Що таке ефективне випромінювання | Ефективне випромінювання

Альбедо ЗемліВідсоткове відношення сонячної радіації, відданої земною кулею (разом із атмосферою) назад у світовий простір, до сонячної радіації, що надійшла на межу атмосфери. Віддача сонячної радіації Землею складається з відбиття від земної поверхні, розсіювання прямої радіації атмосферою у світовий простір (зворотного розсіювання) та відбиття від верхньої поверхні хмар. А. 3. у видимій частині спектра (візуальне)-близько 40%. Для інтегрального потоку сонячної радіації інтегральне (енергетичне) А. 3. близько 35%. У відсутність хмар візуальне А. 3. було б близько 15%.

Випромінювання земної поверхні- теплове інфрачервоне випромінювання земної поверхні, що не сприймається оком, з довжинами хвиль від 3 до 80 мкм. Потік власного випромінювання земної поверхні спрямований і майже повністю поглинається атмосферою, нагріваючи її. За рахунок свого випромінювання земна поверхня втрачає тепло. Атмосфера Землі поглинає земне випромінювання і знову повертає більшу частину Землі (зустрічне випромінювання).

Ефективне випромінювання земної поверхні- Різниця власного випромінювання земної поверхні та поглиненого нею зустрічного випромінювання атмосфери.

23. Тепловий баланс земної поверхні

Тепловий баланс земної поверхні - алгебраїчна сума всіх видів приходу та витрати тепла на поверхню суші та океану. Характер теплового балансу та його енергетичний рівень визначають особливості та інтенсивність більшості екзогенних процесів. Основними складовими теплового балансу океану є:

Радіаційний баланс;

Витрата тепла на випаровування;

Турбулентний теплообмін між поверхнею океану та атмосферою;

Вертикальний турбулентний теплообмін поверхні океану з шарами, що знаходяться нижче; і

Горизонтальна океанічна адвекція.

24. Теплопровідність ґрунту. Закони Фур'є.

Пористість - порошкоподібне подрібнення маси - сильно ускладнює проведення тепла в грунті, так як дотик окремих частинок її дуже недосконалий, а повітря, що лежить між ними, має дуже слабку теплопровідність. Вплив води на передачу тепла в глиб грунту може бути роз'яснений двома наступними випадками. По-перше, якщо ґрунт тільки вологий, тобто всі водяні частинки утримуються великою капілярною силою, внаслідок чого утруднюється їх циркуляція, то вода не може грати помітної ролі при розподілі теплоти в такому ґрунті. У цьому випадку вологий ґрунт щодо розподілу теплоти по ґрунтових шарах діятиме майже як сухий, тобто як поганий провідник теплоти.

Теплопровідність вологого грунту більша, ніж сухий, так як вода до певної міри витісняє частинки повітря, що мають найслабку здатність проводити теплоту; до того ж грунт втрачає і свою пористість. По-друге, якщо ґрунт настільки мокрий, що вода до певної міри може циркулювати, то подібний ґрунт при нагріванні зверху не передає нагрітих водяних частинок у глибші горизонти; вони вже в становищі найсприятливішому - стійкого рівноваги. Але якщо ґрунт буде охолоджуватися зверху, чи внаслідок холодного вітру чи променевипускання у світовий простір, то охолоджені верхні частинки рідини отримають прагнення опускатися вниз, на місце тепліших і глибше лежачих; внаслідок чого охолодження ґрунту відчуватиметься на більшій глибині, ніж нагрівання його, але саме тому, що при охолодженні ґрунту беруть участь великі маси частинок води, в ньому не виявляються при цьому такі крайнощі, як при протилежному явищі.

Перенесення енергії від більш нагрітих ділянок тіла до менш нагрітих внаслідок теплового руху та взаємодії складових його частинок. Приводить до вирівнювання температури тіла. Зазвичай кількість енергії, що переноситься, визначається як щільність теплового потоку, пропорційно градієнту температури – закон Фур'є.

Земля та атмосфера, як і будь-яке інше тіло, випромінюють енергію. Оскільки в порівнянні з температурою Сонця температура Землі та атмосфери мала, то енергія, що випромінюється ними, припадає на невидиму інфрачервону ділянку спектра. Слід зазначити, що ні земну поверхню, ні атмосферу не можна розглядати як абсолютно чорні тіла. Однак вивчення спектрів довгохвильової радіації різних поверхонь показало, що з достатньою мірою точності земну поверхню можна вважати сірим тілом. Це означає, що випромінювання земної поверхні при всіх довжинах хвиль відрізняється на той самий множник від випромінювання абсолютного чорного тіла, що має температуру, однакову з температурою земної поверхні. Таким чином, формула для потоку випромінювання земної поверхні може бути записана на основі закону Кірхгофа у наступному вигляді:

