Загальні відомості про атмосферні процеси - студопедія

Особливості атмосферних процесів.

Екзосфера - зовнішній шар атмосфери понад 450 км.

Головною особливістю атмосферних процесів є неоднорідність атмосфери. Це пояснюється тим, що атмосфера постійно взаємодіє з поверхнею Землі, космічної середовищем і Сонцем. Безпосередньо від Сонця атмосфера нагрівається мало в основному прогрів йде від земної поверхні, радіація йде, від Сонця спочатку поглинається земною поверхнею і так як поверхня Землі в свою чергу теж неоднорідна (суша, водна поверхня, ліс, місто), відповідно різним чином відбувається нагрівання атмосфери в різних географічних районах.

Другою особливістю атмосферних процесів є наявність водяної пари в атмосфері. При певних умовах водяна пара конденсується, утворюючи різні атмосферні явища: хмари, тумани, які в свою чергу є джерелом інших атмосферних явищ: опадів, гроз, ряду оптичних явищ і т.п.

Крім того хмари змінюють і енергетичні ресурси атмосфери т.к при їх утворенні (при конденсації водяної пари) вивільняється велика кількість тепла. а поява хмар знижує приплив тепла до земної поверхні і зменшує втрату енергії земною поверхнею. Це ускладнює вивчення атмосферних процесів і їх передбачення.

Третя особливість атмосферних процесів в тому, що вони безперервно і постійно розвиваються над всією територією Землі. Це призводить до того, що стеження за атмосферними процесами складна і досить трудомістке завдання.

Четвертою особливістю атмосферних процесів є їх разномасштабность. Масштаби атмосферних процесів можуть коливатися від декількох метрів до тисяч кілометрів по висоті і довжині.

Джерела тепла. У житті атмосфери вирішальне значення має теплова енергія. Найголовнішим джерелом цієї енергії є Сонце. Інші небесні тіла також виділяють енергію, але вона має незначний вплив. Значно більше теплової енергії дає внутрішнє тепло Землі. Але його настільки мало, що приймати його до уваги також немає ніякої необхідності. Таким чином, єдиним джерелом теплової енергії на поверхні Землі можна вважати тільки Сонце.

Сонячна радіація. Сонце, що має температуру фотосфери (випромінюючої поверхні) близько 6000 °, випромінює енергію в простір у всіх напрямках. Частина цієї енергії у вигляді величезного пучка паралельних сонячних променів потрапляє на Землю, частина розсіюється, а частина поглинається атмосферою. Сонячна енергія, що дійшла до поверхні Землі у вигляді прямих променів Сонця, носить назву прямої сонячної радіації. Та частина сонячної енергії, яка розсіюється в атмосфері, називається розсіяною радіацією. Розсіяна сонячна радіація поширюється в атмосфері і потрапляє до поверхні Землі. Нами цей вид радіації сприймається як рівномірний денне світло, коли Сонце повністю закрите хмарами або тільки що сховалося за горизонтом.

Пряма і розсіяна сонячна радіація, досягнувши поверхні Землі, в повному обсязі поглинається нею. Частина сонячної радіації відбивається від земної поверхні назад в атмосферу і знаходиться там у вигляді потоку променів, так званої відбитої сонячної радіації.

Малюнок 1. Витрата сонячної енергії, що надходить на Землю.

Інтенсивність сонячної радіації. Під інтенсивністю прямої сонячної радіації розуміють кількість тепла в калоріях, одержуваного в 1 хв. від променевої енергії Сонця поверхнею в 1 см 2, розташованої перпендикулярно до сонячних променів.

На кордоні атмосфери, де виключено поглинає і розсіює вплив повітряної оболонки Землі, інтенсивність прямої сонячної радіації дорівнює приблизно 2 кал на 1 см 2 поверхні в 1 хв. Ця величина зветься сонячної постійної. Інтенсивність сонячної радіації в 2 кал на 1 см 2 в 1 хв. дає таку велику кількість тепла протягом року, що його вистачило б, щоб розплавити шар льоду в 35 м завтовшки, якби такий шар покривав всю земну поверхню.

Интенсивость сонячної радіації непостійна і залежить від широти місця, пори року, прозорості атмосфери і відбивної здатності земної поверхні або підстильної поверхні, так ка це може бути вода, суша, ліси, пустелі і т.п.

Малюнок 2.Ізмененіе кута падіння сонячних променів в залежності від широти місця

Таким чином, якщо на екваторі кількість отриманої радіації прийняти за 1, то на 60-й паралелі вона виразиться в 0,5, а на полюсі буде дорівнює 0.

Земна куля, крім того, має добове і річне рух, причому земна вісь нахилена до площини орбіти на 66 °, 5. В силу цього нахилу між площиною екватора і площиною орбіти утворюється кут в 23 ° 30 '. Ця обставина призводить до того, що кути падіння сонячних променів для одних і тих же широт будуть змінюватися в межах 47 ° (23,5 + 23,5).

