Излучение земной поверхности. Встречное и эффективное излучение. Эффективное излучение земной поверхности Что такое эффективное излучение

ЭФФЕКТИВНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ - разность между излучением земной поверхности и противоизлучением атмосферы. Измеряется пиргеометром. Эффективное излучение один из элементов теплового баланса земной поверхности. Экологический энциклопедический словарь. Кишинев: Главная редакция… … Экологический словарь

эффективное излучение - Разность собственного излучения земной поверхности и поглощенного ею встречного излучения атмосферы … Словарь по географии

эффективное излучение - efektyvioji spinduliuotė statusas T sritis Energetika apibrėžtis Kūno savosios ir atsispindėjusios spinduliuotės suma. atitikmenys: angl. effective radiation vok. effektive Strahlung, f rus. эффективное излучение, n pranc. radiation effective, f … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas

эффективное излучение - сумма собственного и отраженного излучения тела. Смотри также: Излучение тепловое излучение собственное излучение селективное излучение …

Излучение - 1. Распространение в пространстве волны какой либо природы или потоки каких либо частиц. Классическая теория излучения (Макснелла) объяснила очень многие характерные черты электромагнитного излучения, однако не смогла дать… … Энциклопедический словарь по металлургии

Тепловое излучение земной поверхности. Т. к. земная поверхность имеет сравнительно низкую температуру, она излучает электромагнитные волны длиной от 3 до 80 мкм, относящиеся к инфракрасной, не воспринимаемой глазом, области спектра. За… … Большая советская энциклопедия

тепловое излучение - излучение в диапазоне X = 0,4 800 мкм, включающее видимое и инфракрасное излучение. ; Смотри также: Излучение эффективное излучение собственное излучение … Энциклопедический словарь по металлургии

собственное излучение - излучение (1.) тела, определенное его физическими свойствами и температурой, без учета отраженного излучения; Смотри также: Излучение эффективное излучение тепловое излучение … Энциклопедический словарь по металлургии

селективное излучение - излучение в пределах только отдельных интервалов длин волн. Смотри также: Излучение эффективное излучение тепловое излучение собственное излучение … Энциклопедический словарь по металлургии

рентгеновское излучение - электромагнитное излучение с длиной волны между ультрафиолетовым и γ излучением; Смотри также: Излучение эффективное излучение тепловое излучение собственное излучение … Энциклопедический словарь по металлургии

Земля и атмосфера, как и любое другое тело, излучают энергию. Поскольку по сравнению с температурой Солнца температура Земли и атмосферы мала, то излучаемая ими энергия приходится на невидимый инфракрасный участок спектра. Следует отметить, что ни земную поверхность, ни тем более атмосферу нельзя рассматривать как абсолютно черные тела. Однако изучение спектров длинноволновой радиации различных поверхностей показало, что с вполне достаточной степенью точности земную поверхность можно считать серым телом. Это значит, что излучение земной поверхности при всех длинах волн отличается на один и тот же множитель от излучения абсолютного черного тела, имеющего температуру, одинаковую с температурой земной поверхности. Таким образом, формула для потока излучения земной поверхности может быть записана на основе закона Кирхгофа в следующем виде:

где Т 0 - температура земной поверхности, - относительный коэффициент излучения или поглощения. Значения для различных поверхностей, по данным измерений, колеблются в пределах от 0,85 до 0,99. Поток излучения земной поверхности значительно меньше потока излучения Солнца (B c << B 0), но B 0 оказывается вполне сравнимым с величиной потока солнечной радиации F?, поступающего на поверхность Земли. Приведём значения потока излучения абсолютно черного тела при разных температурах: t 0 -40 -20 0 20 40 B кал/см 2 *мин0,24 0,34 0,46 0,61 0,79 Из этих данных следует, что B 0 имеет тот же порядок величины, что и F?. Поток излучения земной поверхности зависит от ее температуры, с увеличением которой он возрастает. Этот поток наблюдается днем и ночью и непосредственно не зависит от того, каков поток солнечной радиации. В каждой фиксированный момент времени земная поверхность, поглощающая коротковолновую радиацию, одновременно теряет энергию путем длинноволнового излучения. Значительная часть излучения земной поверхности поглощается атмосферой. Атмосфера в свою очередь излучает длинноволновую радиацию, часть которой, направленная к земной поверхности, называется встречным излучением или противоизлучением атмосферы. Поток встречного излучения атмосферы B A представляет собой количество длинноволновой радиации, поступающей от атмосферы к 1 см 2 земной поверхности в единицу времени. Поскольку земная поверхность не является абсолютно черным телом, то ею поглощается часть поступившего потока, равная. Разность между собственным излучением земной поверхности B 0 и поглощенной ею частью встречного излучения атмосферы называют эффективным излучением земной поверхности. Обозначая эффективное излучение через B * , имеем:

Температура атмосферы, как правило, ниже температуры земной поверхности, поэтому в большинстве случаев и, следовательно, т.е. вследствие длинноволнового излучения земная поверхность почти всегда теряет энергию. Лишь в редких случаях очень сильных инверсий температуры и высоких значений влажности воздуха эффективное излучение может оказаться отрицательным. Эффективное излучение оказывает большое влияние на температурный режим земной поверхности, играет существенную роль в образовании радиационных заморозков и туманов, при снеготаянии и пр. Эффективное излучение сильно зависит от содержания водяного пара в атмосфере и наличия облачности. Тесную связь между B * и упругостью водяного пара e вблизи поверхности земли характеризуют следующие данные непосредственных измерений: e мм рт. ст. 4,5 8,0 11,3 B * кал/см 2 *мин 0,19 0,17 0,15 Как видно, с увеличением e эффективное излучение B * уменьшается. Объясняется это тем, что с ростом e увеличивается встречное излучение атмосферы B A .

