Радиация в атмосфере. Радиационный баланс земной поверхности

Цель –рассмотреть значение солнечной радиации в тепловом и лучистом равновесии Земли, и её изменения в атмосфере и на земной поверхности; изучить понятие «радиационный баланс» и объяснить основные закономерности его распределения по земной поверхности.

Оборудование и материалы: физическая карта Красноярского края и республики Хакассии; демонстрационная презентация на тему «Вращения Земли и их географические следствия»

Вопросы для предварительной подготовки:

1) Типы радиации в атмосфере. Спектральный состав солнечной радиации.

2) Тепловое и лучистое равновесие Земли.

3) Солнечная постоянная. Прямая солнечная радиация.

4) Поглощение и рассеяние солнечной радиации в атмосфере и связанные с ними явления: рассеянный свет, сумерки и заря, атмосферная видимость.

5) Отражение солнечной радиации. Альбедо.

6) Радиационный баланс земной поверхности (суммарная радиация, эффективное излучение, альбедо).

7) Астрономические факторы, влияющие на неравномерное распределение солнечной радиации «на границе атмосферы» (шарообразность Земли, наклон экватора к плоскости эклиптики, расстояние Земли от Солнца).

8) Факторы, влияющие на распределение солнечной радиации у земной поверхности (облачность, прозрачность атмосферы, характер подстилающей поверхности).

9) Географическое распределение радиационного баланса.

Термины и понятия:электромагнитная радиация, видимый свет, ультрафиолетовая, инфракрасная, коротковолновая и длинноволновая радиация, солнечная постоянная, инсоляция, рассеяние, диффузное отражение, астрономические сумерки, гражданские сумерки, белые ночи, коэффициент прозрачности атмосферы, видимость, оптическая масса атмосферы, суммарная радиация, альбедо,излучение земной поверхности, закон Стефана-Больцмана, встречное излучение, эффективное излучение, тепличный или парниковый эффект, суммарная радиация, полярный день, полярная ночь, афелий, перигелий, день зимнего и летнего солнцестояния, дни равноденствия.

Напомним основные формулы и обозначения переменных.

I´= I sin h,

где I' – интенсивность прямой солнечной радиации, приходящей на земную поверхность; I – то же на поверхность, перпендикулярнуюсолнечным лучам; h – высота солнца.

I_s= I sin h + i,

где I_s – суммарная радиация, i – рассеянная радиация.

I_sр= I_sЗ – I_отр= I_sЗ(1–А),

где I_sр – радиация, поглощенная земной поверхностью (поглощенная радиация); I_отр– отраженная радиация; А = I_отр / I_sЗ = 1 – (I_sр / I_sЗ) – альбедо (коэффициент отражения).

В= I_sр – Е_s+ Е_а ,

где В – радиационный баланс; Е_s – излучение земной поверхности в атмосферу; Е_а – встречное излучение атмосферы.

Величина Е_э= Е_s – Е_аназывается эффективным излучением земной поверхности.

Проходя через атмосферу, солнечная радиация частично поглощается и рассеивается. Ослабление прямой солнечной радиации выражается формулой Бугера: I=I₀ × p^m, где I₀ – солнечная постоянная; p – коэффициент прозрачности атмосферы, h – высота Солнца над горизонтом (в градусах), m – количество оптических масс атмосферы пройденных лучами (отношение массы воздуха, пронизанной пучком солнечных лучей от верхней границы атмосферы до поверхности Земли при какой-либо угловой высоте солнца над горизонтом, к массе воздуха, которая была бы пронизана этим пучком лучей, если бы солнце находилось в зените). Оптическую массу атмосферы можно вычислить по приближенной формуле: m = 1/ sin h. В табл. 2.9 приведены значения оптических масс при различных высотах Солнца.

Таблица 2.9

Значение числа оптических масс в зависимости высоты положения Солнца над горизонтом

Задание 2.1. Определите величину прямой радиации у земной поверхности – I' кал/см²мин, при 1) h = 90º, р = 0,8; и 2) h = 30º, р = 0,8.

Когда количество лучистой энергии у земной поверхности будет больше, в полдень или при стоянии солнца на высоте 30º? От чего зависит коэффициент прозрачности, чем отличается воздух при р = 0,8 от воздуха с р = 0,5? Что влияет на значение m, когда оно максимально?

Определите сколько солнечной энергии может получить 1 м² перпендикулярной лучам и горизонтальной поверхности при высоте Солнца 20 º, и коэффициенте прозрачности 0,758.

