радиационный обмен в системе солнце - земля

РАДИАЦИОННЫЙ ОБМЕН
В СИСТЕМЕ
СОЛНЦЕ - ЗЕМЛЯ - КОСМОС
Нормированные
спектры излучения
Солнца и Земли
Спектры поглощения
метан
закись азота
озон
углекислый газ
водяной пар
Поглощение электромагнитного
излучения атмосферой
Окна прозрачности атмосферы Земли:
"большое окно": 0.3-1.3 мкм (видимый диапазон)
 1.5-1.8 мкм (ИК диапазон)
 2.0-2.6 мкм (ИК диапазон)
 7.0-15.0 мкм (тепловой ИК диапазон)
 0.5 мм и более 10м (микроволн.и радиодиапазон)
Энергетический спектр Солнца
Солнечная радиация на
верхней границе атмосферы
Солнечная радиация
на уровне моря
АЧТ
В спектре планет
всегда присутствуют
два максимума:
1. отраженное
солнечное излучение
2. тепловое излучение
Альбедо – доля солнечной
энергии, отраженной от планеты
A   / 0
 0 - падающий поток солнечного

излучения;
- поток, рассеянный планетой
во все стороны.
Альбедо различных поверхностей (%)
Океан
Леса
Города
Трава
Почва
Пустыня (песок)
Лед
Облака
Снег (старый)
Снег (свежий)
2-10
6-18
14-18
7-25
10-20
35-45
20-70
30-70
40-60
75-95
СОЛНЕЧНАЯ ПОСТОЯННАЯ (S0) суммарный поток солнечного излучения,
проходящий через единичную площадку,
перпендикулярную направлению лучей и
находящуюся вне земной атмосферы на
среднем расстоянии Земли от Солнца
Тепловой поток
r=1 а. е. (149.6 ·109м).
из недр Земли
2
S0  1367 Вт / м
2
Q ~ 0.1 Вт / м
 S 0  0 . 01 %
 солнечные
пятна
 S 0  0 .1 %
 11  летний цикл
меняет глобальную температуру Земли на 0.1К
Светимость Солнца
2
26
L  S0  4r  3.84 10 Вт
АЧТ при T=5770 K
Доля энергии, получаемая Землей
2
17
L   S0 R   1.75 10 Вт
2
2
L  / L  R  / 4r  4.4 10
10
 Все существующие на Земле
запасы каменного угля
равноценны 30-летнему притоку
солнечной радиации к Земле.
 За 1,5 суток Солнце дает Земле
столько же энергии, сколько дают
электростанции всех стран в
течение 1 года.
Сезонные вариации солнечной радиации
(но не солнечной постоянной! )
~
1
r
2

 перигелий
 афелий
 r

афелий 


r

 перигелий 
2
3 января
перигелий
Земля ближе к
Солнцу зимой,
но не летом!!!
e  c / a  0.0167
rафелий
a  c 1 e


 1.017
rперигелий a  c 1  e
 перигелий
 афелий
2
1 e 
  1.034
 
1 e 
F1
2a
2с
F2
4 июля афелий
Широтное распределение инсоляции (Вт/м2)
поверхности Земли
Среднегодовые широтные распределения радиации (Вт/м2):
поглощенной солнечной, излученной длинноволновой
и их разница
Существует поток тепла от экватора к полюсам
Блоки климатической системы
(проявление сезонных колебаний)
Малоинерционный блок,
приспосабливающийся к
состоянию океана и суши
Атмосфера в целом
Mасса=1
Теплоемкость = 1.1
Самое
инерционное
звено
Верхний
Верхний
«деятельный» слой «деятельный»
океана ~250 м
слой суши ~10 м
Масса = 16.4
Теплоемкость = 77
+ ледяные
щиты

