ОсновыОсновыгеофизикигеофизики

НосовНосов МихаилМихаил АлександровичАлександровичотделение геофизики, физический факультет МГУотделение геофизики, физический факультет МГУ

20120199 ЛекцияЛекция №№44

http://ocean.phys.msu.ru/courses/geo/

РАДИАЦИОННЫЙ ОБМЕНВ СИСТЕМЕ

СОЛНЦЕ - ЗЕМЛЯ - КОСМОС

Законытепловогоизлучения

Абсолютно черное тело (АЧТ) –понятие теории теплового излучения, означающее тело, которое полностьюпоглощает любое падающее на егоповерхность электромагнитноеизлучение, независимо оттемпературы этого тела

понятие АЧТ введено Г.Р.Киргхофом в 1859г(G.R.Kirchhoff)

1. Поглощательная способность равна 1 приизлучениях всех частот, всех направлений илюбых поляризаций;

2. Плотность энергии и спектральный составизлучения, испускаемого единицей поверхностизависят только от его температуры, но не отприроды излучающего вещества;

3. Излучение АЧТ (*) может находиться вравновесии с веществом при равенстве потоковизлучения, испускаемого и поглощаемого АЧТ, имеющим определенную температуру.

(*)Такое излучение представляет собой излучение равновесное, котороеподчиняется закону излучения Планка

Свойства АЧТ:

БольцманапостояннаяК/Дж1038.1k 23

Испускательная способность АЧТ(закон излучения Планка [M.Planck, 1900] )

1kT

hcexp

1hc2)T,(5

2

м

1

см

Дж2

волныдлинаатемпературT

светаскоростьc

ПланкапостояннаясДж1063.6h 34

спектральнаяплотность

см

Дж2

м

1

см

Дж2

Испускательная способность АЧТ(закон излучения Планка [M.Planck, 1900] )

Испускательная способность АЧТ(закон излучения Планка [M.Planck, 1900] )

видимыйдиапазон

Следствиязакона Планка

законсмещения Вина

законСтефана-Больцмана

Закон смещения Вина [W.Wien, 1893]

d)T,(

d

1kT

hcexp

1hc2d)T,(5

2

maxT max

0)(F

d

d5

Винапостояннаяmax Kм 102.898 -3

T

d)(F

5

maxтрансцендентное уравнение

Закон Стефана-Больцмана[J.Stefan, 1879; L.Boltzmann, 1884]

1kT

hcexp

1hc2)T,(5

2

42

8

Kсм

Дж1067.5

0

d)T,(E 4T

32

45

hc15

k2

постояннаяСтефана-

Больцмана

Тело, коэффициент поглощения которого меньше 1 и независит от длины волны излучения и абсолютнойтемпературы, называется «СЕРОЕ ТЕЛО»

СЕРОЕ ТЕЛО является источником серого излучения, одинакового по спектральному составу с излучением АЧТ, но отличающегося от него меньшей яркостью

Коэффициент черноты β:Каменный уголь 0.8 Сажа 0.94-0.96Платиновая и висмутовая черни 0.93-0.99

1,АЧТСТ

4TE

Модель реального тела

СОЛНЕЧНАЯСОЛНЕЧНАЯ ПОСТОЯННАЯПОСТОЯННАЯ (S0) -суммарный поток солнечного излучения, проходящий через единичную площадку, перпендикулярную направлению лучей инаходящуюся вне земной атмосферы насреднем расстоянии Земли от Солнцаr=1 а. е. (149.6 ·109м).

20 м/Вт1367S

цикллетний11%1.0Sпятнасолнечные%01.0S

0

0

меняет глобальную температуру Земли на 0.1К

2м/Вт1.0~Q

Тепловой потокиз недр Земли

Светимость СолнцаВт1084.3r4SL 262

0

Доля энергии, получаемая ЗемлейВт1075.1RSL 172

0

1022 104.4r4/RL/L

АЧТ при T=5770 K

24 R4TL

Сезонные вариации солнечной радиации(но не солнечной постоянной! )

034.1e1e1

017.1e1e1

caca

r

r0167.0a/ce

r

r

r

1~

2

афелий

перигелий

перигелий

афелий

2

перигелий

афелий

афелий

перигелий

2

2с

F1

F2

2a

афелий

перигелий

4 июля

3 января

Земля ближек Солнцу

зимой, но нелетом!!!

