Инсоляция и альбедо. Виды потоков солнечной радиации. Радиационный баланс земной поверхности

Размещено на http://www.allbest.ru

Реферат №20

Инсоляция и альбедо. Виды потоков солнечной радиации. Радиационный баланс земной поверхности

Максимчик А.Н. ХТиТ 14 гр. 2 к.

Инсоляция и альбедо. Атмосфера прозрачна для одних видов лучистой энергии, полупрозрачна для других и полностью непрозрачна для третьих. Это происходит из-за избирательного пропускания или поглощения волн различной длины разными газами атмосферы. Кроме того, количество лучистой энергии, достигающей земной поверхности, зависит от облачности, запыленности воздуха и его влажности, т.е. от количества содержащегося в нем водяного пара.

Лучистая энергия легко проходит, почти не задерживаясь, сквозь такие газы, как азот и кислород. Эти газы прозрачны для радиации. Однако другие газы атмосферы различным образом взаимодействуют с радиацией. Они уменьшают ее количество, доходящее до земной поверхности.

Действительное количество лучистой энергии, поступающей на земную поверхность, называется инсоляцией (от лат. insolatio - выставляю на солнце).

Атмосфера поглощает около 20% поступающей на ее верхнюю границу солнечной радиации. Еще 34% радиации отражается от поверхности Земли, атмосферы, облаков и взвешенных в атмосфере примесей. Остальные 46% приходящей солнечной радиации поглощаются земной поверхностью (рис.1).

Рис. 1. Схема отражения, поглощения и собственного излучения энергии на Земле: 1 - отраженная радиация; 2 - радиация, поглощенная атмосферой; 3 - радиация, поглощенная земной поверхностью; 4 - собственное излучение земной поверхности

Инсоляция зависит от нескольких факторов: солнечной постоянной, расстояния между Землей и Солнцем, от поглощения и отражения радиации в атмосфере, наклона земной оси, а также от высоты Солнца над горизонтом.

Количество тепла, приходящегося на участок земной поверхности (I₁), зависит от угла падения лучей и определяется по формуле

I₁ = I sinб, (82)

солнечный радиация инсоляция альбедо

где I - количество тепла на 1 см² перпендикулярной к лучам поверхности в 1 мин; б - угол стояния Солнца над горизонтом.

В силу зависимости инсоляции от высоты Солнца величина ее меняется в суточном и годовом ходе, а также с широтой места. Зависимость инсоляции от широты места имеет важное климатическое значение в зимнее полугодие, когда при относительно небольшом различии в величинах I на разных широтах различие величин инсоляции I₁ будет значительным.

Величина отраженной радиации характеризуется альбедо. Альбедо - это отношение отразившейся от предмета солнечной радиации к пришедшему ее количеству. Обычно альбедо выражается в процентах и измеряется альбедометрами. Измерения с помощью альбедометров, располагаемых на высоте 1-2 м над земной поверхностью, позволяют определять альбедо небольших участков. Величины альбедо участков большей протяженности, используемые при расчетах радиационного баланса, определяются с самолета или со спутника.

Процентное отношение солнечной радиации, отданной земным шаром (вместе с атмосферой) обратно в мировое пространство, к солнечной радиации, поступившей на границу атмосферы, составляет альбедо Земли. Отдача солнечной радиации Землей слагается из отражения от земной поверхности, рассеяния прямой радиации атмосферой в мировое пространство (обратного рассеяния) и отражения от верхней поверхности облаков. Альбедо всей Земли вместе с ее атмосферой составляет в среднем 34%. При отсутствии облаков альбедо Земли было бы около 15%.

Отражательная способность отдельных участков определяется характером земной поверхности. Типичные значения альбедо: влажная почва - 5-10%, чернозем - 15%, сухая глинистая почва - 30%, светлый песок - 35-40%, травяной покров - 20-25%, лес - 5-20%, верхняя поверхность облаков - 50-65%.

Альбедо воды обычно величина незначительная (при самом высоком положении Солнца около 6%), а альбедо чистого снега и льда составляет до 70-90% приходящей радиации. Но снег не только хорошо отражает коротковолновую радиацию, но еще хорошо задерживает длинноволновую радиацию, излучаемую Землей, и тем самым защищает поверхность суши от сильного выхолаживания. Почва под снегом может не замерзать даже в тех случаях, когда на соседних участках, лишенных снежного покрова, она промерзает. Тем самым в течение нескольких зимних месяцев снежный покров защищает от вымерзания посевы и живущие в почве организмы.

Виды потоков солнечной радиации. Различают следующие виды потоков солнечной радиации: прямая, рассеянная, суммарная, отраженная, поглощенная и фотосинтетически активная (ФАР).

Прямая радиация - солнечная радиация, доходящая до места наблюдения в виде пучка параллельных лучей, исходящих непосредственно от солнечного диска.

На территории Беларуси прямой солнечной радиацией на горизонтальную поверхность за год поступает 1500-2000 МДж/м² с наибольшими значениями в июне - июле. В зависимости от облачности и прозрачности атмосферы в отдельные периоды поток прямой солнечной радиации значительно отличается от среднего значения.

Рассеянная радиация - солнечная радиация, претерпевшая рассеяние в атмосфере. Она поступает на земную поверхность со всего небесного свода. Рассеянная радиация образуется в результате взаимодействия солнечной радиации с молекулами газов и атмосферными аэрозолями (пыль, дым, споры и пыльца растений, микроорганизмы и др., в том числе водяные капли, ледяные кристаллы - облака).

