Радиация в атмосфере кратко
Обновлено: 30.06.2024
АТМОСФЕ́РНОЕ ИЗЛУЧЕ́НИЕ (атмосферная радиация), собственное излучение атмосферы в длинноволновой области спектра (на длинах волн св. 4 мкм), которое атмосфера, как всякое физич. тело, испускает в соответствии с темп-рой её разл. слоёв. Атмосфера нагревается благодаря поглощению (в осн. молекулами воды и углекислого газа) длинноволнового излучения от поверхности Земли, нагретой солнечной радиацией. Направленное к Земле излучение называется противоизлучением (или встречным излучением) атмосферы; излучение, направленное вверх, – уходящей радиацией. Их разность составляет эффективное излучение системы Земля – атмосфера (см. Радиационный баланс ). Именно А. и. вместе с излучением поверхности Земли создаёт парниковый эффект , благодаря которому ср. темп-ра поверхности Земли поддерживается на уровне ок. 15 °C.
Солнечная радиация на пути к Земле прежде всего встречает ее воздушную оболочку. Некоторая часть радиации, взаимодействуя с атмосферой, вызывает в ней целую серию различных процессов, приводящих в конечном счете к расслоению атмосферы. Основная же часть радиации (примерно 80%) беспрепятственно проходит через атмосферу и достигает земной поверхности, которая частично ее поглощает, а частично отражает. Лучистый теплообмен в атмосфере прежде всего оказывает влияние на нижние слои, поскольку они соприкасаются с земной поверхностью. Явления погоды формируются именно в нижнем слое атмосферы.
Энергия, излучаемая Солнцем, переносится через межпланетное пространство к Земле в виде электромагнитных волн, или лучистой энергии. Набор электромагнитных волн различной длины называется спектром излучения.
Солнечная радиация включает в себя длинные электромагнитные волны, например, радиоволны, волны средней длины — инфракрасные (тепловые) и видимые, короткие волны — ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи. Кроме того, Солнце посылает к Земле космические лучи. При переносе лучистой энергии от Солнца к Земле, занимающем около 9 минут, интенсивность всех волн несколько ослабевает.
Солнце излучает энергию главным образом коротковолновой части спектра. Те цвета, которые мы различаем в видимой части солнечного спектра, являются отдельными волнами света. Красный конец видимой части, спектра содержит самые длинные видимые волны, а ближе к фиолетовому концу спектра цвета солнечного света создаются все более и более короткими Волнами. Еще более короткие волны уже невидимы и представляют собой ультрафиолетовое излучение.
Земная поверхность поглощает в основном коротковолновую радиацию. При этом поверхность нагревается и затем сама начинает излучать радиацию подобно черному телу (см. ниже). Энергия, излучаемая земной поверхностью, лежит в области длинных волн. Коротковолновая радиация обладает значительно большей проникающей способностью, чем длинноволновая. Кроме того, с атмосферой земное излучение и солнечная радиация взаимодействуют совершенно по-разному. Этот факт важен для дальнейшего изложения.
Радиация в земной атмосфере воздействует на температуру, концентрации газов, нагрев и циркуляцию и т.д. Красный восход и закат, голубое небо, белые облака, зеленые деревья – все это вызывается взаимодействием видимой части спектра с газами, частицами, облачными каплями и другими объектами. Радиация может быть разделена на три диапазона: ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный, каждый из которых играет важную роль в атмосфере.
Радиация – это излучаемая и распространяемая энергия в форме фотонов или электромагнитных волн. Фотон это определенная часть (частица) энергии без массы, электрического заряда и времени жизни. Электромагнитная волна – это перемещение возмущения через среду без постоянного изменения или переноса свойств среды.
Радиация излучается всеми телами, имеющими температура выше абсолютного нуля (0К). После излучения радиация распространяется в среде, достигая других тел. Достигнув другое тело, радиация может поглощаться, отражаться, рассеиваться или переноситься. Если какое-то тело или объект излучают больше радиации, чем поглощают, то его температура уменьшается. Если поглощается больше энергии, чем излучается, то температура тела увеличивается. Другие процессы, которые влияют на изменение температуры, составляют адвекцию, конвекцию, турбулентность и обмен скрытым теплом при фазовых переходах. Эти процессы описываются в уравнении притока тепла.
В атмосфере происходит перенос солнечной энергии, определяющий нагрев атмосферы, облаков и земной поверхности, а также распространение излученной земной поверхностью и атмосферой энергии. Часть энергии поглощается парниковыми газами и облаками, а часть излучается в космическое пространство. После поглощения атмосфера и облака переизлучают инфракрасную радиацию во всех направлениях. Турбулентность переносит поверхностную радиацию в тропосферу. Испарение приводит к переносу скрытого тепла в тропосферу, где оно может высвобождаться в результате конденсации.
