В.А. Магницкий - Общая геофизика (скан) (1119281), страница 27
Текст из файла (страница 27)
Про этом соя рэ = соя (о2 — т) = яяо т, а в соответствии с законом Снелиуса з1п у~в = и з1п у. Тогда ~э ((от~в 'т,'д () М ~Ю 60 У,' Рис. 2.П. Графики зависимости Я (1), Я~ ~ (2) и Я (3) от угла падения приходящего излуче- ния з1" ЮВ пап у 1е (~~В (о т.е., зная угол Брюстера, можно определить показатель ния среды. Интерес представляют графики для Я „, Я 1 и висимости от угла падения излучения (рис. 2.17). преломле- Я в заПри (р = 149 = Я,Р, то коэффициент отражения для неполяризованного излу- чения будет равен = лУ2 коэффициенты отражения будут иметь следующие значения: г — 1, з1п2 ~л/2 + ~) (2.37) ~1! = г =1 ф~ (л/2 + у) и полный коэффициент отражениий= (1/2) (Я +Л,~) = 1.
Рассмотрим случай, когда вэ - О. Поскольку при малых углах синусы и тангенсы можно заменить их аргументами (з1п1Р - 1ду - р), то выражение яп р = п яппи дает соотношение между углами ~р = лЖ иЖ = у/п, а из формул (2.32) и (2.33) получаем (2.38) Так как для воды п — 1,3, то из выражения (2.38) получим Я = А, — 0,02. Это очень важный результат. На рис. 2.18 приведен график изменения френелевского коэффициента отражения солнечной радиации от вод Мирового океана в зависимости от высоты Солнца (Ьо= 90 — О).
Из графика видно, что в диапазоне ЬС,-90 —:20 практически вся приходящая солнечная радиация проникает под поверхность океана и нагревает его деятельный слой. Этот факт имеет исключительно важное значение для понимания термодинамики океана и атмосферы в целом. Здесь умес- 6',% ВВ Ло,' Рис. 2.18. Изменение с высотой Солнца ЬО коэффициента отражения Я при штиле (1) и при волнении в 4 балла (2) 150 20 гп 40 60 ь ' ния в веществе, со — скорость в вакууме.
Следует указать еще на ряд оптических явлений, имеющих место в атмосфере из-за плавного изменения показателя преломления с высотой. В главе 1 отмечалось, что по одной из моделей атмосферы (изотермической) давление и, следовательно, плотность изменяются 151 тен вопрос, -насколько справедливо применение теории -отражения Френеля, полученной для отражения излучения от плоской границы двух сред, к сложной по форме поверхности океана. Безусловно, физический закон отражения будет точнр описывать процесс преломления 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 и приемник отраженного излучения зафиксирует диффузное отражение. Вычисления, проведенные по различным схемам, учитывающим диффузное отражение, показывают, что уровень отраже- у ния при этом несколько выше и составляет величину примерно б — 7%.
Для характеристики указанного процесса отражения вводится понятие альбедо взволно- Р А ванной поверхности океана А = Я + Р !Р~~, где Р рассеянная отраженная солнечная радиация, Р„р приходящая солнечная радиация, а Я вЂ” френелевская отраженная радиация. На рис. 2.19 приведены графики значений альбедо оке- Рис.
2.Ж Изменение с высотой Солнца 6О ана в зависимости от высо- альбедо океана (А). для сравнения приведеты Солнца. на кривая изменения коэффициента отраже- Остановимся на прелом- ния я ленни света при прохождении через границу вода — воздух. Самый простой закон преломления — это закон Снелиуса з1п р = и з1пЖ, где л — абсолютный показатель преломления. Для воздуха и = 1, а для воды п„- 1,3. По Максвеллу, п = со/т, где о — скорость распространения излуче- по барометрической формуле р(л) = р ехр ( — уЬ/ЯТ) . Так как по- казатель преломления есть функция от плотности и — 1 = ср, где с — постоянная, то получаем 1 дЬ и — 1=ср ехр(— о (2.39) ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИЗМЕНЕНИЯ РАДИАЦИОННОГО ТЕПЛООБМЕНА ЗЕМЛИ, ВБ1ЗБ1ВАЕМОГО ЕС ТЕС ТВЕННБ1МИ И АНТРОПОГЕННЫМИ ФАКТОРАМИ Основополагающим параметром термодинамического состояния системы океан — атмосфера является температура поверхности Земли.
