Изменения солнечной радиации в атмосфере и на земной поверхности. Изменение солнечной радиации при прохождении через атмосферу

Страница 15 из 81

Изменения солнечной радиации в атмосфере и на земной поверхности

Около 30% падающей на Землю прямой солнечной радиации отражается назад в космическое пространство. Остальные 70% поступают в атмосферу. Проходя сквозь атмосферу, солнечная радиация частично рассеивается атмосферными газами и аэрозолями и переходит в особую форму рассеянной радиации. Частично прямая солнечная радиация поглощается атмосферными газами и примесями и переходит в теплоту, т.е. идет на нагревание атмосферы.

Нерассеянная и непоглощенная в атмосфере прямая солнечная радиация достигает земной поверхности. Небольшая ее доля отражается от нее, а большая часть радиации поглощается земной поверхностью, в результате чего земная поверхность нагревается. Часть рассеянной радиации также достигает земной поверхности, частично от нее отражается и частично ею поглощается. Другая часть рассеянной радиации уходит вверх, в межпланетное пространство.

В результате поглощения и рассеяния радиации в атмосфере прямая радиация, дошедшая до земной поверхности, отличается от той, которая пришла на границу атмосферы. Поток солнечной радиации уменьшается, и спектральный состав ее изменяется, так как лучи разных длин волн поглощаются и рассеиваются в атмосфере по-разному.

В лучшем случае, т.е. при наиболее высоком стоянии Солнца и при достаточной чистоте воздуха, можно наблюдать на поверхности Земли поток прямой радиации около 1,05 кВт/м 2 . В горах на высотах 4–5 км наблюдались потоки радиации до 1,2 кВт/м 2 и более. По мере приближения Солнца к горизонту и увеличения толщи воздуха, проходимой солнечными лучами, поток прямой радиации все более убывает.

В атмосфере поглощается около 23% прямой солнечной радиации. Причем поглощение это избирательное: разные газы поглощают радиацию в разных участках спектра и в разной степени.

Азот поглощает радиацию только очень малых длин волн в ультрафиолетовой части спектра. Энергия солнечной радиации в этом участке спектра совершенно ничтожна, поэтому поглощение азотом практически не отражается на потоке солнечной радиации. В несколько большей степени, но все же очень мало поглощает солнечную радиацию кислород – в двух узких участках видимой части спектра и в ультрафиолетовой его части.

Более сильным поглотителем солнечной радиации является озон. Он поглощает ультрафиоле-товую и видимую солнечную радиацию. Несмотря на то, что его содержание в воздухе очень мало, он настолько сильно поглощает ультрафиолетовую радиацию в верхних слоях атмосферы, что в солнечном спектре у земной поверхности волны короче 0,29 мкм вообще не наблюдаются. Общее поглощение солнечной радиации озоном достигает 3% прямой солнечной радиации.

Сильно поглощает радиацию в инфракрасной области спектра диоксид углерода (углекислый газ), но его содержание в атмосфере пока мало, поэтому поглощение им прямой солнечной радиации в общем невелико. Из газов основным поглотителем радиации в атмосфере является водяной пар, сосредоточенный в тропосфере и особенно в нижней ее части. Из общего потока солнечной радиации водяной пар поглощает радиацию в интервалах длин волн, находящихся в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. Поглощают солнечную радиацию также облака и атмосферные примеси, т.е. аэрозольные частицы, взвешенные в атмосфере. В целом на поглощение водяным паром и на аэрозольное поглощение приходится около 15%, а 5% поглощаются облаками.

В каждом отдельном месте поглощение изменяется с течением времени в зависимости как от переменного содержания в воздухе поглощающих субстанций, главным образом водяного пара, облаков и пыли, так и от высоты Солнца над горизонтом, т.е. от толщины слоя воздуха, проходимого лучами на пути к Земле.

Прямая солнечная радиация на пути сквозь атмосферу ослабляется не только поглощением, но и путем рассеяния, причем ослабляется более значительно. Рассеяние – это фундаментальное физическое явление взаимодействия света с веществом. Оно может происходить на всех длинах волн электромагнитного спектра в зависимости от отношения размера рассеивающих частиц к длине волны падающего излучения, При рассеянии частица, находящаяся на пути распростра-нения электромагнитной волны, непрерывно «извлекает» энергию из падающей волны и переизлучает ее по всем направлениям. Таким образом, частицу можно рассматривать как точечный источник рассеянной энергии. Рассеянием называется преобразование части прямой солнечной радиации, которая до рассеяния распространяется в виде параллельных лучей в определенном направлении, в радиацию, идущую по всем направлениям. Рассеяние происходит в оптически неоднородном атмосферном воздухе, содержащем мельчайшие частицы жидких и твердых примесей – капли, кристаллы, мельчайшие аэрозоли, т.е. в среде, где показатель преломления изменяется от точки к точке. Но оптически неоднородной средой является и чистый, свободный от примесей воздух, так как в нем вследствие теплового движения молекул постоянно возникают сгущения и разрежения, колебания плотности. Встречаясь с молекулами и примесями в атмосфере, солнечные лучи теряют прямолинейное направление распространения, рассеиваются. Радиация распространяется от рассеивающих частиц таким образом, как если бы они сами были излучателями.

