2. Пропускание атмосферы в ик диапазоне
Коэффициент пропускания Кпр, оптического излучения в какой-либо среде можно в общем виде определять по формуле:
Кпр= exp (aeL), (3)
где ае – коэффициент экстинкции (ослабления); L – длина пути, пройденного излучением.
Коэффициент экстинкции (ослабления) равен сумме коэффициентов поглощения и рассеяния, измеряется в обратных единицах длины (см-1, м-1 и т.п.). При взаимодействии излучения с атмосферной средой происходят, в основном, процессы поглощения (селективные и неселективные) и рассеяния (резонансные и диффузные).
Пары воды, молекулы углекислого газа, озона и другие примеси, имеющиеся в атмосфере, селективно поглощают ИК излучение. Особенно интенсивно поглощают ИК излучение пары воды. Например, слой воды в несколько сантиметров является непрозрачным для ИК излучения с длиной волны более 1 мкм. Поэтому слой воды можно использовать в качестве теплозащитного экрана (фильтра), что и традиционно применяется при тушении пожаров. Молекулы азота, кислорода ослабляют ИК излучение за счет молекулярного (релеевского) рассеяния, которое значительно интенсивнее в видимом и УФ диапазонах, так как коэффициент релеевского рассеяния пропорционален λ–4. Именно этим объясняется голубой цвет неба, поскольку ультрафиолетовая компонента видимого света рассеивается интенсивнее, чем другие длины волн видимого диапазона.
Рассеяние и поглощение ИК излучения аэрозольными образованиями зависит от размера и химического состава частиц, их концентрации, длины волны излучения, географического положения (над морем или над континентом, на экваторе или на высоких широтах) и от других многих факторов и параметров.
В результате влияния всех этих процессов ИК излучение, проходя через атмосферу и достигая земной поверхности, ослабевает.
Изучение свойств земной атмосферы с точки зрения ее прозрачности в ИК диапазоне (как и для видимого и УФ диапазонов) имеет большое значение не только для радиационного и теплового баланса при обмене между падающим на Землю солнечна излучением и ИК излучением, испускаемым ею в космос (обратное излучение Земли), но и для самых различных приложений: связи, локации планет, медицины, экологии, сельского хозяйства, метеорологии, биофизики и т. д.
3. Радиационный и тепловой баланс земли
Основным источником энергии для всех процессов, происходящих в биосфере, является солнечное излучение. Атмосфера, окружающая Землю, слабо поглощает коротковолновое излучение Солнца, которое, в основном, достигает земной поверхности. Некоторая часть солнечного излучения поглощается и рассеивается атмосферой. Поглощение падающей солнечной радиации обусловлено наличием в атмосфере озона, углекислого газа, паров воды, аэрозолей.
Рассеяние падающей радиации Солнца обусловлено процессами взаимодействия излучения с атомами, молекулами газов и аэрозольными частицами. Прямая и рассеянная компоненты солнечного излучения, достигая земной поверхности частично поглощаются земной поверхностью, а часть падающего излучения отражается от нее в зависимости от характера поверхности. Отражательная способность тел характеризуется величиной альбедо, оценивающей отражательные или рассеивающие свойства (отношение отраженной мощности к мощности падающего потока). Например, поверхность, покрытая льдом, может отразить 75% и более падающего излучения; песок – примерно 30%; травяной покров – примерно 10%; а водная поверхность – примерно 2%.
Под действием падающего солнечного потока в результате его поглощения земная поверхность нагревается и становится источником длинноволнового (ДВ) излучения, направленного к атмосфере. Атмосфера, с другой стороны, также является источником ДВ излучения, направленного к Земле (так называемое противоизлучение атмосферы). При этом возникает взаимный теплообмен между земной поверхностью и атмосферой. Разность между КВ излучением, поглощенным земной поверхностью и эффективным излучением называется радиационным балансом. Преобразование энергии КВ солнечной радиации при поглощении ее земной поверхностью и атмосферой, теплообмен между ними составляют тепловой баланс Земли.
Главной особенностью радиационного режима атмосферы является парниковый эффект, который заключается в том, что КВ радиация большей частью доходит до земной поверхности, вызывая ее нагрев, а ДВ излучение от Земли задерживается атмосферой, уменьшая при этом теплоотдачу Земли в космос. Атмосфера является своего рода теплоизолирующей оболочкой, которая препятствует охлаждению Земли. Увеличение процентного содержания СО2, паров Н2О, аэрозолей и т. п. будет усиливать парниковый эффект, что приводит к увеличению средней температуры нижнего слоя атмосферы и потеплению климата. Основным источником теплового излучения атмосферы является земная поверхность.
Интенсивность солнечного излучения, поглощенного земной поверхностью и атмосферой составляет 237 Вт/м2, из них 157 Вт/м2 поглощается земной поверхностью, а 80 Вт/м2 – атмосферой. Тепловой баланс Земли в общем виде представлен на рис. 1.
Рис. 1. Схема теплообмена земли:
КВ – коротковолновое; ДВ – длинноволновое; (→| приток; |→ отток энергии)
Радиационный баланс земной поверхности составляет 105 Вт/м2, а эффективное излучение с нее равно разности поглощенной радиации и радиационного баланса и составляет 52 Вт/м2. Энергия радиационного баланса затрачивается на турбулентный теплообмен Земли с атмосферой, что составляет 17 Вт/м2, и на процесс испарения воды, что составляет 88 Вт/м2.
Сумма составляющих теплообмена (185 Вт/м2), равна тепловым потерям атмосферы в виде ДВ излучения в космическое пространство. Незначительная часть падающего солнечного излучения, которая существенно меньше приведенных составляющих теплового баланса, расходуется на другие процессы, происходящие в атмосфере.
Рис. 2. Схема теплообмена атмосферы:
КВ – коротковолновое излучение; ДВ – длинноволновое
С тепловым балансом Земли и атмосферы связан водный баланс атмосферы. В целом этот баланс для определенной поверхности соответствует равенству количества выпадающих на Землю осадков (133 см/год) и количеству водных испарений с поверхности Земли (тоже 133 см/год).
Разность испарений с континентов и поверхностей морей и океанов компенсируется за счет процессов массообмена водяных паров посредством воздушных течений и стока рек, впадающих в водные акватории земного шара.