В.А. Магницкий - Общая геофизика (скан) (1119281), страница 23
Текст из файла (страница 23)
Только так и можно трактовать учение о ноосфере". Из вышеизложенного можно заключить, что приоритетным направлением в физике атмосферы является изучение изменения параметров, определяющих глобальное термодинамическое состояние атмосферы и ее эволюцию под воздействием живой материи. ГЛАВА 2 РАДИАЦИОННЫИ ТЕПЛООБМЕН МЕЖДУ СОЛНЦЕМ, ЗЕМЛЕЙ И КОСМОСОМ Климат нашей планеты определяется работой термодинамической системы океан-атмосфера-~ппосфера. Тепло, необходимое 124 для производства указанной работы, поступает в систему в результате поглощения приходящей солнечной радиации, а отработанное тепло выбрасывается инфракрасным излучением Земли в Космос. Таким образом, основным источником тепла для всех термодинамических процессов на Земле является Солнце с температурой поверхности 6000 К, а стоком служит окружающее космическое пространство с характерной температурой реликтового излучения примерно 3 К, Наличие у Земли источника и стока тепла с постоянными температурами и двух жидких оболочек — океана и атмосферы, обладающих уникальными оптическими и теплофизическими свойствами, приводит к самоорганизации пространственно-временных термодинамических структур в атмосфере и океане, которые формируют климат и погоду Земли.
Поступающий на Землю радиационный поток энергии есть энергия электромагнитного излучения Солнца, распространяющаяся по всем направлениям космического пространства со скоростью 3 10 м/с. Для описания переноса излучения в радиометрии введены следующие энергетические величины: Взаимосвязь между приведенными радиометрическими величинами описывается законом Ламберта, Этот закон получен экспериментально. Схема опыта Ламберта дана на рис. 2.1, где Ля — элементарный излучатель, представляющий собой металлическую пластинку, лежащую в центре воображаемого круга и служащую основанием полусферы с радиусом Я, Приемник излучения с поверхностью Лк~ (например, термоэлемент) лежит на сфере и, следовательно, всегда ортогонален к направлению потока излучения.
Предполагается, что линейные размеры площадок малы по сравнению с расстоянием между ними. Через О и ~р соответственно обозначены зенитный и азимутальный углы. 125 Рис. 2.1. Геометрия опыта Ламберта в полярных координатах Опыт показывает, что изменения Ля1, Ая2, Я и О приводят к выражению ~2 Л2Ф = ВЫ сов Π— =ВЫ сов ОЛЙ, Я~ (2.1) Л Р = — = В сов О ЛЙ. Ля Суммируя все ЬР по полусфере, найдем полную плотность потока излучения: Р= В созОЛЙ. 126 ще ЛЙ = Ая2/Я вЂ” телесный угол. Знак Л2 указывает на то, что справа стоят две малые величины. Следует особо отметить, что зависимость мощности излучения в направлении О от сов О можно получить только из опыта.
К сожалению, в литературе встречаются случаи, когда закон Ламберта пытаются обьяснить, исходя из простых геометрических соображений. Закон Ламберта справедлив только для так называемых черных тел, у которых яркость не зависит от направления. Интенсивность излучения в направлении О, приходящегося на единичный телесный угол в соответствии с законом Ламберта, будет равна Из рис. 2Л видно, что элементарная площадь на поверхности сферы равна Ля2 = (Я в1п О Лу) (Я ЛО). Тогда телесный угол будет АЙ = Ь|2/Я = з1п О ЛО фр.
Теперь, переходя к полярным коорди- г натам, получим 2ж л'/2 Р- В сов О з1п О ~Ю йр = 2л Ви с~~и = лВ, -(2.2) о о где,и =сов(=). Полученное выражение связывает интенсивность с яркостью излучения так называемых ламбертовских, или черных, тел. ИЗЛУЧЕНИЕ АБСОЛЮТНО ЧЕРНОГО ТЕЛА Абсолютно черное тело (АЧТ) по определению является идеальным поглотителем излучения. Оно поглощает все падающее на него излучение независимо от длины волны и направления. Таких тел в природе нет.
Однако существуют реальные тела, поглощающие до 99 / приходящей радиации, например толстый слой сажи, черная бархатная ткань и др. Моделью АЧТ может служить отверстие А в полости, у которой стенки имеют одинаковую температуру (рис. 2.2). Луч, попав в полость через отверстие А, очевидно, обратно не выйдет, так как будет там /! Ф,,г 1 поглощен. Черное тело получило такое название именно потому, что оно не отража- ч ет излучение. Однако одно и то же тело в разном диапазоне длин волн может по-раз- ~,,! ному поглощать излучение.
Так, белая краска хорошо отражает свет в видимой облас- Рис. 2.2. модель черно о ти и является черным телом для ИК-излу- тела чения. Черное тело является также идеальным излучателем тепла. Поместим черное тело в замкнутую полость черного цвета. Через некоторое время оба тела будут иметь одинаковую температуру. При этом черное тело будет поглощать всю падающую радиацию и, следовательно, должно столько же излучать обратно. Теперь, если вместо черного тела поместить реальное тело, оно будет поглощать меньшую долю радиации и, следовательно, должно будет излучать меньшее количество энергии. Таким образом, черное тело поглощает и испускает максимум радиации.
