Сделай Сам Свою Работу на 5

Тема 2. Солнечная радиация: понятие, виды, особенности,





Введение. Функции атмосферы как составной части

Географической оболочки Земли

Земля – единственная из известных планет, на которой уникальное сочетание космических, физических, химических, географических и биохимических процессов создало биологическую жизнь – явление, осознание смысла которого и его предназначения вряд ли когда-либо станет возможным. Основным источником энергии для ее поддержания и обеспечения действия практически всех перечисленных выше процессов, происходящих в географической оболочке Земли, является Солнце. И здесь важно подчеркнуть ту важнейшую роль, которую играла в возникновении и продолжает играть в существовании жизни на Земле ее воздушная оболочка – атмосфера. Без атмосферы Земля была бы такой же безжизненной, подверженной открытому влиянию Космоса, как и ее спутница Луна. Пропуская через себя поступающую на свою верхнюю границу солнечную (преимущественно коротковолновую) радиацию, атмосфера задерживает значительную часть отражаемой и излучаемой земной поверхностью длинноволновой радиации, тем самым регулируя тепловой баланс Земли и предохраняя ее от охлаждения.



Энергия Солнца обуславливает процессы циркуляции (переноса) в атмосфере воздушных масс, имеющих различные значения температуры и содержания водяного пара, тем самым формируя и определяя типы погоды и климата для различных регионов Земли.

Климат, в свою очередь, как среднемноголетние значения характеристик состояния атмосферы, оказывает глубокое и часто определяющее влияние на функционирование географической оболочки и ее других составных частей (гидросферы, литосферы, биосферы), являющихся средой обитания растительных и животных форм жизни, в том числе, конечно, и человека. От климата, т.е. (еще раз подчеркнем) от среднемноголетнего состояния атмосферы, зависит водный режим суши, основной характеристикой которого является величина речного стока, равная для среднегодовых условий разности значений количества осадков, выпадающих на территорию речного бассейна, и испарения с ее поверхности.

Существует тесная связь климата с гидрологическим режимом океанов, причем эта связь имеет двусторонний характер. Так, если скорость и направление морских течений зависят от ветра и термических условий на поверхности океанов, то перенос течениями теплых или холодных океанских водных масс является по своей сущности фактором, формирующим климат в зоне действия этих течений. В частности, в районах соприкосновения теплых и холодных морских течений значения климатических характеристик резко изменяются в пространстве, причем прослеживаются эти изменения на больших по площади территориях.



Значения климатических характеристик (в первую очередь, температуры и влажности воздуха, количества и интенсивности осадков, распределения их по сезонам года) оказывают очень сильное влияние на формирование жизненного цикла растительного покрова суши.

Связь животного мира суши с климатом может быть непосредственной – для животных разных классов и видов существуют вполне четкие диапазоны характеристик климата, обеспечивающие наиболее комфортные условия их существования; или более сложной, обусловленной зависимостями представителей животного мира от конструктивных особенностей пищевых цепей, элементами которых они являются.

Происходящие в атмосфере процессы оказывают влияние на жизнь и деятельность человека, начиная с первых этапов его существования. Стремление человека обеспечить себе безопасное и комфортное существование, при котором можно было бы если и не полностью исключить, то хотя бы, по возможности, смягчить воздействие грозных сил природы, стимулировало развитие науки и технического прогресса. Но даже и сейчас, несмотря на громадные достижения в этих областях своей деятельности, человечество продолжает находиться в зависимости от стихии. Есть способы защитить себя от воздействия смерчей, шквалов, сильных ливневых осадков, резких перепадов температуры воздуха и других опасных атмосферных явлений, известны причины их возникновения, но человек не может не допускать их возникновения, так как энергия этих процессов часто несоизмерима с энергией, которой он располагает.



До настоящего времени степень освоения различных территорий земного шара также находится в непосредственной зависимости от погодных и климатических условий. Человечество, как и тысячи лет назад, проживает в большинстве своем по берегам морей и океанов, в долинах рек или регионах, где экстремальные значения характеристик атмосферы имеют наименьшую повторяемость.

В последние годы в связи с быстрым ростом численности населения производство товаров потребления, и в первую очередь продовольствия, начинает отставать от уровня обеспечения даже минимального потребления. В этих условиях любые колебания погоды могут нанести серьезный урон производству товаров потребления и вызвать тяжелые последствия в жизнеобеспечении человечества.