· Основы актинометрии

АКТИНОМЕТРИЯ - совокупность методов измерения лучистой энергии. К задачам актинометрии относятся исследование прямой солнечной радиации, поглощение и рассеяние ее молекулами атмосферы, различными твердыми и жидкими примесями, а также определение длинноволнового излучения земли и атмосферы.

В основу методов измерения лучистой энергии положен принцип превращения одного вида энергии в другой. При поглощении лучистой энергии солнца зачерненной поверхностью какого-либо приемника происходит переход лучистой энергии в тепловую. Регистрируя выделяющееся при этом количество тепла или повышение температуры приемной поверхности прибора, можно измерить величину потока солнечной радиации, падающего на прямую поверхность. Подобного рода принципы измерения лучистой энергии положены в основу калориметрического метода. Явление фотоэффекта и фотохимические воздействия использованы в фотоэлектрических и фотографических методах измерения.

При А. применяются приборы, в которых поток лучистой энергии определяется разностью температур приемной поверхности и окружающей среды, которая измеряется величиной тока, возникающего в цепи последовательно соединенных термопар. Такого рода приборы являются относительными и нуждаются в градуировке путем сравнения их показаний с показаниями абсолютных приборов.

· Уравнение баланса радиации

Радиационный баланс атмосферы и подстилающей поверхности, сумма прихода и расхода лучистой энергии, поглощаемой и излучаемой атмосферой и подстилающей поверхностью.

Для атмосферы Радиационный баланс 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 (т. н. противоизлучение атмосферы) и в мировое пространство.

Приходную часть Радиационный баланс 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.

Радиационный баланс является составной частью теплового баланса атмосферы и подстилающей поверхности.

· Эффективное излучение

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.

Величина эффективного излучения зависит от ряда факторов:

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.

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.

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.

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.

От абсолютной высоты местности: в горах, с уменьшением плотности воздуха уменьшается встречное и увеличивается эффективное излучение.

От растительности: мощный растительный покров, особенно леса, снижают эффективное излучение. В пустынях оно резко увеличивается.

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.

· ТЭР климата и ТЭР испарения (ТЭР - теплоэнергетические ресурсы)

ТЭР климата – количество энергии, которое затрачивается на нагревание воздуха, почвы, на фактические затраты тепла на испарения, на таяние почвенного льда.

Энергетической базой природных процессов являются теплоэнергетические ресурсы климата, формирующиеся в результате прихода прямой и рассеянной радиации на земную поверхность и обеспечивающие ее влагообмен с приземной атмосферой.

В формировании теплоэнергетических ресурсов климата участвуют: R + - положительная составляющая радиационного баланса - разность между поглощенной коротковолновой (прямой и рассеянной) радиацией Солнца и балансом длинноволнового излучения в дневные и частично в сумеречные часы суток; Р + - положительная составляющая турбулентного теплообмена - часть адвективного тепла, приносимого,в связи с циркуляцией атмосферного воздуха.

ТЭР испарения – это количеств энергии, которое затрачивается на все виды испарения: с водной поверхности, с поверхности суши, транспирации.

Вопрос. Атмосферные осадки

Осадками называют воду, выпадающую в жидком или твердом состоянии на поверхность земного шара и наземные предметы из облаков или из воздуха, вследствие конденсации содержащегося в нем водяного пара.Осадки в зависимости от фазового состояния разделяются на: твердые (снег, град, снежная крупа, гололед, иней), жидкие (дождь), смешанные (снег с дождем, мокрый снег).Осадки характеризуются тремя параметрами: количеством, интенсивностью и продолжительностью их выпадения.Количество осадков измеряется толщиной слоя воды в мм, который образовался бы на горизонтальной поверхности от выпавших осадков при отсутствии просачивания в землю, стекания и испарения.

1 Мм осадков = 10 т воды на 1 га.

Интенсивность осадков измеряют в миллиметрах в минуту (мм/мин) или в час (мм/ч).

Продолжительность выпадения осадков измеряют в часах или в минутах от начала до окончания их выпадения.

Осадки выпадающие их облаков делятся на 3 типа:

Обложные (нижний ярус, слоистые облака).

Моросящие (нижний ярус, слоистые облака).

Ливневые (кучевые облака вертикального развития).

Наблюдения за осадками включают: 1. визуальные – вид осадков, их интенсивность, время начала и конца выпадения 2. измерение количества осадков с помощью приборов – осадкомера и дождемера Третьякова, полевого дождемера Давитая, плювиографа, суммарного осадкомера, напочвенного осадкомера.

