Радиационный баланс и его составляющие. Распределение радиационного баланса на поверхности Земли. Излучение земной поверхности
Земная поверхность, поглощая коротковолновую суммарную радиацию, в то же время теряет тепло путем длинноволнового излучения. Это тепло частично уходит в мировое пространство, а в значительной части поглощается атмосферой, создавая так называемый «парниковый эффект». В этом поглощении большое участие принимают водяной пар, озон и углекислый газ, а так же пыль. Вследствие поглощения излучения Земли атмосфера нагревается и, в свою очередь, приобретает способность излучения длинноволновой радиации. Часть этого излучения достигает земной поверхности. Таким образом, в атмосфере создаются два потока длинноволновой радиации, направленных в противоположные стороны. Один из них, направленный вверх, состоит из земного излучения Е з , а другой поток, направленный вниз, представляет радиацию атмосферы Е а . Разность Е з –Е а называют эффективным излучением Земли Е эф. Оно показывает фактическую потерю тепла земной поверхностью. Так как температура атмосферы чаще всего ниже температуры земной поверхности, поэтому в большинстве случаев, эффективное излучение больше 0. Это означает, что вследствие длинноволнового излучения земная поверхность теряет энергию. Лишь при очень сильных инверсиях температуры зимой, а весной при таянии снега и при большой облачности излучение меньше нуля. Такие условия наблюдаются, например, в области Сибирского антициклона.
Величина эффективного излучения определяется в основном температурой подстилающей поверхности, температурной стратификацией атмосферы, влагосодержанием воздуха и облачностью. Годовые величины Е эф наземном шаре изменяются по сравнению с суммарной радиацией значительно меньше (от 840 до 3750 МДж/м 2). Это обусловлено зависимостью эффективного излучения от температуры и абсолютной влажности. Повышение температуры способствует росту эффективного излучения, но одновременно оно сопровождается ростом влагосодержания, которое уменьшает это излучение. Наибольшие годовые суммы Е эф приурочены к областям тропических пустынь, где оно достигает 3300–3750 МДж/м 2 . Такой большой расход длинноволновой радиации здесь обусловлен высокой температурой подстилающей поверхности, сухим воздухом и безоблачным небом. На тех же широтах, но на океанах и в пассатных областях, из-за уменьшения температуры, повышения влажности и увеличения облачности Е эф – вдвое меньше и составляет около 1700 МДж/м 2 в год. По тем же причинам на экваторе Е эф еще меньше. Наименьшие потери длинноволновой радиации наблюдаются в полярных районах. Годовые суммы Е эф в Арктике, Антарктике составляют около 840 МДж/м 2 . В умеренных широтах годовые значения Е эф изменяются в пределах 840–1250 МДж/м 2 на океанах, 1250–2100 МДж/м 2 на суше (Алисов Б.П., Полтараус Б.В., 1974).
Радиационный баланс – это алгебраическая сумма потоков радиации в определённом объёме или на определённой поверхности. Напр., когда говорят о радиационном балансе атмосферы или системы «Земля – атмосфера», чаще всего подразумевают радиационный баланс земной поверхности, определяющий теплообмен на нижней границе атмосферы. Он представляет собой разность между поглощённой суммарной солнечной радиацией и эффективным излучением земной поверхности.
Радиационный баланс атмосферы и подстилающей поверхности, сумма прихода и расхода лучистой энергии, поглощаемой и излучаемой атмосферой и подстилающей поверхностью. Для атмосферы Р. б. состоит из приходной части - поглощённой прямой и рассеянной солнечной радиации, а также поглощённого длинноволнового (инфракрасного) излучения земной поверхности, и расходной части - потери тепла за счёт длинноволнового излучения атмосферы в направлении к земной поверхности и в мировое пространство.
Приходную часть Р. б. подстилающей поверхности составляют: поглощённая подстилающей поверхностью прямая и рассеянная солнечная радиация, а также поглощённое противоизлучение атмосферы; расходная часть состоит из потери тепла подстилающей поверхностью за счёт собственного теплового излучения. Р. б. является составной частью теплового баланса атмосферы и подстилающей поверхности.