По законам рассеивания, в частности, по закону Релея, спектральный состав рассеянной радиации отличается от спектрального состава прямой. Закон Релея гласит, что рассеивание лучей обратно пропорционально 4-й степени длины волны:

S ? = 32? 3 (m -1) / 3n? 4

где S ? – коэфф. рассеивания; m – коэффициент преломления в газе; n – число молекул в единице объема; ? – длина волны.

Около 26% энергии общего потока солнечной радиации превращается в атмосфере в рассеянную радиацию. Около 2/3 рассеянной радиации приходит затем к земной поверхности. Но это будет уже особый вид радиации, существенно отличный от прямой радиации. Во-первых, рассеянная радиация приходит к земной поверхности не от солнечного диска, а от всего небесного свода. Поэтому необходимо измерять ее поток на горизонтальную поверхность. Она также измеряется в Вт/м 2 (или кВт/м 2).

Во-вторых, рассеянная радиация отлична от прямой по спектральному составу, так как лучи различных длин волн рассеиваются в разной степени. В спектре рассеянной радиации соотноше-ние энергии разных длин волн по сравнению со спектром прямой радиации изменено в пользу более коротковолновых лучей. Чем меньше размеры рассеивающих частиц, тем сильнее рассеиваются коротковолновые лучи в сравнении с длинноволновыми.

Проходя сквозь атмосферу, солнечная радиация частично рассеивается атмосферными газами и аэрозольными примесями к воздуху и переходит в особую форму рассеянной радиации. Частично же она поглощается молекулами атмосферных газов и примесями к воздуху и переходит в теплоту,идет на нагревание атмосферы.

Нерассеянная и непоглощенная в атмосфере прямая солнечная радиация достигает земной поверхности. Она частично отражается от земной поверхности, а в большей степени поглощается ею и нагревает ее. Часть рассеянной радиации также достигает земной поверхности, частично от нее отражается и частично ею поглощается. Другая часть рассеянной радиации уходит вверх, в межпланетное пространство. В результате поглощения и рассеяния радиации в атмосфере прямая радиация, дошедшая до земной поверхности, изменена в сравнении с тем, что было на границе атмосферы. Интенсивность радиации уменьшается, а спектральный состав ее изменяется,так как лучи разных длин волн поглощаются и рассеиваются в атмосфере по-разному (рис. 6).

Рис. 6. Распределение лучистой энергии в спектре солнечной радиации на границе атмосферы

(верхняя кривая) и у земной поверхности (нижняя кривая) при высоте солнца 35°

Интенсивность радиации дана в 10-3 кал/(см2·мин)для интервала длин волн 0,01 мк.

При наиболее высоком стоянии солнца и при достаточной чистоте воздуха можно измерить на уровне моря интенсивность прямой радиации около 1,5 кал/(см2·мин)В горах, на высотах порядка 4-5 км,наблюдалась интенсивность до 1,7 кал/(см2·мин)и более. По мере приближения солнца к горизонту и увеличения толщи воздуха, проходимой солнечными лучами, интенсивность прямой радиации все более убывает.

В атмосфере поглощается сравнительно небольшое количество солнечной радиации, при этом главным образом в инфракрасной части спектра. Это поглощение – избирательное: разные газы поглощают радиацию в разных участках спектра и в разной степени.

Поглощенная радиация – часть суммарной радиации, которая поглощается земной поверхностью и идет на нагревание верхних слоев почвы и воды.

Азот поглощает радиацию только очень малых длин волн в ультрафиолетовой части спектра. Энергия солнечной радиации в этом участке спектра совершенно ничтожна, и потому погло­щение азотом практически не отражается на интенсивности солнечной радиации. В большей степени, но все же очень мало по­глощает солнечную радиацию кислород – в двух узких участках видимой части спектра и в ультрафиолетовой его части. Более сильным поглотителем солнечной радиации является озон . Его содержание в воздухе, даже в стратосфере, очень мало; тем не менее он настолько сильно поглощает ультрафиолетовую радиацию, что из солнечной постоянной теряется несколько процентов. В результате поглощения в верхних слоях атмосферы в солнечном спектре у земной поверхности не наблюдаются волны короче0,29 мк.