Многие процессы в атмосфере влияют на здоровье и настроение людей. Изменение климата влечет за собой перестройку их характера, культуры, стиля мышления, национальных обычаев и традиций. Не случайно, что сейчас остро стоит вопрос о гуманизации наших представлений о процессах, происходящих в географической оболочке, то есть преломлении представлений о них, погоде и климате в частности, как о природных ресурсах, не только способствующих жизнеобеспечению человечества, но и, напротив, способных создать условия, при которых станет проблемным сохранение homo sapiens как биологического вида.

Поэтому изучение механизма атмосферных процессов и закономерностей их развития является одной из важнейших задач разных отраслей и направлений науки. Изучая явления и процессы в атмосфере и вскрывая их взаимосвязь с процессами в других оболочках Земли (гидросфере, литосфере, биосфере), можно найти условия, необходимые для устойчивого развития географической оболочки как среды обитания человека.

Тема 1. Атмосфера: физические характеристики и строение.

Состав воздуха

 

Атмосфера (от греческого atmos – пар и sphaira - шар)- воздушная оболочка Земли, состоящая из смеси различных газов и находящихся во взвешенном состоянии жидких и твердых частиц. В атмосфере непрерывно происходят разнообразные физические, химические и биологические процессы, изменяющие качественные и количественные характеристики ее различных слоев. Основным источником энергии для этих процессов служит солнечная энергия. Трансформируясь после проникновения в атмосферу в различные виды энергии, она вызывает перемещение воздушных масс, изменение атмосферного давления, образование облаков и осадков, служит причиной возникновения в ней различных метеорологических явлений (смерчей, гроз, шквалов, гололеда, сильных ливней и т.д.).

К основным характеристикам атмосферы как физической среды относятся температура и влажность воздуха, атмосферное давление, скорость и направление ветра, осадки, метеорологическая дальность видимости. При выполнении наблюдений за этими характеристиками, производимых на сети метеорологических станций, обязательно фиксируется время наблюдений, чтобы получить не только пространственное, но и временное их распределение. Задачи и упражнения по расчету и обработке характеристик атмосферы помещены в следующих разделах пособия. Задачи по исчислению времени даны в приложении.

В атмосфере наблюдается пространственное – горизонтальное и вертикальное – изменение всех основных метеорологических элементов. По вертикали в соответствии с характером распределения по высоте температуры, состава воздуха, атмосферного давления и некоторых других элементов атмосфера делится на пять основных сфер:

- тропосферу (в среднем до высоты 11 км),

- стратосферу (от 11 до 55-60 км),

- мезосферу (от 55-60 до 80-85 км),

- термосферу (от 80-85 до 800 км) и

- экзосферу (свыше 800 км).

Между этими слоями имеются небольшие по вертикальной мощности прослойки – между тропосферой и стратосферой – тропопауза, между стратосферой и мезосферой – стратопауза, далее мезопауза и термопауза. Кроме перечисленных выше оболочек в атмосфере выделяют также ионосферу, располагающуюся от верхней границы мезосферы на высоту нескольких сот километров. Воздух здесь чрезвычайно ионизирован, что обуславливает возникновение под воздействием солнечного излучения полярных сияний и магнитных бурь.

Тропосфера по своим физическим свойствам неоднородна в горизонтальном направлении и расчленяется на отдельные воздушные массы, представляющие собой объемы воздуха, занимающие площади земной поверхности, соизмеримые с размерами больших частей материков и океанов. Эти объемы воздуха обладают некоторыми общими свойствами (температура, влажность, прозрачность и т.д.) и перемещаются в одном из течений общей циркуляции атмосферы. Различают морские и континентальные (первые более влажные, вторые - сухие), холодные и теплые воздушные массы.

В масштабах всего земного шара выделяют глобальные воздушные массы, расположение которых носит зональный характер. К ним относятся следующие воздушные массы:

- арктического (в южном полушарии антарктического) воздуха;

- полярного воздуха, или воздушная масса умеренных широт (в каждом полушарии);

- тропического воздуха (в каждом полушарии);

- экваториального воздуха.