Радиационный баланс земной поверхности за год положительный повсюду на Земле, кроме ледяных плато Гренландии и Антарктиды. Это означает, что годовой приток поглощенной радиации больше, чем эффективное излучение за то же время. Но это вовсе не значит, что земная поверхность год от года становится все теплее. Избыток поглощенной радиации над излучением уравновешивается передачей тепла от земной поверхности в воздух путем теплопроводности и при фазовых преобразованиях воды (при испарении с земной поверхности и последующей конденсации в атмосфере).
Следовательно, для земной поверхности не существует радиационного равновесия в получении и отдаче радиации, но существует тепловое равновесие: приток тепла к земной поверхности как радиационными, так и нерадиационными путями равен его отдаче теми же способами.
На океанах радиационный баланс больше, чем на суше в тех же широтах. Это объясняется тем, что радиация в океанах поглощается большим слоем, чем на суше, а эффективное излучение не такое большое вследствие более низкой температуры морской поверхности, чем поверхности суши. Существенные отклонения от зонального распределения имеются в пустынях, где баланс ниже вследствие большого эффективного излучения в сухом и малооблачном воздухе. Баланс понижен также, но в меньшей мере, в районах с муссонным климатом, где в теплое время года облачность увеличивается, а поглощенная радиация уменьшается по сравнению с другими районами под той же широтой.
Сущность эффективного излучения. Парниковый эффект в атмосфере.
Разница между собственным излучением тела и встречным излучением атмосферы называется эффективным излучением. Его значение и выражает действительный поток тепла от Земли или воды к атмосфере. В отдельных случаях может быть поток тепла и от атмосферы к Земле, например, при поступлении морского теплого воздуха на холодную материковую поверхность зимой.
Встречное излучение показывает роль атмосферы в тепловом режиме географической оболочки.
Молекулы газов воздуха практически свободно пропускают коротковолновые солнечные лучи. На земной поверхности лучистая энергия превращается в длинноволновую тепловую. Переменная часть атмосферы - водяной пар, углекислый газ, капельки воды, льдинки и другие взвеси - поглощают, подобно стеклу оранжерей или теплицы, длинноволновые тепловые лучи, усиливая встречное излучение. Даже в ясные ночи оно составляет 70% от прямого, а в пасмурные достигает 100%- Свойство атмосферы пропускать солнечные лучи к Земле и задерживать тепловое излучение называетсяоранжерейным, или тепличным эффектом.
Величина эффективного излучения зависит от ряда факторов:
1. От температуры почвы или воды: чем она выше, тем больше тело теряет тепла излучением: В жаркий летний день и земля, и вода много излучают тепла в воздух и температура его повышается. Теплый воздух дает большой и встречный поток. Возрастает общий уровень эффективного излучения. Ночью, когда нагревание почвы и воды прекращается, уменьшается и их излучение. Перед утром оно становится совсем незначительным. Соответственно понижается и температура воздуха.
2. От влажности воздуха: водяной пар улавливает длинноволновое излучение и удерживает тепло. Влажная атмосфера посылает к Земле значительный встречный поток, эффективное излучение уменьшается. По этой причине во влажных климатах и при влажной погоде ночи не бывают так холодны, как в сухую погоду, и в странах с сухим климатом.
3. От туманов и облаков: капли воды облаков и туманов действуют, как и водяной пар, но в еще большей степени. Ночи при туманной и облачной погоде бывают обычно теплыми.
4. От близости или удаленности водоемов: водная масса, будучи теплоемкой, дольше, чем суша, удерживает тепло. Увеличением влажности, образованием облаков и туманов водоемы снимают эффективное излучение. По этой причине наибольшая потеря тепла зимой и ночью и, следовательно, резкие колебания ночной и дневной температур свойственны сухим внутриматериковым странам - Центральной и Средней Азии, Восточной Сибири и Антарктиде.
5. От абсолютной высоты местности: в горах, с уменьшением плотности воздуха уменьшается встречное и увеличивается эффективное излучение.
6. От растительности: мощный растительный покров, особенно леса, снижают эффективное излучение. В пустынях оно резко увеличивается.
7. От характера почво-грунтов: мощные и рыхлые почвы дольше удерживают и больше излучают тепло, каменистые почвы и особенно пески пустынь скорее его теряют и остывают.