Сильно поглощает радиацию в инфракрасной области спектра углекислый газ ;но его содержание в атмосфере ничтожно, и поэтому поглощение им в общем незначительно. Основным же поглотителем радиации в атмосфере является водяной пар,сосредоточивающийся в тропосфере и особенно в нижней ее части. Из общего состава солнечной радиации водяной пар поглощает значительную долю в инфракрасной области спектра. Хорошо поглощают солнечную радиацию также атмосферные аэрозоли,т.е. облака и твердые частички, взвешенные в атмосфере.

В целом в атмосфере поглощается 15 – 20% радиации, приходящей от Солнца к Земле. В каждом отдельном месте поглощение меняется с течением времени в зависимости как от переменного содержания в воздухе поглощающих субстанций, главным образом водяного пара, облаков и пыли, так и от высоты солнца над горизонтом, т.е. от толщины слоя воздуха, проходимого лучами на пути сквозь атмосферу.

Кроме поглощения прямая солнечная радиация на пути сквозь атмосферу ослабляется еще путем рассеяния, причем ослабляется более значительно. При этом рассеяние радиации тем больше, чем больше содержит воздух аэрозольных примесей.

Рассеянием радиации называется частичное преобразование радиации, имеющей определенное направление распространения (а такой именно и является прямая солнечная радиация, распространяю­щаяся в виде параллельных лучей), в радиацию, идущую по всем направлениям. Рассеяние происходит в оптически неоднородной среде, т.е. в среде, где показатель преломления меняется от точки к точке. Такой оптически неоднородной средой является атмосферный воздух, содержащий мельчайшие частички жидких и твердых примесей – капельки, кристаллы, ядра конденсации, пылинки. Но оптически неоднородной средой является и чистый,свободный от примесей воздух, так как в нем вследствие теплового движения молекул постоянно возникают сгущения и разрежения, колебания плотности. Таким образом, встречаясь с молекулами и посторонними частичками в атмосфере, солнечные лучи теряют прямолинейное направление распространения, рассеиваются. Радиация распространяется от рассеивающих частичек таким образом, как если бы они сами были источниками ра­диации.

Около 25% энергии общего потока солнечной радиации превращается в атмосфере в рассеянную радиацию. Правда, значительная доля рассеянной радиации (2/3 ее) также приходит к земной поверхности. Но это будет уже особый вид радиации, существенно отличный от прямой радиации.

Во-первых, рассеянная радиация приходит к земной поверхности не от солнечного диска, а от всего небесного свода. Поэтому приходится измерять ее приток на горизонтальную поверхность. Интенсивностью рассеянной радиациимы будем называть ее приток в калориях на один квадратный сантиметр горизонтальной поверхности в минуту.

Во-вторых, рассеянная радиация отлична от прямой по спектральному составу. Дело в том, что лучи различных длин волн рассеиваются в разной степени. Соотношение энергии лучей разных длин волн в рассеянной радиации изменено в пользу более коротковолновых лучей. При этом, чем меньше размеры рассеивающих частичек, тем сильнее рассеиваются коротковол­новые лучи в сравнении с длинноволновыми.

По закону Релея, в чистом воздухе, где рассеяние произ­водится только молекулами газов(размеры которых более чем в 10 раз меньше длин волн света), рассеяние обратно пропорцио­нально четвертой степени длины волны рассеиваемых лучей

где Iλ - интенсивность прямой радиации с длиной волны λ, iλ – интенсивность рассеянной радиации с той же длиной волны, а – коэффициент пропорциональности.

Поскольку длина крайних волн красного света почти вдвое больше длины крайних волн фиолетового света, первые лучи рассеиваются молекулами воздуха в 14 раз меньше, чем вторые. Инфракрасные же лучи будут рассеиваться в совсем ничтожной степени. Поэтому в рассеянной радиации лучи коротковолновой части видимого спектра, т.е. фиолетовые и синие, будут преобладать по энергии над оранжевыми и красными, а также и над инфракрасными лучами.

Максимум энергии в прямой солнечной радиации у земной поверхности приходится на область желто-зеленых лучей видимой части спектра. В рассеянной радиации он смещается на синиелучи.

Добавим еще, что рассеянная солнечная радиация, в отличие от прямой, является частично поляризованной. При этом степень поляризации для радиации, приходящей от разных участков небосвода, неодинакова.

Рассеяние более крупными частичками, т.е. пылинками, мельчайшими капельками и кристалликами, происходит не по закону Релея, а обратно пропорционально меньшим степеням длины волны, например второй или первой. Поэтому радиация, рассеянная крупными частичками, будет не так богата наиболее коротковолновыми лучами, как радиация, рассеянная молекулами. При частичках диаметром больше 1,2 мк будет уже не рассеяние, а диффузное отражение, при котором радиация отражается частичками, как маленькими зеркалами (по закону – угол отражения равен углу падения), без изменения спектрального состава.

