Радиационен баланс на атмосферата
Радиационният баланс отчита трансформацията и поведението на слънчевата лъчиста енергия при взаимодействие с атмосферата и подстилащата повърхност, собственото излъчване на атмосферата и подстилащата повърхност.
Радиационният баланс на подстилащата повърхност (на долната граница на атмосферата), атмосферата и системата Земя-атмосфера (на горната граница на атмосферата) е крайната характеристика на всички радиационни процеси. Тоест процеси, свързани с влизането, излизането и взаимодействието на оптичното лъчение с различни компоненти на атмосферата и Земята.
За радиационния баланс на подстилащата повърхност R n уравнението има вида
където и са потоците (или сумите за период от време) на входящата пряка и разсеяна радиация; E 3 и E a - потоци (или количества) на противоизлъчване на земната повърхност и атмосферата; A % албедо от подлежащата повърхност.
Ролята на различни компоненти е видима от фигурата, която представя резултатите от наблюденията в пустинна зона близо до Ташкент (42°N, септември).
Ежедневно изменение на компонентите на радиационния баланс на подстилащата повърхност: 1 – пряка радиация; 2 – радиационен баланс; 3 – разсеяна радиация; 4 – отразена радиация; 5 – радиация от подстилащата повърхност.
Положителен R n баланс през деня и отрицателен през нощта са характерни за всички части на земното кълбо през лятото. През зимата на север и отчасти в умерените ширини този радиационен баланс остава отрицателен денонощно. Тази зона включва географски ширини, на които слънцето не се издига над 11° по обяд; тези. през декември границата на зоната лежи на 56°, през януари - 58°, през февруари - 66 ○ с.ш.
Годишният цикъл се характеризира с ясно изразена географска ширина поради голямата надморска височина на Слънцето. В зоната от 40° с.ш. до 40°S месечните стойности на радиационния баланс на сушата и морето винаги са положителни с максимум през юли. В по-високите географски ширини и през зимата радиационният баланс става отрицателен с минимум през декември. Според изчисленията на M.I. Будико (1956), средно-
Годишната стойност на радиационния баланс на земната повърхност като цяло е положителна и равна на 68 kcal/cm 2 -годишно (90 W/m 2).
Облачността променя не само входния компонент на радиационния баланс (директна и дифузна радиация), но и изходния компонент (радиация на подстилащата повърхност и отразена радиация). В резултат на това увеличаването на облачността води до намаляване на положителните стойности през деня и намаляване на отрицателните стойности през нощта.
Увеличаването на облачността от 3 до 8 точки намалява стойността с 20%.
Увеличаването на албедото от 10 до 80% (сняг) намалява стойността с фактор три.
За радиационния баланс на атмосферата уравнението се различава от предходното (за ) и има вида
Насрещни радиационни потоци на земната повърхност и атмосферата
сега представляват кредитната страна на баланса. Количеството е частта от пряката и разсеяната радиация, погълната от атмосферата (входяща). Стойността обозначава радиацията на атмосферата и подлежащата повърхност, излизаща в открития космос. Той представлява разходната част на радиационния баланс на атмосферата. Не всички компоненти могат да бъдат измерени директно. Следователно стойността се получава чрез изчисление.
Радиационният баланс на системата Земя-атмосфера се определя от сумата
.
Стойността за отделните региони може да бъде положителна или отрицателна, но за земното кълбо като цяло е близка до нула. Това се обяснява с факта, че топлинният режим на земното кълбо като цяло поддържа състояние, близко до стационарното.
Следователно положителният средногодишен баланс на подстилащата повърхност = 90 W/m 2 се балансира от отрицателен средногодишен баланс със същата стойност.
На фигурата е представена диаграма на средногодишното разпределение на потока от входяща слънчева радиация и дяловете на абсорбираните, разсеяните, отразените и изходящите потоци от късовълнова радиация според изчисленията на Шнайдер и Денист (1975)
Средногодишното разпределение на потока се приема за 100 условни единици.
От представеното разпределение на потока следва:
1. 41 единици пряка радиация са преминали през атмосферата и 39 единици са били разпръснати (на границата стратосфера-тропосфера).
2. 17 единици пряка слънчева радиация бяха разпръснати от молекули и аерозол, 22 единици бяха погълнати от хидросферата и 2 бяха отразени (излязоха нагоре). Общо 41 единици;
3. 39 разпръснати единици бяха разделени по този начин: 19 единици бяха разпръснати нагоре от облаците, 5 единици бяха погълнати от облаците, от останалите 15 единици 14,5 бяха погълнати в хидросферата, 0,5 бяха отразени и отидоха нагоре;
4. от 17 единици, разпръснати от молекули и аерозол, 6 единици се повишиха поради обратно разсейване от аерозол, 10,5 единици бяха погълнати от хидросферата и 0,5 единици бяха отразени (тези 0,5 единици и предишните 15 единици възлизат на 1 единица отразена радиация ) ;
5. общо 19+6+1+2=28 единици са напуснали системата;
6. така: 47 единици са абсорбирани от вода, 5 единици са абсорбирани от облаци, 3 единици са абсорбирани от озон в стратосферата, 17 единици са абсорбирани от вода и прах в тропосферата, за общо 72 единици;
7. Тези 72 единици са точно това, което липсва в изходящата радиация, има 28 единици;
Ако сега включим в тази диаграма потока на изходящата дълговълнова радиация (липсващите 72 условни единици), ще получим диаграма на глобалния радиационен баланс на Земята като планета.
Както може да се види от диаграмата, средният годишен поток на изходяща късовълнова радиация извън атмосферата се състои до голяма степен от тази, отразена от облаците (19 единици). И в по-малка степен, потоците, разпръснати обратно от атмосферния аерозол (6 единици) и отразени от подлежащата повърхност (3 единици).
Зоналното разпределение на радиационния баланс на Земята в момента се измерва със задоволителна точност с помощта на изкуствени спътници на Земята. От тези данни следва, че при положителни средни годишни стойности в екваториалната зона над океаните те са систематично по-високи, отколкото над сушата.
Регионалните особености на радиационния баланс на земната повърхност, атмосферата и Земята като цяло се състоят в тяхната висока пространствено-времева променливост, причинена от значителни вариации на компонентите. Поради това регионалното наблюдение на последните се оказва изключително важно за тълкуването на климатичните промени в отделните региони и на цялата планета.