Перечисленные воздушные массы разделяются атмосферными фронтами – сравнительно узкими переходными зонами, сильно наклоненными к земной поверхности, в которых метеорологические элементы резко изменяются в горизонтальном направлении, называемыми главными атмосферными фронтами.

Меньше по размеру воздушные массы, находящиеся внутри глобальных воздушных масс и отличающиеся своими температурно-влажностными характеристиками, также разделяются фронтами: холодными (в случае, когда масса холодного перемещается в сторону теплого воздуха), теплыми (при перемещении теплого воздуха в сторону холодного) и фронтами окклюзии, представляющими собой слияние холодного и теплого фронтов.

Состав воздуха у земной поверхности имеет практически постоянный состав.

Таблица 1

Содержание основных газов, составляющих сухой воздух

Газы Содержание в % по объему Абсолютная плотность, г/м3
Азот 78,084
Кислород 20,946
Аргон 0,934
Углекислый газ 0.033
Неон, гелий, метан, криптон, окись азота, водород, ксенон, озон 0,036 (средняя)
Сухой воздух

 

Помимо перечисленных газов, в воздухе постоянно содержится водяной пар, процентное содержание которого по объему колеблется от 0,1% до 4%.

Твердые и жидкие частицы, находящиеся в атмосфере во взвешенном состоянии, называются аэрозолями. Концентрация их меняется в широких пределах в зависимости от времени и места. Наибольшее количество аэрозолей наблюдается в нижних слоях атмосферы. В больших промышленных городах в одном кубическом сантиметре воздуха содержится до нескольких десятков тысяч аэрозолей, в сельской местности – несколько тысяч, над океанами – несколько сотен.

Общая масса атмосферы составляет 5,27·1021г, что примерно в миллион раз меньше, чем масса самого Земного шара. При этом 50% всей массы атмосферы находится в слое от поверхности Земли до высоты 5 км, 75% – в слое до 10 км и 95% – в слое до 20 км.

Состояние атмосферы, то есть значение метеорологических характеристик в данный момент времени называется погодой. Она обуславливается перемещением тех или иных воздушных масс над конкретной территорией и возникающими при этом атмосферными явлениями – выпадением осадков или засухами, резкими повышениями или понижениями температуры воздуха, грозами, шквалами и т.д. Средние значения метеорологических характеристик за многолетний период (30 лет и более), наблюдаемые за этот период их наибольшие и наименьшие значения определяют то состояние атмосферы, которое называется климатом. Климат обуславливается климатообразующими процессами и факторами – тепло- и влагообменом, атмосферной циркуляцией, географической широтой и высотой над уровнем моря конкретной территории, рельефом местности и ее гидрографией и т.д.

Тема 2. Солнечная радиация: понятие, виды, особенности,

Методы измерения

 

Основным источником энергии для земной поверхности и атмосферы, обуславливающим возникновение и развитие здесь физических, химических и биологических процессов, является лучистая энергия Солнца. Радиация, поступающая от звезд, Луны и других космических тел, в 30·106 раз меньше солнечной. Поток тепла из глубин Земли к ее поверхности меньше тепла, получаемого от Солнца, в 5000 раз. Отсюда понятно то огромное значение, которое играет даже небольшое колебание значений поступающего на Землю потока солнечной радиации для устойчивости всех процессов, протекающих в географической оболочке, в том числе и самого существования жизни на Земле.

В спектре солнечной радиации на интервал длин волн между 0,1 и 4 мкм (мкм – микрометр, равный 10-6 метра) приходится 99% всей энергии солнечного излучения. Всего 1% остается на радиацию с меньшими и большими длинами волн, вплоть до рентгеновских лучей и радиоволн. Видимый свет занимает узкий интервал длин волн – всего от 0,40 мкм до 0,76 мкм. Однако, в этом интервале заключается 47% всей солнечной лучистой энергии, то есть почти половина. На инфракрасное излучение приходится 44%, а на ультрафиолетовое – 9% всей лучистой энергии Солнца.

Радиация, поступающая от Солнца в атмосферу и затем на земную поверхность в виде параллельного пучка лучей, называется прямой. Часть солнечной радиации рассеивается молекулами атмосферных газов и аэрозолями и поступает к земной поверхности в виде рассеянной радиации. Кроме рассеивания, солнечная радиация при прохождении через толщу атмосферы подвергается поглощению, главным образом, водяным паром, углекислым газом и озоном.

Количество лучистой энергии характеризуется потоком радиации, представляющим собой величину ее построения на перпендикулярную солнечным лучам единицу поверхности в единицу времени. В СИ поток радиации выражается в Вт/м2. В практической деятельности часто используется внесистемная единица – кал/см2·мин. Соотношение между этими единицами следующее: 1 кал/ см2·мин = 698 Вт/м2.

Поток лучистой энергии, поступающей на единицу горизонтальной поверхности, - s'

s′ = s · sinh, (2.1),

где s – поток солнечной радиации на перпендикулярную солнечным лучам поверхность, h – высота Солнца в градусах.

Уравнение для потока прямой солнечной радиации на поверхность любой экспозиции, т.е. любой ориентации и любого наклона s1 имеет вид:

s1 = s · (sinh - cosβ + cosh · sinβ · cos(A- α)) (2.2) ,

где β - угол наклона данной поверхности к горизонту, α - азимут облучаемой поверхности, т.е. угол между плоскостью меридиана и вертикальной плоскостью, проходящей через нормаль к данной поверхности, в градусах, А – азимут Солнца, в градусах.

Остальные обозначения те же, что и в формуле (2.1).

Общее ослабление прямой солнечной радиации в атмосфере выражается формулой Буге - Ламберта:

S = S0 · pm, (2.5),

где S – поток прямой солнечной радиации, достигающий поверхности Земли;

S0- поток прямой солнечной радиации на верхней границе атмосферы («солнечная постоянная», равная 1,98 кал/см2·мин);

р- коэффициент прозрачности атмосферы (величина безразмерная);

m- число «масс» атмосферы (величина безразмерная).

Коэффициент выбирается из таблицы.

Таблица 2

Коэффициенты прозрачности атмосферы (Р) для волн различной длины (мкм)

Границы участка, мкм Середина участка, мкм Цвет по спектру Коэффициент прозрачности, р
0,76 –0,69 0,69 – 0,60 0,60 – 0,57 0,57 –0,50 0,50 – 0,45 0,45 – 0,43 0,43 – 0,40 0,70 0,62 0,59 0,54 0,48 0,44 0,42 Красный Оранжевый Желтый Зеленый Сине-зеленый Синий Фиолетовый 0,97 0,94 0,92 0,89 0,83 0,79 0,77

 

Массу атмосферы m можно вычислить по приближенной формуле:

m = 1/sinh (2.6).

При высоте Солнца более 20° количество «масс» атмосферы резко уменьшается при дальнейшем подъеме Солнца к 8° до положения зенита, так как наибольшей энергией обладают голубые лучи, а рассеивание их наибольшее (коэффициент прозрачности для них, как видно из таблицы, всего 0,79 – 0,83), безоблачное небо имеет голубой цвет. При большом количестве «масс» атмосферы, когда высота Солнца менее 15°, до земной поверхности доходят лучи с длиной волны более 0,59 мкм, то есть оранжевого и красного цвета. Именно поэтому Солнце на восходе и заходе имеет оранжевый или красный цвет.

Отношение потока коротковолновой радиации Rk, отраженной деятельной поверхностью, к суммарной радиации (S+s), падающей на эту поверхность, называется ее отражательной способностью или альбедо (А), которое выражается в долях единицы А = Rk : (S+s) или в процентах А = Rk:(S+s)·100%.В таблице приведены значения альбедо некоторых естественных поверхностей.

 

Таблица 3

Альбедо некоторых видов деятельной поверхности

Поверхность Альбедо (%) Поверхность Альбедо (%)
Почвы: Чернозем сухой Чернозем влажный Глина сухая Глина влажная Паровое поле сухое Паровое поле влажное Вспаханное поле влажное Песок белый Песок чистый Песок речной   8-12   5-7   34-40 38-35 Растительный покров: Рожь и пшеница в разных стадиях зрелости Зеленая трава Сухая трава Лес Снежный покров: Снег сухой чистый Снег влажный чистый Снег, пропитанный водой (грязный) Морской лед     10-25 10-18   94-95   29-48

 

Величина (1-А) представляет собой коэффициент поглощения деятельной поверхности, показывающий, какая часть падающей на эту поверхность коротковолновой суммарной радиации поглощается ею.

 








Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.