Рассеяние меняет окраску прямогосолнечного света. Вследствие рассеяния особенно понижается энергия наиболее коротковолновых солнечных лучей видимой части спектра – синих и фиолетовых, поэтому «уцелевший» от рассеяния прямой солнеч­ный свет становится желтоватым. Солнечный диск кажется тем желтее, чем ближе он к горизонту, т.е. чем длиннее путь лучей через атмосферу и чем больше рассеяние. У горизонта солнце становится почти красным,особенно когда в воздухе много пыли и мельчайших продуктов конденсации (капелек или кристаллов). Точно так же и солнечный свет, отраженный облаками, рассеиваясь по пути к земной поверхности, становится беднее синими лучами. Поэтому, когда облака близки к горизонту и путь отраженных лучей света, идущих от них сквозь атмосферу к наблюдателю, велик, они приобретают вместо белой желтова­тую окраску.

Рассеяние солнечной радиации в атмосфере обусловливает рассеянный свет в дневное время. В отсутствии атмосферы на Земле было бы светло только там, куда попадали бы прямые солнечные лучи или солнечные лучи, отраженные земной поверх­ностью и предметами на ней. А вследствие рассеянного света вся атмосфера днем служит источником освещения: днем светло также и там, куда солнечные лучи непосредственно не падают, и даже тогда, когда солнце скрыто за облаками. При этом вслед­ствие большего процентного содержания синих лучей рассеянный свет белеепрямого солнечного света.

Это электромагнитное излучение Солнца, которое распространяется со скоростью 300000 км / с. ее составляющими являются видимый свет и невидимые глазом гамма-лучи, рентгеновские, ультрафиолетовые, инфракрасные лучи, радиоволны. Солнце является для Земли основным источником тепла и света.

Лучистая энергия Солнца превращается в тепло частично в самой атмосфере, но главным образом на земной поверхности. Она нагревает верхние слои почвы и воды, а от них и воздуха. Нагретая земная поверхность и нагретая атмосфера сами излучают невидимую инфракрасную радиацию в космическое пространство и охлаждаются.

Излучение Солнца, которое получает поверхность Земли, может быть разделено на прямой, рассеянный и поглощено. Это связано с его изменениями при прохождении через атмосферу.

Прямое солнечное излучение приходит к земной поверхности непосредственно от солнечного диска в виде пучка параллельных лучей. Приток прямого излучения характеризуется интенсивностью - количеством лучистой энергии, поступающей на поверхность, перпендикулярную к солнечным лучам. Интенсивность потока солнечного излучения на верхней границе атмосферы при средней расстоянии Земли от Солнца называется солнечной постоянной. По последним данным она равна 1,353 кВт / м 2.

В среднем на каждый квадратный километр земной поверхности приходится за год 4,27 · 10 16 Дж солнечного излучения.

Чтобы получить такое количество тепла искусственно, надо было бы сжечь более 400 тыс. Т каменного угля. За год земная поверхность получает от Солнца почти в 250 раз больше энергии, чем ее производят все электростанции мира. При этом солнечное излучение, достигающее Земли, составляет менее двух миллиардных процента всего излучения Солнца. Насколько значительна эта количество энергии понимаем, когда становимся свидетелями стремительного таяния снега в теплый день, быстрого испарения влаги после дождя, силы ветра во время бури или безумства морского шторма. Все эти процессы происходят под влиянием Солнца.

На пути к Земле небольшая часть солнечного излучения поглощается атмосферой. Поглощение это носит выборочный характер, потому что разные газы поглощают излучение неодинаково. Азот и кислород поглощают только ультрафиолетовые волны. Более сильным поглотителем является озон. Интенсивно поглощает излучение в инфракрасной области углекислый газ. Основным же поглотителем в атмосфере является водяной пар, сосредоточена главным образом в нижней части тропосферы. Солнечное излучение поглощают также облака и атмосферные примеси. Благодаря явлениям поглощения средняя температура воздуха составляет 14 ° С, тогда как при отсутствии атмосферы она равнялась 6-22 ° С. А это значит, что Земля превратилась бы в мертвую ледово-каменной пустыне.

В целом в атмосфере поглощается 15-20% солнечного излучения. Поглощение меняется во времени в зависимости от содержания в воздухе поглощенных субстанций (прежде всего водяного пара и пыли), а также от высоты Солнца над горизонтом, так как при этом меняется толщина воздуха, через которую проходят лучи.

Около 25% общего потока солнечного излучения при прохождении через атмосферу превращаются в рассеянный в результате его рассеивания молекулами газов и частицами аэрозольных примесей. Часть рассеянного излучения поглощается и поэтому идет на нагрев атмосферы, часть - достигает земной поверхности, часть - возвращается к межпланетного пространства.