высокая
тепловая
инерция
Mасса=0.55
Теплоемкость = 0.5
 Термин КЛИМАТ (в переводе с греческого –
«наклон») ввел древнегреческий астроном
Гиппарх, который разделил Землю на 5 широтных
зон: полярные, умеренные и тропическую, которые
различаются наклоном солнечных лучей.
Гиппарх из Никеи
(190-120 гг.до н.э.) –
древнегреческий
астроном, географ и
математик
 Александр фон Гумбольт добавил к
«наклону» влияние подстилающей
поверхности океана и суши на атмосферу
Александр фон Гумбольт
(1769-1859 гг.)
– немецкий учёныйэнциклопедист, физик,
метеоролог, географ,
ботаник, зоолог и
путешественник
 Василий Вас. Докучаев развил и детализировал
представления о широтной, а затем и
вертикальной, зональности поверхности суши.
Построены климатические карты – средние
температуры, осадки, давление для различных
сезонов и среднегодовые.
Василий Васильевич
Докучаев (1846-1903 гг.)
– русский ученый,
основатель современного
научного почвоведения и
комплексного
исследования природы
 Погода – мгновенное состояние атмосферы
 Климатом называется статистический
ансамбль состояний, проходимых
климатической системой «Океан-СушаАтмосфера» за период в несколько
десятилетий (~30 лет)
 Климат НЕ ЯВЛЯЕТСЯ некоторым
устойчивым средним состоянием,
флуктуации которого - второстепенные
характеристики
 Климат подвержен хаотичной изменчивости
"Does the Flap of a
Butterfly's Wings in
Brazil Set Off a
Tornado in Texas?"
Эдвард Нортон Лоренц
(1917-2008) —
американский математик
и метеоролог, один из
основоположников теории
хаоса, автор эффекта
бабочки, аттрактора
Лоренца
Эксцентриситет орбиты:
0.0007-0.0658 с периодами
100 и 400 тыс. лет
Наклон земной оси:
22.1о-24.5о с периодом
41 тыс. лет
Прецессия: 23 тыс. лет
(климатическая прецессия – вариации
направления оси вращения Земли
относительно плоскости орбиты)
Циклы Миланковича
1. Эксцентриситет орбиты:
0.0007-0.0658 с периодами
100 и 400 тыс. лет
2. Наклон земной оси: 22.1о-24.5о с
периодом 41 тыс. лет
Милутин Миланкович
(1879-1958 гг.)
сербский математик,
создавший
математическую
теорию климата
3. Прецессия: 23 тыс. лет
(климатическая прецессия –
вариации направления оси
вращения Земли относительно
плоскости орбиты)
Q() " Экцентриситет"" Наклон оси"" Прецессия"
средняя
инсоляция на
широте 
1 ( t )
эквивалентная
широта
астрономическая
эпоха
Q(1 ( t ))  Q()
Расчет вариаций «эквивалентной широты» (65oN) за 1 млн. лет
Расчеты соответствуют палеоданным
о хронологии ледниковых периодов!
Оценка радиационной
температуры Земли
15 0 0
00 00
0
км
Базовые предположения:


Дж
4
1) E  T 

2
м с
2)

t
0
T  T
r
Sпов ти Солнца  4R 
2
Sсечения  R 
2
Sпов  ти  4R 
2
4
4
2
L  T Sпов  ти Солнца  T (4R  )
   L
R 
2
4
2
 T R 
2
R
2
2
4r
r
4
2
4
   T Sпов ти Земли  T (4R  )
  (1  A)   
T  T
R
1/ 4
(1  A)
Почему такая низкая
температура?!
Средняя температура
Земли ≈ 288 K
o
 255 K  18 C
2r
T  5770 K
A  0.3
8
R   6.96 10 м
9
r  149.6 10 м
Модель парникового эффекта
  (1  A )   
   (1  A )  B  
B 1
1/ 4
T  T
R 1 A 

  288 K  15 o C


2r  B 
B  0. 6
T  5770 K
8
R   6.96 10 м
A(T ), B(T )
A  0.3
9
r  149.6 10 м
возможность глобального
оледенения и потепления
Радиационно-тепловой баланс атмосферы
альбедо A~0.3
B
69
115
 0 .6
«входное»
окно
«выходное»
окно
Климат Земли сильно зависит от пропускной способности окон
Антропогенное
воздействие?
Концентрация СО2 определяется:
Доиндустриальная эпоха
280 PPM
1.Фотосинтезом;
20 000 лет (ледниковый период)
180 PPM
2. Дыханием живых организмов;
220 млн.лет
1900 PPM
3.Обменом между океаном и атмосферой;
450-550 млн.лет
7500 PPM
4.Антропогенной деятельностью (в современном мире)