана углы падения будут во времени изменяться случайным образом иприемник отраженного излучения зафиксирует диффузное отражение.Вычисления,проведенA.R.°/oные по различным схемам, учитывающим диффузное отражение, показывают, что уровень отражения при этом нескольковыше и составляет величину примерно 6-7% . Дляхарактеристики указанногопроцесса отражения вводится понятие альбедо взволнованной поверхности океанаА = Л + Р р/ Р пр, где Рр —рассеянная отраженная солнечная радиация, Рпр —приходящая солнечная радиация, a R — френелевская отраженная радиация.На рис.
2.19 приведены графики значений альбедо океРис. 2.19. Изменение с высотой Солнца /iqана в зависимости от высоальбедо океана (Л). Для сравнения приведеты Солнца.на кривая изменения коэффициента отражеОстановимся на прелом ния Rлении света при прохождении через границу вода—воздух. Самый простой закон преломления — это закон Снелиуса sin у? = n sinX, где п — абсолютный показатель преломления. Для воздуха n = 1, а для воды n w ~ 1,3.По Максвеллу, п = с0/г>, где v — скорость распространения излучения в веществе, с0 — скорость в вакууме.Следует указать еще на ряд оптических явлений, имеющих место в атмосфере из-за плавного изменения показателя преломленияс высотой. В главе I отмечалось, что по одной из моделей атмосферы(изотермической) давление и, следовательно, плотность изменяютсяпо барометрической формуле p{z) = р 0 exp ( —g h f RT) .
Так как показатель преломления есть функция от плотности п — 1 = сру гдес — постоянная, то получаемп - 1 = с р 0 ехр(2.39)откуда следует, что показатель преломления плавно по экспонентеубывает с высотой. Это вызывает атмосферную рефракцию, приводящую к тому, что у горизонта Солнце и Луна кажутся сплющеннымив вертикальном направлении. Атмосферная рефракция также можетпривести к миражу в случае инверсионного распределения температуры в атмосфере. В пустыне мираж создает впечатление воднойповерхности.Преломлением света объясняются радуга и гало.
Гало — это появление системы светлых колец вокруг Солнца и Луны как результатпреломления и отражения света при прохождении через ледяныеперистые облака.В заключение следует отметить, что особо важными оптическими атмосферными процессами являются поглощение и рассеяние,определяющие интенсивность переноса солнечной и длинноволновой (ИК) радиации в атмосфере и ее радиационный обмен с космосом и подстилающей поверхностью.
Эти процессы в основном определяют термодинамическое состояние воздушной и водной оболочекЗемли.ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИЗМЕНЕНИЯРАДИАЦИОННОГО ТЕПЛООБМЕНА ЗЕМЛИ,ВЫЗЫВАЕМОГО ЕСТЕСТВЕННЫМИИ АНТРОПОГЕННЫМИ ФАКТОРАМИОсновополагающим параметром термодинамического состояниясистемы океан—атмосфера является температура поверхности Земли. Среднеглобальная температура земной поверхности определяетсябалансом между поглощением солнечной радиации и потоком собственного излучения Земли в космос (Фпад ф = Фисх •Исходя из закона Ламберта, первый из указанных потоков запишется в виде (см. рис.
2.4)* 4 ©= Bc£ S 0- r - 0- л ) = ЛВ0 Д 5ф“о®гдеBq—яркость Солнца,A S q и А £ф —площади меридиональных сечений Солнца и Земли соответственно, d qq — расстояниемежду Солнцем и Землей, А — альбедо Земли, R q — радиус Солнца.Поскольку плотность потока и яркость связаны соотношением= л В 0 = ct7 q, a AS q ==то выражение для поглощенного Землейпотока солнечной радиации примет вид*«0 = ^ 0R1-Л\/В свою очередь поток земного излучения в космос равенФИ0 = ^ 0 5пов® = 4Д50а 7 0(здесь учтено, что интенсивность излучения Земли Лв = а7ф, а площадь земной поверхности равна 5повф = 4А5ф). Приравнивая полученные выражения для потоков, легко определить радиационнуютемпературу Земли:(2.40)В выражении (2.40) все параметры, за исключением альбедо Земли А, постоянные. Что касается альбедо, то оно зависит от оптических характеристик среды (е = ж + а). Выше было показано, чтопроцессы поглощения и рассеяния в атмосфере определяются ее газовым составом (рис. 2.20) и аэрозолями (частицами сажи, пыли, воды,соли и др.), а в океане — наличием растворенных веществ (органических и неорганических) и взвесей (минеральных и органических),а также наличием на поверхности океана поверхностно активныхвеществ (ПАВ).Расчеты температуры подстилающей поверхности Земли (океанаи суши), проведенные по формуле (2.40) при принятом в настоящеевремя значении альбедо Земли, равном примерно 0,35, показали, чтоона близка к Тф — 250 К.