С рассеянным излучением связаны некоторые характерные особенности атмосферы: голубой цвет неба, рассеянный свет днем, утренние и вечерние сумерки. Относительное значение рассеянного излучения растет с уменьшением роли прямого. В умеренных широтах летом рассеянное излучение составляет 41%, зимой достигает 73%. В полярных широтах основное значение имеет рассеянное излучение, а в тропических - прямое.

Сложный путь поступления и расходов радиационного тепла земной поверхностью выражается радиационным балансом - разницей между поглощенным и эффективным излучением. Под последним понимают разницу между собственным излучением земной поверхности и встречным излучением атмосферы.

Радиационный баланс земной поверхности является отрицательным ночью и позитивным днем. Годовой радиационный баланс положительный для большинства местностей планеты, за исключением ледовых поверхностей Гренландии и Антарктиды.

Больше всего тепла получают моря и океаны в тропических широтах - от 100 до 140 ккал / см 2 / год. В тех же широтах на суше радиационный баланс составляет 60 ккал / см 2 / год. Причина этой разницы заключается в разной величине альбедо: пески пустынь отражают около 35%, а вода в середине дня только 2% тепла. При этом значительно сильнее нагревается поверхность суши, потому что тепло, которое поглощается океанами и морями, расходуется преимущественно на испарение воды.

Выходы горных пород поглощают и излучают тепло быстрее, чем площади, занятые почвами и растительностью или снегом и льдом. Горные вершины, над которыми воздуха более разреженный, быстро нагреваются днем и так же быстро охлаждаются ночью. Облачный покров не пропускает излучение сверху и одновременно удерживает тепло, которое идет снизу. Поэтому сильные морозы бывают в основном в ясные тихие ночи.

ЛЕКЦИЯ №5

ИЗЛУЧЕНИЕ ОБЪЕКТОВ НА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ОСОБЕНОСТИ ЕГО РЕГИСТРАЦИИ.

План

1. Собственное излучение Земли

2. Искусственное освещение местности

3. Влияние атмосферы на регистрируемое излучение

4. Проникновение солнечного излучения в воду

Характеристики собственного излучения Земли

Известно, что Земля как планета в целом не только поглощает лучистую энергию , но и излучает ее. В соответствии с температурой Земли, которая в среднем составляет 17°С, максимум энергии земного излучения приходится на инфракрасные лучи с длинами волн около 10-12 мкм. Земное тепловое излучение, простираясь в сторону более коротких инфракрасных волн, становится слабее и при длине волны 3 мкм имеет интенсивность примерно одинаковую с инфракрасным солнечным излучением. В сторону длинных волн оно распространяется на радиодиапазон и его удается регистрировать даже на метровых радиоволнах. Уходящее излучение Земли, как и регистрируемое излучение техногенного происхождения, можно условно разделить на инфратепловое и радиотепловое.

Инфратепловое излучение. Всоответствии с физическим законом Стефана-Больцмана интенсивность теплового излучения Р земных объектов резко возрастает с повышением их абсолютной температуры Т:

Р =  Т 4

где  - фундаментальная постоянная Стефана, значение которой точно известно;  - коэффициент излучения конкретного объекта, величина которого, различная для разных длин волн, определяется экспериментально.

Таблица 1

Коэффициенты излучения некоторых объектов (инфракрасный диапазон 8-14 мкм)

При рассмотрении теплового излучения важны представления об идеальном излучателе (эталоне), за который принимается абсолютно черное тело. Среди объектов с одинаковой температурой собственное излучение идеального излучателя будет наиболее интенсивным. Поэтому если принять коэффициент излучения абсолютно черного тела при определенной длине волны равным единице, то у остальных объектов он будет меньше (табл. 1). Своеобразный характер спектральной излучательной способности у некоторых объектов открывает возможность их идентификации (рис. 1).

Рис. 1. Спектральная излучательная способность некоторых горных пород:

1 - песчаник; 2 - базальт

Зависимость интенсивности инфракрасного излучения от температуры объектов лежит в основе дистанционных методов ее определения (тепловая съемка). Однако по зарегистрированному тепловому излучению определяется так называемая радиационная температура, которая обычно ниже физической, поскольку она зависит еще и от излучательной способности объекта, и от ослабления излучения в атмосфере. Но даже в случае регистрации не абсолютных температур, а только температурных (радиационных) контрастов, возможно эффективное выделение объектов и определение их характеристик. По температурным контрастам удается выделять вулканы, течения в океане, обнаруживать зоны подземных пожаров, контролировать состояние энергетических и ирригационных систем и т. д. У многих объектов утром и вечером наблюдается явление инверсии температурных контрастов. Например, поверхностные воды ночью теплее, а днем холоднее окружающей суши; в дневные часы хвойная растительность холоднее лиственной, а в ночные - наоборот. Большое влияние на температурные контрасты оказывает влажность поверхности в связи с ее охлаждением при испарении. Так, в утренние часы хорошо выделяются холодные увлажненные участки местности. Одной из причин температурных контрастов является конвективный тепловой поток из недр Земли, который нередко связан с тектоническими нарушениями.