Залежно від пори року змінюється не тільки кут падіння променів, але також тривалість освітлення. Якщо в тропічних країнах в усі пори року тривалість дня і ночі приблизно однакова, то в полярних країнах, навпаки, вона дуже різна. (Полярний день і полярна ніч)

Вплив прозорості атмосфери на приплив сонячної радіації до поверхні Землі. У верхньої межі атмосфери, тобто там де умовно відсутня атмосфера Земна поверхня на різних широтах за добу отримувала б таку кількість тепла, виражене в калоріях на 1 см 2 (див. Таблицю 1).

Наведене в таблиці розподіл радіації по земній поверхні прийнято називати солярним кліматом.

Таблиця 1. Кількість тепла, що отримується Землею в залежності від широти місця.

Ослаблення сонячної радіації в атмосфері. Сонячна радіація, проходячи через атмосферу, відчуває розсіювання і, крім того, поглинання. Обидва ці процесу разом послаблюють сонячну радіацію в значній мірі.

Розсіювання створюється тим, що промені світла, заломлюючись і відбиваючись від молекул повітря і частинок твердих і рідких тіл, що знаходяться в повітрі, відхиляються від прямого шляху ідействітельно «розсіюються».

При збільшенні кількості водяної пари і особливо пилових частинок розсіювання збільшується і радіація послаблюється. У великих містах і пустельних областях, де запиленість повітря найбільша, розсіювання послаблює силу радіації на 30-45%. Розсіювання обумовлює і самий колір неба.

У невеликій кількості поглинають променисту енергію основні гази, що входять до складу атмосфери. Однак водяна пара, озон, вуглекислий газ і пил, навпаки, відрізняються великою поглинальною здатністю.

У тропосфері найбільш значну домішку становлять водяні пари. Вони особливо сильно поглинають інфрачервоні (довгохвильові), т. Е. Переважно теплові промені. І чим більше водяної пари в атмосфері, тим природно більше і поглинання. У природних умовах кількість водяної пари в атмосфері мінливе і коливається в межах від 0,01 до 4% (за обсягом).

Дуже великий поглинальною здатністю відрізняється озон. Значна домішка озону, як відомо, знаходиться в нижніх шарах стратосфери (над тропопаузою). Озон поглинає ультрафіолетові (короткохвильові) промені майже повністю.

Великий поглинальною здатністю відрізняється також і вуглекислий газ. Він поглинає головним чином довгохвильові, т. Е. Переважно теплові промені.

Пил. що знаходиться в повітрі, також поглинає деяку кількість сонячної радіації. Нагріваючись під дією сонячних променів, вона може помітно підвищити температуру повітря.

Із загальної кількості сонячної енергії, що приходить до Землі, атмосфера поглинає всього близько 15%.

Ослаблення сонячної радіації шляхом розсіювання і поглинання атмосферою для різних широт Землі дуже по-різному. Ця різниця залежить перш за все від

-кута падіння променів;

-від пори року;

-від прозорості атмсфери.

При зенітному положенні Сонця промені, падаючи вертикально, перетинають атмосферу найкоротшим шляхом. Зі зменшенням кута падіння шлях променів подовжується і ослаблення сонячної радіації стає більш значним (див таблицю 2)

Таблиця 2. Шлях сонячного променя через атмосферу в залежності від широти місця і ступінь його ослаблення.

Кут падіння променів

Складність впливу атмосфери на сонячну радіацію ускладнюється ще тим, що пропускна її здатність дуже сильно змінюється в залежності від пори року і прозорості атмосфери. Наприклад хмарність значною мірою послаблює сонячну радіацію але тепло, поглинене хмарами, частиною йде на нагрівання атмосфери, а частиною непрямим чином досягає і земної поверхні.

Добовий і річний хід інтенсивності сонячної радіації. Інтенсивність прямої сонячної радіації біля поверхні Землі залежить від висоти Сонця над горизонтом і від стану атмосфери (від її запиленості). Якби прозорість атмосфери протягом доби була постійна, то максимальна інтенсивність сонячної радіації спостерігалася б опівдні, а мінімальна - при сході і заході Сонця.

Сумарна сонячна радіація. Поверхня Землі протягом дня безперервно отримує тепло від прямої і розсіяної сонячної радіації або тільки від розсіяної радіації (при похмурій погоді).

Добова кількість тепла, одержуваного земною поверхнею від сонячної радіації, залежить від інтенсивності радіації і від тривалості її дії протягом доби. У зв'язку з цим мінімум припливу тепла припадає на зиму, а максимум на літо. У географічному розподілі сумарної радіації по земній кулі спостерігається її збільшення зі зменшенням широти місцевості.