Парниковый эффект – это задержка атмосферой Земли теплового излучения планеты. Парниковый эффект наблюдал любой из нас: в теплицах или парниках температура всегда выше, чем снаружи. То же самое наблюдается и в масштабах Земного шара: солнечная энергия, проходя через атмосферу нагревает поверхность Земли, но излучаемая Землей тепловая энергии не может улетучиться обратно в космос, так как атмосфера Земли задерживает ее, действуя наподобие полиэтилена в парнике: она пропускает короткие световые волны от Солнца к Земле и задерживает длинные тепловые (или инфракрасные) волны, излучаемые поверхностью Земли. Возникает эффект парника. Парниковый эффект возникает из-за наличия в атмосфере Земли газов, которые обладают способностью задерживать длинные волны. Они получили название «парниковых» или «тепличных» газов.
Парниковые газы присутствовали в атмосфере в небольших количествах (около 0,1%) с момента ее образования. Этого количества было достаточно, чтобы поддерживать за счет парникового эффекта тепловой баланс Земли на уровне, пригодном для жизни. Это так называемый естественный парниковый эффект, не будь его средняя температура поверхности Земли была бы на 30°С меньше, т.е. не +14° С, как сейчас, а -17° С.
Естественный парниковый эффект ничем не грозит ни Земле, ни человечеству, поскольку общее количество парниковых газов поддерживалось на одном уровне за счет круговорота природы, более того, ему мы обязаны жизнью.
Но увеличение в атмосфере концентрации парниковых газов приводит к усилению парникового эффекта и нарушению теплового баланса Земли. Именно это и произошло в последние два столетия развития цивилизации. Угольные электростанции, автомобильные выхлопы, заводские трубы и другие созданные человечеством источники загрязнения выбрасывают в атмосферу около 22 миллиардов тонн парниковых газов в год.
8) Виды теплообмена в атмосфере. Теплопроводность. Конвекция и адвекция.
Виды теплообмена:
Тепловое излучение
Тепловое излучение представляет собой процесс выделения тепловой энергии при помощи электромагнитных волн. На этом принципе основана работа многих отопительных систем, включая обычные батареи. К примеру, человек, подойдя близко к русской печи, ощущает жар. Это и есть тепловое излучение. В качестве примера также можно привести нагретый за день солнцем пляжный песок, который продолжает отдавать свое тепло атмосфере даже вечером. Именно поэтому в ночное время суток на пляже бывает гораздо теплее, чем, к примеру, в парке, где из-за обилия деревьев и кустарников, создающих тень, земля не успевает прогреться настолько, чтобы длительное время отдавать тепло воздуху.
Преимуществом теплового излучения является то, что ему не нужен теплоноситель для передачи энергии от источника к потребителю. Тепло попросту излучается в атмосферу, достигая предметов, которые находятся на расстоянии нескольких метров от источника, нагревая их. К достоинствам теплового излучения также можно отнести и то, что лишь незначительная его часть поглощается предметами - оно отражается от их поверхности и, таким образом, позволяет нагревать все поверхности в радиусе нескольких метров.
Конвекция
Конвекция представляет собой процесс переноса теплоты в жидкостях или газах путем перемешивания самого вещества. При естественной конвекции нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и погружаются вниз, после чего процесс повторяется снова и снова.
Подобное явление происходит и с металлами. Возьмем, к примеру, металлический прут длиной 1 м, опустим его в холодную воду, оставив на поверхности около 10 см. Если нагреть горелкой оставшуюся над водой часть прута, внутри прута возникнет невидимое глазу явление конвекции, при котором температура горелки и холодной воды замещают друг друга. В отопительных системах HEAT PLUS в качестве посредника, который передает тепло от источника к потребителю, выступает воздух. Контактируя с теплыми полами, он нагревается, поднимается вверх, а на его место опускается холодный воздух.
Теплопроводность
Теплопроводность – это способность переноса тепла от горячих частей предмета к холодным. Когда физические тела одной системы находятся при разной температуре, то происходит передача тепловой энергии, или теплопередача от одного тела к другому до наступления термодинамического равновесия. Самопроизвольная передача тепла означает скорость движения тепла внутри физического тела. Отопительные системы HEAT PLUS имеют высокое значение теплопроводности.