Радиотепловое излучение. Как уже отмечалось, нагретые объекты излучают энергию и в радиодиапазоне, хотя радиотепловое излучение по интенсивности значительно уступает тепловому излучению в инфракрасном диапазоне. Радиотепловое излучение, как и инфратепловое, формируется поверхностным излучательным слоем, так называемым скин-слоем, толщина которого тем больше , чем длиннее волна излучения. Интенсивность радиотеплового излучения характеризуется так называемой радиояркостной температурой Т я - произведением абсолютной температуры и коэффициента излучения. Величина коэффициента излучения в радиодиапазоне значительно варьирует в зависимости от электрических свойств (а значит, от влажности и солености), кристаллической структуры и характера поверхности объекта. Наибольшее его значение имеет растительность (0,9), затем следуют почвы (0,8), водные поверхности (0,3) и, наконец, металлические предметы. Таким образом, различия в радиояркостной температуре земных объектов определяются в основном их излучательной способностью, а не физической температурой. Так, наибольшую радиояркостную температуру летом имеет растительный покров (300 °К) и значительно меньшую - водные поверхности (100 °К). Однако самые «холодные» в радиодиапазоне - металлические предметы.

На радиояркостную температуру акваторий оказывает существенное влияние волнение, так как пенистые гребни имеют более высокий коэффициент излучения, чем вода. Радиояркостная температура льда обычно на несколько десятков градусов выше, чем воды. Излучательная способность различна у однолетнего и многолетнего льда.

На радиационные характеристики почвенного покрова в микроволновом диапазоне наибольшее влияние оказывает влажность почв. Изменение интенсивности радиоизлучения сухой почвы и почвы в состоянии полной влагоемкости достигает 100°К (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость радиояркостной температуры почвы от влажности

Поэтому по радиотепловому излучению удается определять влагосодержание почвы.

Растительный покров в радиодиапазоне обладает наиболее высокими излуча-тельными свойствами, которые приближаются к свойствам идеального излучателя - абсолютно черного тела. Его радиояркостная температура увеличивается пропорционально высоте и густоте растений. Радиотепловое излучение почвенно-растительного покрова различных природных зон (тайга, тундра, степь, пустыня) заметно различается. Оно имеет также выраженный годовой ход с максимумом в летний период.

Опыт показывает, что радиотепловое излучение, регистрируемое при разных длинах волн, целесообразно использовать для характеристики вполне определенных объектов и явлений. Так, миллиметровые волны наиболее пригодны для изучения атмосферы, сантиметровые - льдов, дециметровые - солености водоемов и т.д.

Искусственное освещение местности

В аэрокосмических методах помимо естественного излучения используется и искусственное. Для искусственного облучения (освещения) исследуемых объектов можно использовать электромагнитные волны всех диапазонов. Так, в ясные безоблачные ночи, которых значительно больше, чем ясных дней , выполняют разведывательную аэрофотосъемку, когда местность освещается фотобомбой, спускаемой на парашюте. Применяется при аэросъемке и лазерная подсветка местности. Однако в настоящее время наибольшее значение имеет радиоизлучение СВЧ-диапазона, которым освещается местность при активной радиолокационной съемке. На вариации интенсивности регистрируемого отраженного радиоизлучения существенно влияют неровности отражающей поверхности и ее влажность, от которой зависит диэлектрическая постоянная. Если плоскость поляризации зондирующих радиоволн параллельна водной или земной поверхности, то отражение будет более интенсивным, нежели при перпендикулярной поляризации сигнала. Это свойство наиболее ярко проявляется при отражении от взволнованной водной поверхности: чем больше волнение, тем больше различие в интенсивности отраженных сигналов разной поляризации.

Весьма ценное свойство зондирующего радиоизлучения - проникающая способность. Глубина проникновения излучения увеличивается пропорционально длине волны и зависит от физико-химических свойств облучаемого объекта. Например, миллиметровые радиоволны рассеиваются травянистой растительностью, а сантиметровые достигают почвенного покрова. Однако они, как и дециметровые радиоволны, рассеиваются пологом лесного покрова, сквозь который проникают лишь метровые волны. Проникновение радиоволн в воду, особенно морскую, значительно слабее, чем в грунт. Для глинистой влажной почвы глубина проникновения дециметровых волн составляет миллиметры , а метровые волны проникают в сухую песчаную почву на десятки метров. Отражение радиоволн меняется при наличии неоднородностей в строении зондируемого слоя, например глубинных разломов под чехлом рыхлых отложений или водоносных слоев, интенсивно отражающих радиоволны, что используется для поиска линз грунтовых вод. Радиозондирование с самолета помогло открыть громадное подледное озеро Восток в Антарктиде.