Рассеянная радиация играет существенную роль в энергетическом балансе Земли, являясь в пасмурные периоды, особенно в высоких широтах, единственным источником энергии в приземных слоях атмосферы. Поток рассеянной солнечной радиации меняется в зависимости от высоты Солнца, замутненности атмосферы и условий облачности и иногда достигает значений порядка 0,7-1,0 кал/см²·мин.

Суммарная радиация - совокупность прямой и рассеянной солнечной радиации, поступающей в естественных условиях на горизонтальную земную поверхность. Более половины годовой суммарной радиации приходится на рассеянную, в том числе в летние месяцы 45-50% и зимой 70-80%.

Отраженная радиация - часть суммарной радиации, теряемая земной поверхностью в результате отражения. Выраженная в процентах от суммарной радиации составляет альбедо. При определении планетарного альбедо Земли к этому виду потока солнечной радиации относится радиация, отраженная облаками, рассеянная вверх молекулами атмосферных газов и аэрозолями, взвешенными в атмосферном воздухе, и вышедшая из атмосферы в мировое пространство.

Поглощенная радиация - часть суммарной солнечной радиации, поглощенная земной поверхностью (почвой, растительным покровом, водой, дорогами, строениями и др.). Поглощенная радиация расходуется преимущественно на нагревание предметов и только незначительная часть (менее 1%) используется растениями при фотосинтезе. Поглощенная радиация является самой существенной частью радиационного баланса земной поверхности. Определяется как разность между суммарной солнечной радиацией и отраженной.

Фотосинтетически активная радиация (ФАР) - коротковолновая солнечная радиация с длиной волн 0,38-0,71 мкм, используемая растениями при фотосинтезе. Следовательно, для нормального протекания фотосинтеза необходима также незначительная часть солнечной радиации из ультрафиолетовой области спектра с наибольшими длинами волн (около 0,38-0,39 мкм). Повышенные же дозы ультрафиолетового излучения и тем более с длинами волн меньше 0,38 мкм являются вредными и даже гибельными для живых организмов, в том числе и для растений.

Радиационный баланс земной поверхности. Поглощенная радиация способствует повышению температуры земной поверхности. В результате верхние слои почвы, вода, снежный покров, растительность и другие тела сами начинают излучать длинноволновую радиацию, которая называется собственным излучением земной поверхности (E_s).

Атмосфера, поглощая часть солнечной радиации и большую часть излучения земной поверхности, сама излучает длинноволновую радиацию. Атмосферная радиация, поступающая к земной поверхности, называется встречным излучением (E_а), так как оно направлено навстречу собственному излучению земной поверхности. Встречное излучение всегда несколько меньше излучения земной поверхности (E_а < E_s). Поэтому земная поверхность теряет тепло в результате эффективного излучения (E_е), представляющего собой разность между собственным и встречным излучением (E_е = E_s - E_а).

Количественно приход тепла к земной поверхности с учетом его потерь выражается в виде баланса. Радиационный баланс земной поверхности можно представить в виде уравнения

R = Q(1 - A) - E_е, (83)

где Q - суммарная солнечная радиация; А - альбедо земной поверхности; E_е - эффективное излучение земной поверхности.

Следовательно, радиационный баланс земной поверхности - это разность между поглощенной суммарной радиацией и эффективным излучением земной поверхности. Выражается в джоулях на квадратный метр горизонтальной поверхности в 1 с (или за любой другой промежуток времени).

Радиационный баланс переходит от ночных отрицательных значений к дневным положительным после восхода Солнца при его высоте над горизонтом 10-15°. При такой же высоте перед заходом Солнца он переходит от положительных к отрицательным значениям. При снежном покрове для этого требуется 20-25° в связи с большими значениями альбедо снега.

Днем радиационный баланс возрастает с увеличением высоты Солнца и падает с ее уменьшением. В ночное время, когда суммарная радиация отсутствует, отрицательный радиационный баланс равен эффективному излучению и поэтому изменяется в течение ночи незначительно, если условия облачности остаются одинаковыми.

Годовой приток поглощенной радиации больше, чем эффективное излучение за то же время. Однако это не означает, что земная поверхность год от года становится теплее. Дело в том, что излишек поглощенной радиации над излучением уравновешивается передачей тепла от земной поверхности к атмосфере посредством теплопроводности и при фазовых переходах воды (при испарении). Хотя для земной поверхности отсутствует равновесие в приходе и расходе радиации, но приток тепла к земной поверхности радиационным и нерадиационным путем равен его расходу теми же способами.

Месячные, сезонные и годовые суммы радиационного баланса земной поверхности меняются в широких пределах. В тропических океанах годовые суммы достигают 5852 МДж/м². В то же время в Антарктиде и в глубине Арктики его значения отрицательные.

На территории Беларуси годовые суммы радиационного баланса в среднем колеблются от 1500 на севере до 1690 МДж/м² на юге. Отрицательные суммы радиационного баланса наблюдаются в ноябре - феврале, достигая в январе -34 МДж/м². Повышенные значения радиационного баланса приходятся на июнь - июль (до 365 МДж/м²?мес.). Суточные суммы радиационного баланса в Беларуси изменяются от -5 до нескольких мегаджоулей на 1 м²

Размещено на Allbest.ru