Благодаря физическим свойствам карбона вырабатываемая тепловая энергия практически без потерь передается на поверхность пола, создавая в помещении комфортную и уютную атмосферу.
Теплопроводность
Теплопроводность - это процесс переноса внутренней энергии от более нагретых частей тела (или тел) к менее нагретым частям (или телам), осуществляемый хаотически движущимися частицами тела (атомами, молекулами, электронами и т. п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества.
Конвекция и адвекция
Конвекция - явление переноса теплоты в жидкостях или газах, или сыпучих средах потоками вещества. Существует т. н. естественная конвекция, которая возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании в поле тяготения. При такой конвекции нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз, после чего процесс повторяется снова и снова. При некоторых условиях процесс перемешивания самоорганизуется в структуру отдельных вихрей и получается более или менее правильная решётка из конвекционных ячеек.
Адвекция - в метеорологии перемещение воздуха в горизонтальном направлении и перенос вместе с ним его свойств: температуры, влажности и других. В этом смысле говорят, например, об адвекции тепла и холода. Адвекция холодных и тёплых, сухих и влажных воздушных масс играет важную роль в метеорологических процессах и тем самым влияет на состояние погоды.
В спектральных диапазонах сильного поглощения излучение земной поверхности поглощается, не выходя за пределы атмосферы Земли.
В этой задаче считаются заданными излучение Bs земной поверхности и альбедо fc этой поверхности. Через верхнюю границу в атмосферу лучистая энергия вовсе не поступает ни в форме прямой радиации Солнца, ни в форме отраженной радиации.
Можно, разумеется, исходить из более сложных законов излучения земной поверхности.
Инфракрасная область спектра с длинами волн около 10 мкм типична для излучения земной поверхности.
Парниковый эффект - разогрев приземного слоя атмосферы, вызванный поглощением длинноволнового (теплового) излучения земной поверхности. Главной причиной этого процесса является обогащение атмосферы газами, поглощающими тепловое излучение. Наиболее важную роль здесь играет повышение содержания углекислого газа (CU2) в атмосфере.
Парниковый эффект - разогрев приземного слоя атмосферы, вызванный поглощением длинноволнового (теплового) излучения земной поверхности. Главной причиной этого процесса является обогащение атмосферы газами, поглощающими тепловое излучение. Наиболее важную роль здесь играет повышение содержания углекислого газа (СО2) в атмосфере.
Отметим некоторые частные случаи уравнения (25), связанные со специальными предположениями о характере излучения земной поверхности.
ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ (П.э.) - эффект разогрева приземного слоя воздуха, вызванный тем, что атмосфера поглощает длинноволновое (тепловое) излучение земной поверхности, в которое превращается большая часть достигнувшей Земли световой энергии Солнца. Из-за того что большая часть этого излучения не пропускается парниковыми газами и облаками, температура на поверхности Земли на 33 С теплее, чем было бы в отсутствие этого процесса. Влияние на П.э. разных газов существенно различается. Так, влияние молекулы метана в 25 раз, а фреонов в 11 тыс. раз сильнее, чем влияние молекулы диоксида углерода.
Поступление лучистой энергии в атмосферу обеспечивается: солнечной радиацией в диапазоне от ультрафиолетового излучения до инфракрасного (коротковолновое излучение), незначительной рассеянная радиацией, поглощением атмосферой излучения земной поверхности.
Сравнение с выражением (15) указывает, что доза, обусловленная суммарным действием внутреннего и внешнего тормозного излучения, составляет в данном случае только около 0 1 % дозы, создаваемой - излучением земной поверхности.
Излучение земной поверхности складывается из дневного отражения и ночного теплового излучения Земли.
Климат гор и больших высот подразделяют на горный климат - до высоты около 3000 м над уровнем моря, - характеризующийся чистым и свежим воздухом и благотворный для человека, и климат больших высот - выше 3000 - 4000 м, - ме ее полезный для человека. Интенсивность солнечной радиации и излучения земной поверхности увеличивается с высотой, а температура воздуха понижается. Теневые и солнечные стороны имеют в горах различные климатические особенности, отражающиеся на развитии растений. Содержание водяных паров в воздухе с высотой убывает значительно быстрее, чем давление. Максимум осадков наблюдается на стороне, обращенной к господствующему влажному ветру. Горный климат характеризуется отсутствием жары. Там, где летнего тепла недостаточно для того, чтобы растопить скопившиеся за холодное время года массы снега, располагается область вечного снега. Во многих случаях горы являются климатическими границами.