Влияние атмосферы на регистрируемое излучение

Земная атмосфера для аэрокосмических методов, с одной стороны, представляет собой важнейший объект самостоятельных исследований, с другой - является основным источником помех и искажений при изучении земной поверхности. Излучение, прежде чем попасть в регистрирующий прибор, расположенный на некоторой высоте над земной поверхностью, должно пройти сквозь атмосферу - смесь газов, в которой взвешены твердые и жидкие частицы - от тонкого аэрозоля до плотных облаков со всеми промежуточными стадиями. Основная масса атмосферы сосредоточена в нижних приземных слоях (до 10 км).

Влияние облачности. Статистика показывает, что в каждый момент времени облачность закрывает более половины площади земной поверхности, хотя над каждой ее точкой облака сохраняются обычно не более 5 дней. Даже маломощные облака блокируют все оптическое излучение. Только радиоволны длиной свыше 2 см беспрепятственно проходят сквозь облачный покров. При планировании аэрокосмических съемок приходится учитывать пространственно-временные закономерности распространения облачности в течение суток и года. Географ должен отчетливо представлять, что на практике получить для исследований нужный снимок на заданную территорию для определенного времени года - задача непростая , прежде всего из-за облачности, которую недаром называют ахиллесовой пятой космического зондирования в оптическом диапазоне.

Но даже проходя сквозь безоблачную атмосферу, электромагнитное излучение испытывает рефракцию и ослабление.

Атмосферная рефракция (искривление лучей) связана с изменением коэффициента преломления в разных слоях атмосферы, что обусловлено их различной плотностью, температурой, влажностью. Влияние рефракции - искажения направления лучей - составляет несколько угловых секунд и должно учитываться при точных фотограмметрических измерениях снимков.

Ослабление излучения в атмосфере, которое происходит вследствие рассеяния и поглощения излучения, подчиняется экспоненциальному закону Бугера-Ламберта:

J=J 0 10 - ki =J 0 T*,

где J - интенсивность излучения, прошедшего слой атмосферы толщиной i ; J 0 - интенсивность вступившего в атмосферу излучения; k - суммарный коэффициент ослабления; Т* - коэффициент прозрачности атмосферы, который не одинаков для различных спектральных лучей. Для территории нашей страны коэффициент Т* в видимом диапазоне имеет среднее значение 0,74.

Ослабление излучения с увеличением длины пути быстро усиливается и тем значительнее, чем больше суммарный коэффициент ослабления, который определяется спектральным поглощением и рассеянием.

При прохождении излучения сквозь атмосферу происходит его избирательное поглощение атмосферными компонентами, главным образом водяным паром, озоном, углекислым газом, метаном. Экспериментально выявлены четко очерченные, но разные по ширине и глубине полосы поглощения (рис. 3). Спектры поглощения атмосферных газов имеют также тонкую структуру, т.е. много узких полос поглощения. Так, например, на участке 7- 14 мкм их обнаружено около 400.

Характер рассеяния в значительной степени зависит от длины волны падающего излучения и замутненности атмосферы. Интенсивность избирательного рассеяния молекулами атмосферных газов (так называемое рассеяние Релея) очень быстро возрастает с уменьшением длины волны излучения. Наиболее сильно молекулами рассеивается коротковолновое оптическое излучение (этим объясняется голубизна неба). Аэрозольное рассеяние (рассеяние Ми) при размерах частиц больше длины волны неизбирательно рассеивает все падающее излучение. Оно оказывает значительно большее влияние на результаты аэрокосмических съемок, чем молекулярное.

Рис. 3. Поглощательная способность отдельных компонентов атмосферы

Аэрозольное рассеяние излучения частицами влаги и пыли, прежде всего коротковолнового, при прохождении через слой атмосферы приводит к свечению слоя - воздушной дымке, яркость которой зависит от состояния атмосферы, высоты Солнца и направления визирования. Необходимо учитывать различия в локальной задымленности атмосферы. Значительная дымка отмечается над промышленными и лесными районами. Она возрастает к вечеру. Задымленность атмосферы летом больше, чем зимой. Для ослабления отрицательного влияния воздушной дымки при аэрокосмических съемках применяют светофильтры, отсекающие фиолетовые и синие лучи.