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 называется оранжерейным, 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.

Верхние слои почвы и воды, снежный покров и растительность сами излучают длинноволновую радиацию; эту земную радиацию чаще называют собственным излучением земной поверхности.

Интенсивность собственного излучения (т.е. отдачу лучистой энергии с единицы горизонтальной поверхности за единицу времени) можно рассчитать, зная абсолютную температуру земной поверхности. По закону Стефана-Больцмана излучение с каждого квадратного сантиметра абсолютно черной поверхности в калориях за одну минуту при абсолютной температуре Т равно

где постоянная σ = 8,2·10-11 кал/см2.

Земная поверхность излучает почти как абсолютно черное тело, и интенсивность ее излучения Es может быть определена по формуле (56).

При +15°С, или 288 К, Es равно 0,6 кал/(см2·мин).Столь большая отдача радиации с земной поверхности приводила бы к быстрому ее охлаждению, если бы этому не препятствовал обратный процесс – поглощение солнечной и атмосферной радиации земной поверхностью.

Абсолютные температуры земной поверхности заключаются между 180 и 350°. При таких температурах испускаемая радиация практически заключается в пределах 4 - 120 мк,а максимум ее энергии приходится на длины волн 10 - 15 мк.Следовательно, вся эта радиация инфракрасная, не воспринимаемая глазом (рис. 8).

Рис. 8. Излучение абсолютно черного тела при температурах 200, 250 и 300 К

Атмосфера нагревается, поглощая как солнечную радиацию (хотя в сравнительно небольшой доле, около 15% всего ее количества, приходящего к Земле), так и собственное излучение земной поверхности. Кроме того, она получает тепло от земной поверхности путем теплопроводности, а также при испарении и последующей конденсации водяного пара. Будучи нагретой, атмосфера излучает сама. Так же как и земная поверхность, она излучает невидимую инфракрасную радиацию примерно в том же диапазоне длин волн.

Большая часть (70%) атмосферной радиации приходит к земной поверхности, остальная часть уходит в мировое пространство. Атмосферную радиацию, приходящую к земной поверхности, называют встречным излучением (Еа) ; встречным потому, что оно направлено навстречу собственному излучению земной поверхности. Земная поверхность поглощает это встречное излучение почти целиком (на 90 - 99%). Таким образом, оно является для земной поверхности важным источником тепла в дополнение к поглощенной солнечной радиации.

Встречное излучение возрастает с увеличением облачности, поскольку облака сами сильно излучают.

Для равнинных станций умеренных широт средняя интенсивность встречного излучения (на каждый квадратный сантиметр площади горизонтальной земной поверхности в одну минуту) порядка 0,3 – 0,4 кал, на горных станциях – порядка 0,1 – 0,2 кал. Это уменьшение встречного излу-чения с высотой объясняется уменьшением содержания водяного пара. Наибольшее встречное излуче-ние – у экватора, где атмосфера наиболее нагрета и богата водяным паром. Здесь оно составляет 0,5 – 0,6 кал/(см2·мин)в среднем годовом, а к полярным широтам убывает до 0,3 кал/(см2·мин).

Водяной пар играет основную роль, как в поглощении земного излучения, так и во встречном излучении.

Встречное излучение всегда несколько меньше земного. Поэтому ночью, когда солнечной радиации нет и к земной поверхности приходит только встречное излучение, земная поверхность теряет тепло за счет положительной разности между собственным и встречным излучением. Эту разность между собственным излучением земной поверхности и встречным излучением атмосферы называют эффективным излучением (Ее)

Эффективное излучение представляет собой чистую потерю лучистой энергии, а следовательно, и тепла с земной поверхности ночью, и именно оно измеряется специальными приборами – пиргеометрами. Собственное излучение можно определить по закону Стефана-Больцмана, зная температуру земной поверхности, а встречное излучение вычислить по формуле (57).

Интенсивность эффективного излучения в ясные ночи состав­ляет около 0,10 - 0,15 кал/(см2·мин)на равнинных станциях умеренных широт и до 0,20 кал/(см2·мин) –на высокогорных станциях (где встречное излучение меньше). С возрастанием облачности, увеличивающей встречное излучение, эффективное излучение убывает. В облачную погоду оно гораздо меньше, чем в ясную; стало быть, меньше и ночное охлаждение земной поверхности.

Эффективное излучение, конечно, существует и в дневные часы. Но днем оно перекрывается или частично компенсируется поглощенной солнечной радиацией. Поэтому земная поверхность днем теплее, чем ночью, вследствие чего, между прочим, и эффективное излучение днем больше.

В общем земная поверхность в средних широтах теряет эффективным излучением примерно половину того количества тепла, которое она получает от поглощенной радиации.

Поглощая земное излучение и посылая встречное излучение к земной поверхности, атмосфера тем самым уменьшает охлаждение последней в ночное время суток. Днем же она мало препятствует нагреванию земной поверхности солнечной радиацией. Это явление атмосферы на тепловой режим земной поверхности носит название тепличного эффектавследствие внешней аналогии с действием стекол теплицы.