Инверсии температуры могут наблюдаться круглый год. Приземные инверсии температуры связаны с излучением земной поверхности. В теплую половину года они образуются лишь в ясные тихие ночи, при отсутствии облачности в нижнем и среднем ярусах и сильного ветра. Мощность таких инверсий невелика, всего несколько десятков метров, интенсивность - несколько градусов.
Земля, как и любое другое тело, температура, которого выше абсолютного 0 (-273*К) излучает энергию. Однако по сравнению с температурой Солнца, температура поверхности Земли и её атмосферы мала, поэтому все излучения или энергия приходятся на ИК участок спектра.
Излучение атмосферы имеет более сложный характер, по сравнению с излучением Земной поверхности. Энергию излучают лишь те газы, которые поглощают, то есть водяной пар, углекислый газ, озон, метан и окись азота. Данные газы называются парниковыми газами.
Наиболее интенсивно ИК излучение атмосферы, поглощаемое водяным паром. Кроме него большое влияние на поток радиации оказывает углекислый газ. Благодаря сильному поглощению длинно-волновая радиация водяным паром и углекислым газом. Большая часть излучения земной поверхности поглощается атмосферой. В тоже время солнечная радиация значительной частью атмосферы пропускается. Атмосфера в свою очередь изучает длинноволновую радиацию, часть которой направлена к земной поверхности. Такая радиация называется встречным излучением атмосферы.
Часть энергии встречного излучения вновь поглощается Земной поверхность. Разность между собственным излучением ЗП и поглощённой ᴇᴦο частью встречного излучения, называется эффективным излучением. Температура атмосферы обычно ниже температуры ЗП. Поэтому в большинстве случаев эффективное излучение положительно. Это означает, что вследствие длинноволнового излучения ЗП почти всегда теряет тепло. Тонкий механизм терморегуляции, основанный на составе и физических свойствах атмосферы и подстилающей поверхности Земли поддерживает равновесие между поступающей к поверхности солнечной энергии и длинно волновыми излучениями Земли.
Этот механизм обеспечивает постоянство радиационного баланса планеты и предохраняет её поверхность от перегрева или переохлаждения.
Углекислый газ попадает в атмосферу, как естественным путем, так и в результате человеческой деятельности. На протяжении истории Земли углекислый газ поступал в атмосферу в процессе вулканической деятельности и участвовал в естественном круговороте углерода в природе. Подсчитано что при отсутствии углекислого газа температура поверхности Земли была бы на 338С ниже, чем в настоящее время. На концентрацию углекислого газа и других парниковых газов, увеличивается в атмосфере главным образом за счёт сжижения ископаемого топлива, а так же при нарушении естественного углеродного цикла в ходе уничтожения тропических лесов. В результате возникло нарушение радиационного баланса планеты. Ведущее к развитию парникового эффекта и глобальному изменению климата.
17. Схема баланса солнечной энергии в атмосфере и на поверхности Земли.
Практически единственным источником энергии для всех физических процессов, развивающихся в атмосфере, является солнечная радиация.
Приходящая в атмосферу солнечная радиация частично поглощается в атмосфере главным образом водяным паром, углекислым газом, озоном и аэрозолями и рассеивается на частицах аэрозоля и на флуктуациях плотности атмосферы.
Вследствие рассеяния лучистой энергии Солнца в атмосфере наблюдается не только прямая солнечная(28%), но и рассеянная радиация(16%), в совокупности они составляют суммарную радиацию(44%).
Достигая земной поверхности, суммарная радиация частично отражается от неё. Величина отражённой радиации определяется отражательной способностью подстилающей поверхности, т. н. альбедо.
За счёт поглощённой радиации земная поверхность нагревается и становится источником собственного длинноволнового излучения, направленного к атмосфере. В свою очередь, атмосфера также излучает длинноволновую радиацию, направленную к земной поверхности (т. н. противоизлучение атмосферы) и в мировое пространство (т. н. уходящее излучение).