Спектральная прозрачность атмосферы. Атмосфера подобно фильтру пропускает лучи различных длин волн избирательно, селективно. Для ультрафиолетового излучения атмосфера непрозрачна. По мере перехода в длинноволновую часть располагаются участки спектра - окна прозрачности, где коэффициент прозрачности атмосферы достаточно велик, хотя и не всегда равен единице (рис. 4). Наибольшее практическое значение имеет окно прозрачности в видимом диапазоне с прилегающей частью ультрафиолетовой зоны и ближней инфракрасной зоной (0,3-1,3 мкм), а также два окна в тепловом инфракрасном диапазоне (3-5 и 8-14 мкм). Большое окно прозрачности в зоне 50 мкм в аэрокосмическом зондировании пока не используется из-за отсутствия приемников излучения. В микроволновом диапазоне при длинах волн свыше 1 - 2 мм атмосфера опять становится прозрачной 1 (1 Следует заметить, что на принимаемые радиосигналы в этом диапазоне оказывают влияние различного рода радиопомехи, прежде всего искусственного происхождения.). Метровые радиоволны беспрепятственно проходят всю толщу атмосферы. С дальнейшим увеличением длины радиоволн усиливается их отражение от ионизирующих слоев атмосферы и декаметровые волны с длиной волны свыше 10 м уже не могут проникнуть сквозь ионосферу. Для радиоволн этих длин атмосфера полностью непрозрачна.

Рис. 4. Прозрачность атмосферы для оптических и радиоволн

Влияние атмосферы на оптические характеристики объектов. Регистрирующий прибор, находящийся над земной поверхностью, фиксирует восходящее суммарное излучение, которое слагается из излучения исследуемого объекта, преобразованного нижележащим атмосферным слоем, и излучения этого слоя. Таким образом, оптические характеристики объектов, определенные сквозь толщу атмосферы, отличаются от характеристик, полученных в непосредственной близости от объектов. По мере отклонения направления визирования от отвесного искажающее влияние атмосферы растет. Наблюдаемая сквозь толщу атмосферы яркость объекта складывается из двух частей:

где - яркость объекта на земной поверхности; Т* - коэффициент прозрачности атмосферы ; - яркость воздушной дымки.

При определенном соотношении этих величин дистанционно регистрируемые яркости объектов оказываются усиленными (для темных объектов) или ослабленными (для светлых), а относительные контрасты сглаженными. Расчеты показывают, что под влиянием атмосферы контрасты могут снизиться в 3-5 раз. Это прежде всего ухудшает передачу деталей темных объектов, снижая качество снимков. Опыт показывает, что из-за отрицательного влияния атмосферы разрешение космических снимков может снизиться в 2 раза по сравнению с расчетным.

Эксперименты по космическому спектрометрированию, которые сопровождались синхронными самолетными и наземными измерениями, показали, что атмосфера, увеличивая общую яркость объектов, искажает их спектральную отражательную способность. В сине-зеленой части спектра отмечено существенное увеличение коэффициентов спектральной яркости, определенных из космоса. Это увеличение постепенно уменьшается к длинноволновой части видимого спектра, где оно становится относительно небольшим. Кривая спектральной яркости объектов класса «горные породы и почвы» более полога; повышение в красной зоне спектра уменьшено. Отражательная способность вегетирующей растительности не имеет такого характерного «зеленого» максимума в зоне 0,55 мкм, как при наземных измерениях, из-за относительного увеличения яркости в голубой части спектра. У водных объектов при общем увеличении яркости атмосфера не искажает характера спектральной отражательной способности. Яркость снежного покрова и облачности в целом понижается.

Для количественного учета влияния атмосферы на регистрируемое излучение применяют ее теоретические модели. Однако надо иметь в виду , что атмосфера пространственно неоднородна и изменчива, поэтому весьма трудно точно учесть ее влияние, особенно если определяются количественные характеристики регистрируемого излучения.

Проникновение солнечного излучения в воду. Закономерности поглощения и рассеяния света для воды подчиняются тому же закону, что и для атмосферы. Водная толща ослабляет яркость, контраст и четкость наблюдаемых подводных объектов. Интенсивность проникающего в воду солнечного излучения падает, а спектральный состав изменяется. Инфракрасное излучение полностью поглощается поверхностными слоями воды. Для прозрачных вод, когда практически отсутствуют взвеси и фитопланктон, красные лучи проникают на глубину до 10 м, желтые - до 20 м и только сине-голубые лучи достигают глубины 50 м. Интенсивность света здесь уменьшается в 100 раз. На больших глубинах дно солнечным светом практически не освещается. Однако этим фактам противоречат многочисленные утверждения космонавтов о том, что с орбитальных высот удается рассмотреть крупные океанические хребты даже на километровых глубинах. Одно из объяснений этого феноменального явления состоит в том, что из космоса наблюдается не рельеф дна океана, а коррелирующие с ним постоянные зоны перемешивания теплых поверхностных и холодных глубинных вод, в которых меняются физические и биологические характеристики верхних слоев океана, шероховатость его поверхности. Такие крупномасштабные явления в океане и воспринимает глаз человека с космической орбиты.