Перенос скрытого тепла представляет собой важный процесс переноса солнечной энергии, поглощенной поверхностью и атмосферой вблизи экватора, в сторону полюсов. Вблизи экватора поглощается больше радиации, чем излучается, в результате чего образуется переизбыток энергии, а вблизи полюсов, наоборот, излучается больше энергии, чем поглощается и образуется дефицит энергии. При отсутствии обмена энергией между экватором и полюсами, температура вблизи полюсов постоянно уменьшалась бы, а вблизи экватора – увеличивалась. Однако существуют три процесса, которые приводят к частичному выравниванию энергетического баланса Земли:
а) Перенос энергии адвекцией от экватора к полюсам;
б) Перенос энергии океанскими течениями от экватора к полюсам;
в) Полярный перенос скрытого тепла.
При испарении водяного пара около экватора скрытое тепла аккумулируется в нем, а по мере его переноса к полюсам происходит конденсация и, следовательно, высвобождение тепла.
Радиация переносится в пространстве со скоростью света. Если учитывать волновую структуру радиации, то она характеризуется длиной волны
Где - скорость света 2.9979 х10(8) м/с, - частота волны, измеряемая в , - волновое число, число длин волн на единицу длины.
Макс Планк выдвинул гипотезу, что энергия, излучаемая или поглощаемая веществом, может выражаться в квантах
Где - целое число, называемое квантовым числом, а - постоянная Планка. Закон Планка означает, что вещества излучают энергию не непрерывно, а квантами, т.е. в конечных элементах. Планк полагал, что хотя радиация излучается квантами, через пространство она переносится электромагнитными волнами. Однако Альберт Эйнштейн предложил, что энергия переносится через пространство фотонами
Таким образом, количество энергии, переносимое фотоном зависит от длины волны, или частоты. Чем больше частота, или меньше длина волны, тем больше энергия фотона. Эти две формулы были награждены двумя Нобелевскими премиями: в 1918 Планк получил премию за открытие квантов, в 1921 году Эйнштейн получил премию за открытие фотонов.
Поглощение радиации происходит, когда поступившая к телу электромагнитная энергия переходит в его внутреннюю энергию. Черное тело это элемент, который поглощает всю радиацию, падающую на него. Черное тело не рассеивает и не пропускает радиацию, а только поглощает и излучает. В соответствии с законом Планка интенсивность излучаемой черным телом радиации описывается формулой:
Где - постоянная Больцмана. Эта интенсивность относится к определенной длине волны, поэтому называется спектральной интенсивностью радиации. В реальности вещества не являются черными телами, поэтому их излучение описывается формулой
Где характеризует излучательную способность конкретного вещества и изменяется от 0 до 1.
Blackbodies emit radiation at all wavelengths.
• Blackbody emission peaks at a wavelength lmax inversely
proportional to temperature. By solving fl
b/¶l = 0 we obtain
lmax = a/T where a = hc/5k = 2897 mm K (Wien’s law). This
result makes sense in terms of our simple model: particles in a
warmer object oscillate at higher frequencies.
• The total radiation flux emitted by a blackbody, obtained by
b over all wavelengths, is FT = sT4, where s =
2p5k4/15c2h3 = 5.67x10-8 W m-2 K-4 is the Stefan-Boltzmann constant.
The Planck blackbody formulation for the emission of radiation is
generalizable to all objects using Kirchhoff’s law. This law states that
if an object absorbs radiation of wavelength l with an efficiency el,
then it emits radiation of that wavelength at a fraction el of the
corresponding blackbody emission at the same temperature. Using
Kirchhoff’s law and equation (7.3), one can derive the emission
spectrum of any object simply by knowing its absorption spectrum
. An illustrative example is shown in Figure 7-6.
fl T ( ) el T ( )fl
Вопросы
Радиация в земной атмосфере воздействует на температуру, концентрации газов, нагрев и циркуляцию и т.д. Красный восход и закат, голубое небо, белые облака, зеленые деревья – все это вызывается взаимодействием видимой части спектра с газами, частицами, облачными каплями и другими объектами. Радиация может быть разделена на три диапазона: ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный, каждый из которых играет важную роль в атмосфере.
Радиация – это излучаемая и распространяемая энергия в форме фотонов или электромагнитных волн. Фотон это определенная часть (частица) энергии без массы, электрического заряда и времени жизни. Электромагнитная волна – это перемещение возмущения через среду без постоянного изменения или переноса свойств среды.