Рациональный теплообмен между земной поверхностью и атмосферы определяется эффективным излучением - разностью между собственным излучением поверхности Земли и поглощённым ею противоизлучением атмосферы. Разность между коротковолновой радиацией, поглощённой земной поверхностью, и эффективным излучением называется радиационным балансом.
Некоторая часть энергии солнечной радиации затрачивается на поддержание общей циркуляции атмосферы и на другие атмосферные процессы, однако эта часть незначительна по сравнению с основными составляющими теплового баланса.
18. Длинноволновое излучение поверхности Земли и атмосферы. Явление парникового эффекта.
Земля, как и любое другое тело, температура, которого выше абсолютного 0 (-273*К) излучает энергию. Однако по сравнению с температурой Солнца, температура поверхности Земли и ее атмосферы мала, поэтому все излучения или энергия приходятся на ИК участок спектра.
Излучение атмосферы имеет более сложный характер, по сравнению с излучением Земной поверхности. Энергию излучают лишь те газы, которые поглощают, то есть водяной пар, углекислый газ, озон, метан и окись азота. Эти газы называются парниковыми газами .
Наиболее интенсивно ИК излучение атмосферы, поглощаемое водяным паром. Кроме него большое влияние на поток радиации оказывает углекислый газ.
Благодаря сильному поглощению длинноволновой радиации водяным паром и углекислым газом, большая часть излучения земной поверхности поглощается атмосферой. В тоже время солнечная радиация значительной частью атмосферы пропускается. Атмосфера в свою очередь изучает длинноволновую радиацию, часть которой направлена к земной поверхности. Такая радиация называется встречным излучением атмосферы .
Часть энергии встречного излучения вновь поглощается Земной поверхностью. Разность между собственным излучением ЗП и поглощённой его частью встречного излучения, называется эффективным излучением .
Температура атмосферы обычно ниже температуры ЗП. Поэтому в большинстве случаев эффективное излучение положительно. Это означает, что вследствие длинноволнового излучения ЗП почти всегда теряет тепло. Тонкий механизм терморегуляции, основанный на составе и физических свойствах атмосферы и подстилающей поверхности Земли, поддерживает равновесие между поступающей к поверхности солнечной энергии и длинноволновыми излучениями Земли.
Этот механизм обеспечивает постоянство радиационного баланса планеты и предохраняет ее поверхность от перегрева или переохлаждения.
Углекислый газ попадает в атмосферу, как естественным путем, так и в результате человеческой деятельности. На протяжении истории Земли углекислый газ поступал в атмосферу в процессе вулканической деятельности и участвовал в естественном круговороте углерода в природе. Подсчитано что при отсутствии углекислого газа температура поверхности Земли была бы на 338*С ниже, чем в настоящее время.
На концентрацию углекислого газа и других парниковых газов, увеличивается в атмосфере главным образом за счет сжигания ископаемого топлива, а так же при нарушении естественного углеродного цикла в ходе уничтожения тропических лесов. В результате возникло нарушение радиационного баланса планеты, ведущее к развитию парникового эффекта и глобальному изменению климата.
В процессе производства в атмосферу ежегодно выбрасываются сотни тонн загрязняющих веществ в виде газов и аэрозолей.
Непрерывно возрастающее использование топлива нарушило геохимический цикл углерода. Механизм обеспечивает содержание СО2 в атмосфере не справляется с его возрастающим притоком, содержание СО2 в атмосфере возросло с 290млн долей 180 до 325 долей в 1970.
Распространение парниковых газов их источник, скорость поступления в атмосферу и доля влияния на глобальное потепление.
|
Основные источники |
Современный уровень среднегодового прироста концентрации % |
Доля влияния на глобальное потепление % | ||
|
Сжигание ископаемого топлива (77%) вырубка лесов (23%) | ||||
|
Хлор фтор углероды |
Различные промышленные предприятия | |||
|
Рисовые плантации, утечка газа, жизнедеятельность животных | ||||
|
Сжигание биомассы, применение удобрений, сжигание топлива | ||||
Загрузка...