Среднеглобальная температура земной поверхности определяется балансом между поглощением солнечной радиации и потоком собственного излучения Земли в космос Ф„„е = Ф„,„е . Исходя из закона Ламберта, первый из указанных потоков запишется в виде (см. рис. 2.4) где Ло — яркость Солнца, ЛБ иЛ5е — площади меридиональ- ных сечений Солнца и Земли соответственно, 1 е — расстояние между Солнцем и Землей, А — альбедо Земли, Ло — радиус Солнца. 152 откуда следует, что показатель преломления плавно по экспоненте убывает с высотой. Это вызывает атмосферную рефракцию, приводящую к тому, что у горизонта Солнце и Луна кажутся сплющенными в вертикальном направлении.
Атмосферная рефракция также может привести к миражу в случае инверсионного распределения температуры в атмосфере. В пустыне мираж создает впечатление водной поверхности. Преломлением света объясняются радуга и гало. Гало — это появление системы светлых колец вокруг Солнца и Луны как результат преломления и отражения света при прохождении через ледяные перистые 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 оболочек Земли. В наше время все чаще высказываются опасения глобального потепления климата Земли. Этот процесс объясняется быстрым накоплением в атмосфере ПГ. Он вызван в основном промышленной и сельскохозяйственной деятельностью человека. Надо отметить, что накопление некоторых ПГ, например метана, происходит естественным путем в результате процессов, имеющих место на обширных территориях нефтяных болот в тундре.
Между тем главным виновником потепления атмосферы считается двуокись углерода СО~. С тех пор как началась промышленная революция (конец прошлого столетия), концентрация двуокиси углерода в атмосфере увеличилась на 25/, метана — на 100/, помимо этого появились технологические газы, такие, как различные хлорфторуглероды. Никто теперь не отрицает потепления климата на 1,5-2'С. Все это наносит 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 затоплением огромных территорий густонаселенных прибрежных районов на Земле. Во-вторых, повышение температуры подстилающей поверхности и значительное охлаждение стратосферы.
И, наконец, летние засухи в континентальных районах и увеличение количества осадков в высоких широтах. Все указанные факторы могут привести к деградации экосистемы Земли. Кроме потепления атмосферы, некоторые из ПГ, такие, как фторхлоруглероды, 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 морской аэрозоль, вулканический пепел, частицы пыли и дыма. Последние могут быть результатом техногенного загрязнения атмосферы. Физические и химические характеристики атмосферного аэрозоля имеют широкий спектр значений, а их пространственно-временное раси Рею~ление непостоянно. Все это приводит к значительным трудностям при учете аэрозольного фактора в интересах задач климатологии.
На основании вышеизлож~ ного можно заключить, что изменение состояния экосистемы Земли со всеми сложными аспектами взаимосвязанных физических, химических и биоло ических процессов в конечном счете определяется изменением альбедо и, следовательно, изменением поступающей в термодинамическую систему океан — атмосфера солнечной радиации.
155 ГЛАВА 3 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОКЕАНА И АТМОСФЕРБ1 (ТЕПЛОМАССООБМЕН) Океан и атмосфера, представляющие собой водную и воздушную оболочки Земли, постоянно обмениваются энергией между собой и с 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 время принято в океанологии и метеорологии.
Тем самым еще тогда был поставлен вопрос об океане и атмосфере как единой термодинамической системе. Стационарность климата нашей планеты определяется работой термодинамической системы океан-атмосфера. Необходимое для производства указанной работы тепло поступает в систему в результате поглощения приходящей солнечной радиации, а отработанное тепло выбрасывается в космос длинноволновым излучением атмосферы и океана. Плотность потока солнечной радиации на верхней границе атмосферы (солнечная постоянная), как указывалось выше, равна Р.
= = 1,4 кВт/м2. Поскольку поток солнечной радиации пересекает диск Земли, площадь которого в четыре раза меньше ее поверхности, то средняя плотность по всей поверхности земного шара будет равна (Р) = 350 Вт/м~. Часть указанной радиации из-за отражения и обратного рассеяния от облаков, атмосферы, океана и суши уйдет в космос и практически не будет влиять на тепловое состояние атмосферы и океана.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