Радиация излучается всеми телами, имеющими температура выше абсолютного нуля (0К). После излучения радиация распространяется в среде, достигая других тел. Достигнув другое тело, радиация может поглощаться, отражаться, рассеиваться или переноситься. Если какое-то тело или объект излучают больше радиации, чем поглощают, то его температура уменьшается. Если поглощается больше энергии, чем излучается, то температура тела увеличивается. Другие процессы, которые влияют на изменение температуры, составляют адвекцию, конвекцию, турбулентность и обмен скрытым теплом при фазовых переходах. Эти процессы описываются в уравнении притока тепла.
В атмосфере происходит перенос солнечной энергии, определяющий нагрев атмосферы, облаков и земной поверхности, а также распространение излученной земной поверхностью и атмосферой энергии. Часть энергии поглощается парниковыми газами и облаками, а часть излучается в космическое пространство. После поглощения атмосфера и облака переизлучают инфракрасную радиацию во всех направлениях. Турбулентность переносит поверхностную радиацию в тропосферу. Испарение приводит к переносу скрытого тепла в тропосферу, где оно может высвобождаться в результате конденсации.
Перенос скрытого тепла представляет собой важный процесс переноса солнечной энергии, поглощенной поверхностью и атмосферой вблизи экватора, в сторону полюсов. Вблизи экватора поглощается больше радиации, чем излучается, в результате чего образуется переизбыток энергии, а вблизи полюсов, наоборот, излучается больше энергии, чем поглощается и образуется дефицит энергии. При отсутствии обмена энергией между экватором и полюсами, температура вблизи полюсов постоянно уменьшалась бы, а вблизи экватора – увеличивалась. Однако существуют три процесса, которые приводят к частичному выравниванию энергетического баланса Земли:
а) Перенос энергии адвекцией от экватора к полюсам;
б) Перенос энергии океанскими течениями от экватора к полюсам;
в) Полярный перенос скрытого тепла.
При испарении водяного пара около экватора скрытое тепла аккумулируется в нем, а по мере его переноса к полюсам происходит конденсация и, следовательно, высвобождение тепла.
Радиация переносится в пространстве со скоростью света. Если учитывать волновую структуру радиации, то она характеризуется длиной волны
Где - скорость света 2.9979 х10(8) м/с, - частота волны, измеряемая в , - волновое число, число длин волн на единицу длины.
Макс Планк выдвинул гипотезу, что энергия, излучаемая или поглощаемая веществом, может выражаться в квантах
Где - целое число, называемое квантовым числом, а - постоянная Планка. Закон Планка означает, что вещества излучают энергию не непрерывно, а квантами, т.е. в конечных элементах. Планк полагал, что хотя радиация излучается квантами, через пространство она переносится электромагнитными волнами. Однако Альберт Эйнштейн предложил, что энергия переносится через пространство фотонами
Таким образом, количество энергии, переносимое фотоном зависит от длины волны, или частоты. Чем больше частота, или меньше длина волны, тем больше энергия фотона. Эти две формулы были награждены двумя Нобелевскими премиями: в 1918 Планк получил премию за открытие квантов, в 1921 году Эйнштейн получил премию за открытие фотонов.
Поглощение радиации происходит, когда поступившая к телу электромагнитная энергия переходит в его внутреннюю энергию. Черное тело это элемент, который поглощает всю радиацию, падающую на него. Черное тело не рассеивает и не пропускает радиацию, а только поглощает и излучает. В соответствии с законом Планка интенсивность излучаемой черным телом радиации описывается формулой:
Где - постоянная Больцмана. Эта интенсивность относится к определенной длине волны, поэтому называется спектральной интенсивностью радиации. В реальности вещества не являются черными телами, поэтому их излучение описывается формулой
Где характеризует излучательную способность конкретного вещества и изменяется от 0 до 1.
Blackbodies emit radiation at all wavelengths.
• Blackbody emission peaks at a wavelength lmax inversely
proportional to temperature. By solving fl
b/¶l = 0 we obtain
lmax = a/T where a = hc/5k = 2897 mm K (Wien’s law). This
result makes sense in terms of our simple model: particles in a
warmer object oscillate at higher frequencies.
• The total radiation flux emitted by a blackbody, obtained by
b over all wavelengths, is FT = sT4, where s =
2p5k4/15c2h3 = 5.67x10-8 W m-2 K-4 is the Stefan-Boltzmann constant.
The Planck blackbody formulation for the emission of radiation is
generalizable to all objects using Kirchhoff’s law. This law states that
Общее землеведение.