127 ЗАКОН ИЗЛУЧЕНИЯ ЧЕРНОГО ТЕЛА Излучение черного тела и его спектральное распределение были тщательно экспериментально изучены в конце прошлого столетия. Однако только в 1900 г. М.Планку на основании новых представлений о квантовой природе света (е = Й ) удалось найти аналитическое выражение для спектрального распределения интенсивности излучения черного тела: (2.3) е„(А Т)— Здесь С = 2к Ьс2 и С = Ьс, И, где Ь вЂ” постоянная Планка, й — постоянная Больцмана и с0 — скорость света в вакууме.
Для расчетов приняты следующие значения этих постоянных: С1 = 3,7. 10-1бВт.м'иС2= 1,4 1О-~м.К(в СИ). На рис. 2.3 приведены спектры излучения черного тела при температуре б000 и 5700 К, вычисленные по уравнению Планка, а также полученный из наблюдений спектр Солнца (сплошная кривая). Как видно из рисунка, спектр Солнца можно аппроксими- -~ го ° ч 15 128 4г ц( Ов аВ ~,а гг ~(, ~Е ~В йлина волны, мки Рис. 2.3.
Наблюдаемый солнечный спектр (сплошная линия) и спектральная интенсивность излучения черного тела при температуре 6000 и 5700 К (пунктирные линии) ровать спектром излучения черного тела при температуре 6000 К. Это дает основание считать Солнце черным телом. Из уравнения Планка вытекают еще две закономерности. С увеличением температуры максимум планковской кривой смещается влево к более коротким волнам. Эту связь можно получить аналитически путем дифференцирования уравнения (2.3) по длине волны Х и решения трансцедентного уравнения, что приводит к выражению ~шах~ СЗ' (2.4) где А „— длина волны, соответствующая максимуму плотности излучения, а постоянная С = 2,89 10 з м*К. Это закон смещения Вина.
К примеру, воспользуемся этим законом для расчета температуры Солнца. Так как для Солнца максимум излучения приходится на Я „= 0,5 мкм, то Т = 2,89 ° 10 ~ м ° К/0,5 мкм = 5800 К. Полученное значение хорошо совпадает с поверхностной температурой Солнца, Следующая закономерность, вытекающая из уравнения (2.3),— это закон Стефана-Больцмана. Интегрируя спектральную плотность излучения черного тела по всем длинам волн, можно по- лучить ~„я, Т) ая = ~Т4, (2.5) где ст = 5,б 10 8 Вт/(м~ К4) — постоянная Стефана-Больцмана. ПОГЛОЩЕНИЕ И ИЗЛУЧЕНИЕ ЭНЕРГИИ (2.6) а1 + г~ + т = 1.
Для абсолютно черного тела г~ — — т~ — — 0 и а1 = 1. Не всякое вещество полностью поглощает излучение. При прохождении излучения через вещество, кроме поглощения, будут иметь место процессы отражения и пропускания. Отношение поглощенной радиации к падающей для определенной длины волны а~ — — Р„„ /Р„называется монохроматической поглощательной способностью, а отношение отраженного излучения к падающему— монохроматическим коэффициентом отражения г~ Р0 р/Р д Аналогично отношение пропущенного излучения к падающему называется монохроматическим коэффициентом пропускания т, Рдр/Р д.
Приведенные величины связаны законом сохранения ЗАКОН КИРХГОФА Исходя из законов термодинамики, Кирхгоф показал, что между излучательной и поглощательной способностями различных тел существует связь, состоящая в следующем. Для любого тела интенсивность монохроматического теплового излучения е~Я, Т) с длиной волны Л и температурой Т равна интенсивности излучения АЧТ е„Я, Т) для той же длины волны и температуры, умноженной на поглощательную способность "нечерного" тела аЯ, Т): еЯ, Т) = аЯ, Т) е„(Я, Т), (2.7) т.е. отношение еЯ, Т)/а(Я, Т) зависит не от свойства вещества, а только от температуры и длины волны. ИЗЛУЧЕНИЕ СОЛНЦА 130 Спектры излучения Солнца, полученные из прямых наблюдений, показывают, что солнечное излучение есть излучение черного тела (см.
рис. 2.3). Природа радиации Солнца определяется его строением и происходящими в нем процессами. Рассмотрим в общих чертах основные радиационные характеристики Солнца. Солнце — это газовый шар, вещество которого удерживается силами гравитационного притяжения. Диаметр Солнца 1,4 109 м, масса т = 2 10 кг (знак Π— астрономическое обозначение Солнзо о ца, Ю вЂ” Земли), температура поверхности б000 К. Звездный газ в основном состоит из водорода (до 75%) и гелия, а также в нем содержатся следы более тяжелых элементов (неона, углерода, кислорода).
В прошлом считалось, что расход энергии на излучение пополняется за счет высвобождения энергии сжатия. Однако на такой механизм генерации излучения энергии хватило бы примерно на 20. 106 лет, тогда как возраст Солнца 5. 109 лет. Солнце своим происхождением действительно обязано сжатию громадного газового облака, однако после сжатия, когда температура облака достигла (10 †: 15) .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