Задание 2.2. Альбедо – коэффициент отражения, показывающий отношение потока коротковолновой радиации (I_отр.), отраженной данной поверхностью, к суммарной радиации (I_sЗ), поступающей на эту поверхность

А= I_отр/ I_sЗ;

2.2.1. Определите альбедо для: снега, песка, глинистой почвы, луговой растительности, если известно, что количество суммарной солнечной радиации для снега составляет 3,52 Дж/см²мин, для песка около 5,15 Дж/см²мин, глинистой почвы – 3,93, луговой растительности – 3,60, а количество отраженной радиации соответственно равно: 2,47 Дж/см²мин, 1,55; 0,79; 1,51.

2.2.2. Известно, что альбедо сухого чернозема составляет 0,14, а альбедо влажного чернозема – 0,08. Вычислите, какое количество тепла поглотит сухая почва за 1 час, если известно, что I' = 0,84 кал/см²мин, i= 0,09 кал/см²мин, h = 45º. И сколько тепла поглотит влажная почва за это же время?

При решении задачи необходимо: 1) определить суммарную радиацию

I_sЗ=I'+i кВт/м²; 2) найти поглощенную радиацию I_sр = I_sЗ(1–А) кВт/м²; 3) рассчитать количество тепла поглощенное за Т = 1 час (3600 с): ν_тепла = I_погл.× Т (МДж/м²) (табл.2.10)

Таблица 2.10

Соотношение единиц измерения

Задание 2.3. По данным Таблицы 2.11 постройте кривые продолжительности самого длинного и самого короткого дня на разных широтах северного полушария. Проанализируйте ход кривых и ответьте на вопросы:

1) Какова продолжительность дня и ночи на экваторе? и как изменяется продолжительность дня и ночи по направлению от экватора к полюсам?

2) По графику определите, какова продолжительность самого короткого и самого длинного дня в следующих населенных пунктах: г. Кызыл, г. Красноярск, п. Туруханск, г. Норильск, п. Диксон.

Таблица 2.11

Изменение продолжительности дня в северном полушарии в течение года

Примечание: на оси абсцисс обозначьте градусы широты, на оси ординат часы суток. Рекомендуемый масштаб: горизонтальный в 1см – 10º, вертикальный в 1см – 2 часа. Обе кривые строятся на одном графике разным цветом.

Задание 2.4. Вычертите кривые продолжительности полярного дня и полярной ночи на разных широтах северного полушария по данным, приведенным в табл. 2.12. Определите по графику продолжительность полярного дня и полярной ночи для следующих пунктов: г. Верхоянск, г. Мурманск, мыс Челюскин, Земля Франца Иосифа.

Таблица 2.12

Продолжительности полярного дня и полярной ночи на разных широтах северного полушария

Примечание: при построении графика на оси абсцисс откладывают градусы широты, на оси ординат – продолжительность дня. Рекомендуемый горизонтальный масштаб 1 см – 2º, вертикальный 1 см – 20 суток.

Рис. 2.12. Годовое количество суммарной солнечной радиации (в ккал/см² год) [83].

Задание 2.5. Проанализируйте,предложенную на рис. 2.12 карту, и ответьте на следующие вопросы:

1) Как соотносятся изолинии распределения годовой суммарной радиации по Земному шару с широтными кругами?

2) Чем обусловлено повышенное значение величины суммарной радиации в субтропических пустынях, в Северной Африке?

3) С чем связаны наиболее низкие для приэкваториальных районов значения суммарной радиации в бассейне р. Амазонки, р. Конго?

Задание 2. 6. Вычислить величину эффективного излучения (Е_э), если I = 0,83 кВт/м², i= 0,13 кВт/м², B= 0,53 кВт/м² и I_отр = 0,13 кВт/м² , при высоте солнца h = 52º.

Радиационный баланс (B) земной поверхности – разность потоков лучистой энергии, поступающих на земную поверхность и теряемых ею, т.е.

B= (I' + i)×(1 – А) – Е_э.

Задание 2.7. Проанализируйте данные рис. 2.13. Ответьте на вопросы:

1) Как изменяется приток радиации в зависимости от широты в зимний период?

2) Чем обусловлена не большая разница в притоке солнечной радиации между тропическими и полярными широтами летом?

3) Как изменяется амплитуда годового прихода радиации с увеличением географической широты? Чем это обусловлено?

Рис. 2.13. Приток солнечной радиации на горизонтальную поверхность в отсутствии атмосферы (в ккал/см²)в зимнее и летнее полугодия и за весь год в зависимости от географической широты [84].