Излучение Солнца — солнечная радиация — является основным источником тепловой энергии, получаемой земной поверхностью и атмосферой. Земля получает от Солнца 1,36-10 24 кал тепла в год. Этого количества достаточно было бы, чтобы растопить слой льда толщиной 35 см, сплошь покрывающий Землю при 0°.
Поток тепловой лучистой энергии Солнца, достигающий земной атмосферы, отличается большим постоянством. Его интенсивность, равную 1,98 кал/см 2 мин, называют солнечной постоянной. Как было установлено раньше, количество солнечной радиации, получаемое поверхностью, зависит от угла падения лучей. Так как в течение года и суток высота Солнца меняется, то меняется и угол падения солнечных лучей на земную поверхность, а следовательно, и количество получаемого солнечного тепла.
Радиацию, приходящую к земной поверхности непосредственно от Солнца, называют прямой. Проходя через атмосферу, солнечная радиация частью поглощается, превращаясь в тепловую энергию. Встречаясь с молекулами газа и взвешенными в атмосфере частичками, солнечные лучи отклоняются от прямолинейного направления и рассеиваются. Такая радиация называется рассеянной. Она является причиной рассеянного дневного света.
Количество поглощенной и рассеянной радиации зависит от толщины атмосферы через которую проходят солнечные лучи, и от ее прозрачности. Прозрачность атмосферы — величина переменная и зависит от содержания в воздухе водяного пара и взвешенных частиц.
Всю солнечную радиацию, приходящую к земной поверхности, прямую и рассеянную, называют суммарной радиацией. Ее интенсивность выражается формулой
где I — интенсивность прямой радиации, i — интенсивность рассеянной радиации, h — высота Солнца.
Соотношение между прямой и рассеянной радиацией изменяется в зависимости от облачности, запыленности атмосферы и высоты Солнца. При ясном небе доля рассеянной радиации не превышает 10% , при облачном — рассеянная радиация может быть больше прямой. При малой высоте Солнца суммарная радиация состоит почти полностью из рассеянной.
Распределение суммарной радиации по земной поверхности не строго зонально, так как она зависит от облачности и прозрачности атмосферы. В малооблачной тропической пустыне годовое количество суммарной радиации достигает 200—220 ккал/см 2 , в полярных странах ее значение падает до 60 ккал/см 2 .
Солнечная радиация, попадая на земную поверхность, частично поглощается в верхнем слое почвы или воды и частично отражается обратно в атмосферу. Отношение количества радиации, отраженной от поверхности, к количеству радиации, падающей на эту поверхность, называется альбедо. Альбедо зависит от цвета, влажности, шероховатости и других свойств поверхности. Свежевыпавший снег имеет альбедо более 80%, верхняя поверхность облаков — 50—75%, пустыня 30—35%, луговая растительность — около 20%, лес — около 15%, свежевспаханная пашня — менее 10%. Альбедо водной поверхности меняется от 2 до 80% , в зависимости от высоты Солнца и волнения.
Чем выше температура излучающего тела, тем короче длина волн его излучения. Поэтому солнечная радиация коротковолновая (от 0,1 до 4 мк), а земная — длинноволновая (от 4 до 100 мк). Земная радиация в значительной степени задерживается атмосферой (водяным паром, углекислым газом, озоном). Поглощая часть солнечной и земной радиации, атмосфера излучает тепловую энергию в мировое пространство и к земной поверхности. Последнее называется встречным излучением. Разность между излучением земной поверхности и встречным излучением определяет фактическую потерю тепла земной поверхностью и называется эффективным излучением. Способность атмосферы пропускать коротковолновое излучение Солнца и задерживать длинноволновое излучение Земли называют оранжерейным эффектом. Благодаря оранжерейному эффекту средняя температура земной поверхности на 38° выше, чем она была бы при отсутствии атмосферы.
Земная поверхность одновременно получает и отдает радиацию. Разность между приходом радиации (поглощенной суммарной радиацией) и ее расходом (эффективным излучением) называется радиационным балансом земной поверхности. Радиационный баланс определяется из уравнения
где А — альбедо, 1Э — эффективное излучение.
Радиационный баланс для всей Земли положительный, кроме ледяных плато Антарктиды и Гренландии. На море он больше, чем на суше, так как альбедо суши выше, чем моря. Положительное значение радиационного баланса не означает, что земная поверхность непрерывно нагревается. Избыток поглощенной радиации уравновешивается передачей тепла в воздух и расходом тепла на испарение воды.
Богомолов, Л.А. Общее землеведение/ Л.А. Богомолов [и д.р.]. – М.: Недра, 1971.- 232 с.
Читайте также: