МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО
ОБРАЗОВАНИЯ
“ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ”
Факультет географии, геоэкологии и туризма
Кафедра природопользования
Учебное пособие
КУРС ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНАМ
«Учение об атмосфере»
«Климатология с основами метеорологии»
ЧАСТЬ 2
Темы: РАДИАЦИОННЫЙ И ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ АТМОСФЕРЫ И
ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ
для бакалавров и магистров
05.03.02 «География»,
05.04.02м «География»,
05.03.06 «Экология и природопользование»,
05.04.06м «Экология и природопользование»
Составитель: Л.М. Акимов
Воронеж 2017
Стр.1
СОДЕРЖАНИЕ
1.
2.
Тема №2 Радиация в атмосфере
Лекция № 5 Солнечная и земная радиация
Тема № 3 Тепловой режим атмосферы
Лекция № 6 Тепловой режим атмосферы и подстилающей
поверхности
3.
4.
5.
Лабораторная работа: Актинометрические наблюдения
Лабораторная работа: Измерение температуры воздуха
Лабораторная работа: Измерение температуры почвы
6. Фонд оценочных средств (ФОС)
73
85
94
100
4
41
3
Стр.3
Радиация распространяется по всем направлениям от источника
радиации, излучателя, в виде электромагнитных волн со скоростью, очень
близкой к 300 000 км/сек.
В метеорологии приходится иметь дело преимущественно с
температурной радиацией, определяемой температурой излучающего тела и
его излучательной способностью. Наша планета получает такую радиацию от
Солнца; земная поверхность и атмосфера в то же время сами излучают
температурную радиацию, но в других диапазонах длин волн.
1. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ
Основные законы теплового излучения
• ЗАКОН КИРХГОФА: отношение излучательной способности тела Fλ
к поглощательной способности aλ в условиях термодинамического
равновесия не зависит от природы тела: оно является для всех тел
одной и той же функцией B(λ, T) длины волны λ и температуры Т:
Fλ/aλ= B(λ, T)
(1)
• ЗАКОН СТЕФАНА – БОЛЬЦМАНА: Поток излучения В абсолютно
черного тела увеличивается пропорционально четвертой степени
абсолютной температуры тела Т:
В = σТ4,
(2)
где σ = 5,67032 ∙ 10-8 Вт/(м2∙К4) – постоянная Стефана - Больцмана
• ПЕРВЫЙ ЗАКОН ВИНА: Закон смещения длины волны: длина
волны λm, на которую приходится максимум излучательной
способности абсолютно черного тела, обратно пропорциональна
температуре Т:
λm= с,/Т,
6
(3)
Стр.6
где с,=0,28976 ∙ 10-2м К – постоянная величина
При изменении температуры смещается максимум энергии спектра.
• ВТОРОЙ ЗАКОН ВИНА: Максимальная излучательная способность
абсолютно черного тела В(λm,Т) возрастает пропорционально пятой
степени абсолютной температуры Т:
В(λm,Т) = с,,Т5,
где с,, = 1,301 ∙ 10-5Вт/(м3 К5)
Спектральный состав солнечной радиации
Часть солнечной радиации представляет собой видимый свет. Тем
самым Солнце является для Земли источником не только тепла, но и света.
Электромагнитная радиация, есть форма материи, отличная от
вещества. Частным случаем ее является видимый свет; а также гамма-лучи,
рентгеновы, ультрафиолетовые, инфракрасные лучи, радиоволны.
На интервал длин волн между 0,1 и 4 мк приходится 99% всей энергии
солнечной радиации. Всего 1% остается на радиацию с меньшими и
большими длинами волн, вплоть до рентгеновых лучей и радиоволн.
Видимый свет занимает узкий интервал длин волн, всего от 0,40 до 0,75
мк. Однако в этом интервале заключается почти половина всей солнечной
лучистой энергии (46%). Почти столько же (47%) приходится на
инфракрасные лучи, а остальные 7% — на ультрафиолетовые.
Температурную радиацию с длинами волн от 0,002 до 0,4 мк
называют ультрафиолетовой. Она невидима, т. е. не воспринимается
глазом. Радиация от 0,40 до 0,75 мк — это видимый свет,
воспринимаемый глазом. Свет с длиной волны около 0,40 мк —
фиолетовый, с длиной волны около 0,75 мк — красный. На
промежуточные длины волн приходится свет всех цветов спектра.
7
(4)
Стр.7
Радиация с длинами волн больше 0,75 мк и до нескольких сотен микронов
называется инфракрасной; она, так же как и ультрафиолетовая, невидима.
В метеорологии принято выделять
длинноволновую радиацию.
коротковолновую и
Спектр излучения Солнца:
• Гамма-лучи (λ < 10-5 мкм)
• Рентгеновское излучение (10-5 мкм< λ < 10-2)
• Ультрафиолетовая радиация (10-2 < λ <0,39)
• Видимое излучение (0,39 < λ < 0,76):
красный (λ=0,62÷0,76); оранжевый; желтый; зеленый; голубой; синий;
фиолетовый (λ=0,39÷0,45)
• Инфракрасная радиация (0,76 < λ < 3000)
• Радиоволновое излучение (λ > 0,3 см)
Коротковолновой называют радиацию в диапазоне длин волн от 0,1
до 4 мк. Она включает, кроме видимого света, еще ближайшую к нему по
8
Стр.8
длинам волн ультрафиолетовую и инфракрасную радиацию. Солнечная
радиация на 99% является такой коротковолновой радиацией.
К длинноволновой радиации относят радиацию земной поверхности и
атмосферы с длинами волн от 4 до 100-120 мк.
Тело, испускающее температурную радиацию, охлаждается; его
тепловая энергия переходит в энергию радиации, в лучистую энергию. Когда
же радиация падает на другое тело и поглощается им, лучистая энергия
переходит в другие виды энергии, главным образом в теплоту. Это значит,
что температурная радиация нагревает тело, на которое она падает.
Термином радиация называют также явление совсем другого рода,
именно — корпускулярную радиацию, т. е. потоки электрически заряженных
элементарных частиц вещества, преимущественно протонов и электронов,
движущихся со скоростями в сотни километров в секунду, хотя и большими,
но все-таки очень далекими от скорости света. Энергия корпускулярной
радиации в среднем в 107 раз меньше, чем энергия температурной радиации
Солнца. Однако она сильно меняется с течением времени в зависимости от
физического состояния Солнца, от солнечной активности.
Ниже 90 км корпускулярная радиация в атмосферу почти не
проникает.
Лучистая энергия Солнца превращается в тепло отчасти в самой
атмосфере, но главным образом на земной поверхности. Она идет здесь на
нагревание верхних слоев почвы и воды, а от их и воздуха. Нагретая земная
поверхность и нагретая атмосфера в свою очередь сами излучают невидимую
инфракрасную радиацию. Отдавая эту радиацию в мировое пространство,
земная поверхность и атмосфера охлаждаются.
Распределение энергии в спектре солнечной радиации до поступления
ее в атмосферу можно приближенно найти путем экстраполяции результатов
9
Стр.9
наземных наблюдений. В последнее время важные результаты получены
также с помощью ракет и спутников.
Максимум лучистой энергии приходится при этом в солнечном
спектре, как и в спектре абсолютно черного тела, на волны с длинами около
0,47 мк, т. е. на зелено-голубые лучи видимой части спектра. Однако в
ультрафиолетовой части солнечного спектра энергия существенно меньше,
чем в ультрафиолетовой части спектра абсолютно черного тела при
температуре 6000° К.
Солнечная постоянная
Интенсивность солнечной радиации перед вступлением ее в атмосферу
(обычно говорят: «на верхней границе атмосферы» или «в отсутствии
атмосферы») называют солнечной постоянной. Смысл слова постоянная
состоит здесь в том, что эта величина не зависит от поглощения и рассеяния
радиации в атмосфере. Она относится к радиации, на которую атмосфера еще
не повлияла. Солнечная постоянная, зависит, таким образом, только от
излучательной способности Солнца и от расстояния между Землей и
Солнцем.
Интенсивность солнечной радиации на перпендикулярную к
солнечным лучам единичную площадку, находящуюся вне атмосферы при
среднем расстоянии от Земли до Солнца называют Солнечной постоянной:
S* = 1,37 кВт/м. кв.
(5)
Земля вращается вокруг Солнца по мало растянутому эллипсу, в одном
из фокусов которого находится Солнце. В начале января она наиболее близка
к Солнцу (147 млн. км), в начале июля — наиболее далека от него (152 млн.
км). Так как интенсивность радиации меняется обратно пропорционально
квадрату расстояния, то солнечная постоянная в течение года меняется на
10
Стр.10