Оценка радиационнойтемпературы Земли

Следствиязакона Планка

законсмещения Вина

законСтефана-Больцмана

4TE maxT max

В спектре планетвсегда присутствуютдва максимума:

1. отраженноесолнечное излучение

2. тепловое излучение

АльбедоАльбедо – доля солнечнойэнергии, отраженной от планеты

0

0/A- падающий поток солнечногоизлучения;- поток, рассеянный планетойво все стороны.

Альбедо различных поверхностей (%)

Океан 2-10Леса 6-18Города 14-18Трава 7-25Почва 10-20Пустыня (песок) 35-45Лед 20-70Облака 30-70Снег (старый) 40-60Снег (свежий) 75-95

смДжTE

2

4

0t

r

2типов R4S

2сечения RS

R R

2типов R4S 2r4S

4/1)A1(r2

RTT

м1096.6R 8

типов4STL

2

2

r4

RL

типов4ST

)A1(

C18K255 o

3.0A K5770T

м106.149r 9

)R4(T 24

2

224

r

RRT

)R4(T 24

Почему такаянизкая

температура?!Средняя

температураЗемли ≈ 288 K

Не учтено влияние атмосферы!(парниковый эффект)

Joseph Fourier 1768 – 1830

French mathematician and physicist

Svante Arrhenius1859 – 1927

Swedish scientist, the Nobel Prize for Chemistry in 1903

Arrhenius S. A., On the influence of carbonic acid in the air upon the temperature of the ground, Philosophical Magazine 41 (1896), 237–76.

Fourier J. B., Mémoire sur les températures du globe terrestre et des espaces planétaires, Mémoires de l’Académie Royale des Sciences 7 (1827), pp. 569–604.

???

метанзакись азота

кислород и озонуглекислый газводяной пар

Спектрпоглощенияатмосферы

НормированныеспектрыизлученияСолнца и Земли

Модель без учета атмосферы~0.5 мкм ~10 мкм

A

A

)A1(

6.0B

)T(B),T(A возможность глобальногооледенения и потепления

C15K288 o

1BB)A1(

4/1

B

A1

r2

RTT

м1096.6R 8

3.0A K5770T

м106.149r 9

Радиационно-тепловой баланс атмосферы

альбедо A~0.3

6.011569B

43+34+67=144

115+6+23=144

Широтное распределение инсоляции (Вт/м2)поверхности Земли

Среднегодовая температура поверхностиМирового океана

WORLD OCEAN ATLAS 2013 https://www.nodc.noaa.gov/OC5/woa13/

Существует поток тепла от экватора к полюсам

Среднегодовые широтные распределения радиации (Вт/м2):поглощенной солнечной, излученной длинноволновой

и их разница

Упрощенная модель циркуляции атмосферы

George Hadley, 1735

Блоки климатической системы(проявление сезонных колебаний)

Атмосфера в целом

Верхний«деятельный» слойокеана ~250 м

Верхний«деятельный»слой суши ~10 м

Mасса=1

Mасса=0.55Масса = 16.4Теплоемкость = 77 Теплоемкость = 0.5

Теплоемкость = 1.1+ ледяные щиты

высокая тепловая

инерция

Самое инерционное звено

Малоинерционный блок, приспосабливающийся ксостоянию океана и суши

Термин КЛИМАТКЛИМАТ (в переводе с греческого –«наклон») ввел древнегреческий астрономГиппарх, который разделил Землю на 5 широтныхзон: полярные, умеренные и тропическую, которыеразличаются 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 учёный-энциклопедист, физик, метеоролог, географ, ботаник, зоолог и путешественник

Василий Вас. Докучаев развил и детализировалпредставления о широтной, а затем ивертикальной, зональности поверхности суши. Построены климатические карты – средниетемпературы, осадки, давление для различныхсезонов и среднегодовые.

Василий Васильевич Докучаев (1846-1903 гг.)– русский ученый, основатель современного научного почвоведения и комплексного исследования природы

Погода – мгновенное состояние атмосферы

Климатом называется статистическийансамбль состояний, проходимыхклиматической системой «Океан-Суша-Атмосфера» за период в несколькодесятилетий (~30 лет)

Климат НЕ ЯВЛЯЕТСЯ некоторымустойчивым средним состоянием, флуктуации которого - второстепенныехарактеристики

Климат подвержен хаотичной изменчивости

Эдвард Нортон Лоренц(1917-2008) —американский математик и метеоролог, один из основоположников теории хаоса, автор эффекта бабочки, аттрактора Лоренца

"Does the Flap of a Butterfly's Wings in Brazil

Set Off a Tornado in

Texas?"