Однако средняя температура подстилающейповерхности Земли примерно на 40 К выше рассчитанной по формуле (2.40) и равна 288 К.Повышенное значение температуры у поверхности Земли — результат так называемого “парникового’’эффекта, состоящего в следующем. Атмосфера практически прозрачна в видимом участке солнечного спектра. В результате приходящая солнечная радиация с малыми потерями достигает подстилающей поверхности и нагревает ее.Что касается переноса теплового (ИК) излучения земной поверхности через атмосферу в космос, то здесь из-за наличия в атмосфере оптически активных газов (водяного пара, двуокиси углерода,озона, метана, окиси азота и хлорфторуглеродов) основная доля этогох>ис.
2.20. Спектры поглощения Н 20 , С 0 2, 0 2 и 0 3, N20 , СН4 и спектр поглощенияатмосферыизлучения будет поглощена атмосферой. И только меньшая ее частьуйдет в космос через “окно прозрачности” атмосферы (в диапазонеДА —8—12 мкм), причем только в случае, если этому не будут препятствовать облака.Помимо указанного, следует отметить, что с понижением высотыдавление в атмосфере увеличивается, и это приводит к увеличениюпоглощения излучения.Все эти факторы приводят к тому, что общий эффект переносаизлучения Земли таков, каким он был бы при излучении толькоиз слоев атмосферы, расположенных на высоте примерно 5,5 км, гдетемпература приблизительно равна 250 К.В этом и состоит сущность “парникового” эффекта, приводящегок повышению температуры в нижней атмосфере (аналогичные эффекты наблюдаются на всех планетах, имеющих атмосферу с газами, поглощающими длинноволновое излучение).
Эффект потеплениянижней атмосферы был назван “парниковым” по аналогии с механизмом действия парника, где стекла пропускают видимый свет изадерживают обратное тепловое излучение, что приводит к нагревувоздуха внутри парника. Малые газы, приводящие к этому эффекту,часто называют “парниковыми’’газами (ПГ).В наше время все чаще высказываются опасения глобальногопотепления климата Земли. Этот процесс объясняется быстрым накоплением в атмосфере ПГ. Он вызван в основном промышленнойи сельскохозяйственной деятельностью человека.
Надо отметить, чтонакопление некоторых ПГ, например метана, происходит естественным путем в результате процессов, имеющих место на обширныхтерриториях нефтяных болот в тундре.Между тем главным виновником потепления атмосферы считается двуокись углерода С 02. С тех пор как началась промышленнаяреволюция (конец прошлого столетия), концентрация двуокиси углерода в атмосфере увеличилась на 25%, метана — на 100%, помимоэтого появились технологические газы, такие, как различные хлорфторуглероды.Никто теперь не отрицает потепления климата на 1,5-2°С.
Все этонаносит необратимый ущерб геосфере, атмосфере и биосфере. Прогноз катастрофических последствий феномена глобального потепления планеты показывает, что наиболее опасные из них следующие.Во-первых, повышение уровня Мирового океана, происходящее в основном из-за объемного расширения воды, что грозит затоплениемогромных территорий густонаселенных прибрежных районов на Земле. Во-вторых, повышение температуры подстилающей поверхностии значительное охлаждение стратосферы. И, наконец, летние засухив континентальных районах и увеличение количества осадков в высоких широтах. Все указанные факторы могут привести к деградацииэкосистемы Земли.Кроме потепления атмосферы, некоторые из ПГ, такие, как фторхлору глероды, вызывают разрушение слоя озона в верхней атмосфере, что грозит полным уничтожением озонного экрана, защищающего все живое от губительных ультрафиолетовых лучей.На радиационные свойства атмосферы помимо ПГ влияют аэрозоли естественного и антропогенного происхождения.
Это морскойаэрозоль, вулканический пепел, частицы пыли и дыма. Последниемогут быть результатом техногенного загрязнения атмосферы. Физические и химические характеристики атмосферного аэрозоля имеют широкий спектр значений, а их пространственно-временное распределение непостоянно. Все это приводит к значительным трудностям при учете аэрозольного фактора в интересах задач климатологии.На основании вышеизложенного можно заключить, что изменениесостояния экосистемы Земли со всеми сложными аспектами взаимосвязанных физических, химических и биологических процессов вконечном счете определяется изменением альбедо и, следовательно,изменением поступающей в термодинамическую систему океан—атмосфера солнечной радиации.ГЛАВА 3ВЗАИ М О ДЕЙ СТВИ Е ОКЕАНА И АТМ ОСФ ЕРЫ(ТЕПЛОМ АССООБМЕН)Океан и атмосфера, представляющие собой водную и воздушнуюоболочки Земли, постоянно обмениваются энергией между собой ис космосом.Академик В.В.
Шулейкин еще в 1927 г. впервые обратил внимание ученых на то, что океан и атмосферу следует изучать во взаимодействии, а не в отрыве друг от друга, как это было в то времяпринято в океанологии и метеорологии. Тем самым еще тоща былпоставлен вопрос об океане и атмосфере как единой термодинамической системе.Стационарность климата нашей планеты определяется работойтермодинамической системы океан-атмосфера. Необходимое дляпроизводства указанной работы тепло поступает в систему в результате поглощения приходящей солнечной радиации, а отработанноетепло выбрасывается в космос длинноволновым излучением атмосферы и океана.Плотность потока солнечной радиации на верхней границе атмосферы (солнечная постоянная), как указывалось выше, равна P q^= 1,4 кВт/м2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