Роль прямий і розсіяною радіації в річній кількості тепла, що отримується земною поверхнею на різних широтах земної кулі, неоднакова. У високих широтах в річній сумі тепла переважає розсіяна радіація. Зі зменшенням широти переважне значення переходить до прямої сонячної радіації. Так, наприклад, в бухті Тихій розсіяна сонячна радіація дає 70% річної суми тепла, а пряма радіація тільки 30%. У Ташкенті, навпаки, пряма сонячна радіація дає 70%, розсіяна тільки 30%.

Відбивна здатність Землі. Альбедо. Як уже зазначалося, частина сонячної радіації відбивається в атмосферу.

Відношення величини сонячної радіації, відбитої даною поверхнею, до величини потоку променевої енергії, що падає на цю поверхню, називається альбедо.

Альбедо виражається у відсотках і характеризує відбивну здатність цієї ділянки поверхні.

Альбедо залежить від характеру поверхні (властивості грунту, наявності снігу, рослинності, води і т. Д.) І від величини кута падіння променів Сонця на поверхню Землі.

Відображає здатність у різних предметів неоднакова і залежить від висоти Сонця. При висоті сонця 45º вона найбільше у снігу і найменше у води. При зменшенні кута відображає здатність збільшується. Так, наприклад, при висоті Сонця в 90 ° вода відображає тільки 2%, при 50 ° - 4%, при 20 ° -12%, при 5 ° - 35-70% (в залежності від стану водної поверхні).

В середньому при безхмарному небі поверхню земної кулі відображає 8% сонячної радіації.

Крім того, 9% відображає атмосфера.

Таким чином, земну кулю в цілому при безхмарному небі відображає 17% падаючої на нього променевої енергії Сонця.

Якщо ж небо вкрите хмарами, то від них відбивається 78% радіації.

Якщо взяти природні умови, виходячи з того співвідношення між безхмарним небом і небом, вкритим хмарами, яке спостерігається в дійсності, то відбивна здатність Землі в цілому дорівнює 43%.

Випромінювання Землі. Земна і атмосферна радіація. Земля, отримуючи сонячну енергію, нагрівається і сама стає джерелом випромінювання тепла в світовий простір. Однак промені, що випускаються земною поверхнею, різко відрізняються від сонячних променів. Земля випромінює лише довгохвильові (# 955; 8-14 # 956;) невидимі інфрачервоні (теплові) промені. Енергія, яку випромінює земною поверхнею, називається земною радіацією.

Випромінювання Землі відбувається і вдень і вночі. Інтенсивність випромінювання тим більше, чим вище температура випромінюючого тіла. Земне випромінювання визначається в тих же одиницях, що і сонячне, т. Е. В калоріях з 1 см 2 поверхні в 1 хв. Спостереження показали, що величина земного випромінювання невелика. Зазвичай вона досягає 15-18 сотих калорії. Але, діючи безперервно, вона може дати значний парниковий ефект.

Найбільш сильне земне випромінювання виходить при безхмарному небі і хорошою прозорості атмосфери. (Це означає поверхню Землі швидше віддає своє тепло, швидше остигає) .Облачность (особливо низькі хмари) значно зменшує земне випромінювання і часто доводить його до нуля.

Частини атмосфери подібно ділянках земної поверхні випромінюють енергію відповідно до їх температурою. Ця енергія зветься атмосферної радіації. Інтенсивність атмосферної радіації залежить від температури випромінюючого ділянки атмосфери, а також від кількості водяної пари і вуглекислого газу, що містяться в повітрі. Атмосферна радіація відноситься до трупи довгохвильової. Поширюється вона в атмосфері в усіх напрямках; деяка кількість її досягає земної поверхні і поглинається нею, інша частина йде в міжпланетний простір.

Нагрівання суші. Поверхня суші не однорідна. В одних місцях великі простори степів, лугів і ріллі, в інших - ліси і болота, в третіх - майже позбавлені рослинного покриву пустелі. Зрозуміло, що умови нагрівання земної поверхні в кожному з наведених нами випадків далеко не однакові.

Розподіл тепла в воді. Розподіл тепла в воді значно визначається турбулентним перемішуванням. За рахунок великої теплоємності води океани здатні акумулювати велику кількість тепла. Вони можуть накопичувати тепла в 20-30 разів більше ніж суша.

Вплив рослинного і снігового покриву. Рослинний покрив затінює земну поверхню і тим самим зменшує приплив тепла до грунту. У нічний час, навпаки, рослинний покрив охороняє грунт від випромінювання. Крім того, рослинний покрив випаровує воду, на що теж витрачається частина променевої енергії Сонця. В результаті грунту, вкриті лісовою рослинністю, вдень нагріваються менше. Особливо це помітно в лісі, де влітку грунт значно холодніше, ніж в поле.