де Т 0 - Температура земної поверхні, - відносний коефіцієнт випромінювання або поглинання. Значення для різних поверхонь, за даними вимірювань, коливаються від 0,85 до 0,99. Потік випромінювання земної поверхні значно менший за поток випромінювання Сонця (B c<< B 0), но B 0 оказывается вполне сравнимым с величиной потока солнечной радиации F?, поступающего на поверхность Земли. Приведём значения потока излучения абсолютно черного тела при разных температурах: t 0 -40 -20 0 20 40 B кал/см 2 *мин0,24 0,34 0,46 0,61 0,79 Из этих данных следует, что B 0 имеет тот же порядок величины, что и F?. Поток излучения земной поверхности зависит от ее температуры, с увеличением которой он возрастает. Этот поток наблюдается днем и ночью и непосредственно не зависит от того, каков поток солнечной радиации. В каждой фиксированный момент времени земная поверхность, поглощающая коротковолновую радиацию, одновременно теряет энергию путем длинноволнового излучения. Значительная часть излучения земной поверхности поглощается атмосферой. Атмосфера в свою очередь излучает длинноволновую радиацию, часть которой, направленная к земной поверхности, называется встречным излучением или противоизлучением атмосферы. Поток встречного излучения атмосферы B A представляет собой количество длинноволновой радиации, поступающей от атмосферы к 1 см 2 земной поверхности в единицу времени. Поскольку земная поверхность не является абсолютно черным телом, то ею поглощается часть поступившего потока, равная. Разность между собственным излучением земной поверхности B 0 и поглощенной ею частью встречного излучения атмосферы называют эффективным излучением земной поверхности. Обозначая эффективное излучение через B * , имеем:

Температура атмосфери, зазвичай, нижче температури земної поверхні, у більшості випадків і, отже, тобто. внаслідок довгохвильового випромінювання земна поверхня майже завжди втрачає енергію. Лише в окремих випадках дуже сильних інверсій температури і високих значень вологості повітря ефективне випромінювання може виявитися негативним. Ефективне випромінювання дуже впливає на температурний режим земної поверхні, відіграє істотну роль в утворенні радіаційних заморозків і туманів, при сніготаненні та ін. Ефективне випромінювання сильно залежить від вмісту водяної пари в атмосфері та наявності хмарності. Тісний зв'язок між B * та пружністю водяної пари e поблизу поверхні землі характеризують такі дані безпосередніх вимірювань: e мм рт. ст. 4,5 8,0 11,3 B * кал/см 2 *хв 0,19 0,17 0,15 Як видно, зі збільшенням e ефективне випромінювання B * зменшується. Пояснюється це тим, що зі зростанням e збільшується зустрічне випромінювання атмосфери B A .

Багато енергії надходить на нашу планету у вигляді сонячного випромінювання. Ця енергія становить приблизно 1,7 1017 Вт. Кількість енергії, яка використовується в даний час, становить близько 1010 кВт. Якщо уявити, що приблизно 1% площі планети пристосований для уловлювання сонячної енергії за допомогою колекторів випромінювання ефективністю 10%, то можна зібрати 1011 кВт енергії. Шляхом обчислення за умови, що населення Землі становить певну кількість людей, кожен із яких споживає певну кількість енергії, можна визначити, чи достатньо цієї енергії. Так, нинішнє населення Землі становить близько 3109 осіб. Припустимо, що воно збільшилося до 5 109 чоловік і кожен споживає приблизно 10 кВт (що перевищує наші потреби), то й у цьому випадку отриманої енергії було б більше, ніж потрібно.

Для створення пересувних екранів використовують різноманітні матеріали. Захист від альфа-випромінювання досягається застосуванням екранів із звичайного або органічного скла завтовшки кілька міліметрів. Достатнім захистом від цього виду випромінювання є шар повітря кілька сантиметрів. Для захисту від бета-випромінювання екрани виготовляють із алюмінію або пластмаси (органічне скло). Від гамма- та рентгенівського випромінювання ефективно захищають свинець, сталь, вольфрамові сплави. Оглядові системи виготовляють із спеціальних прозорих матеріалів, наприклад свинцевого скла. Від нейтронного випромінювання захищають матеріали, що містять у складі водень (вода, парафін), а також берилій, графіт, з'єднання бору тощо. Бетон також можна використовувати для захисту від нейтронів.

Озонний шар є захисним екраном від ультрафіолетового (УФ) сонячного випромінювання в області довжин хвиль 240-320 нм. Оскільки УФ-В випромінювання ефективно поглинається нуклеїновими кислотами в живих клітинах, воно становить особливу небезпеку для живого. Крім цього, в результаті опромінення жорстким ультрафіолетовим випромінюванням збільшується ймовірність (а отже, і частота появи) захворювання на рак шкіри (мелонома та карцинома шкіри). Підраховано , що зменшення озонного шару лише на 5 % призведе до збільшення кількості випадків захворювання на рак шкіри у людей у ​​середньому на 10 % (див. п. 8.2).

Ці розрахунки вселяють оптимізм, але слушно нагадати, що в даний момент ще немає конструкцій колекторів випромінювання ефективністю 10%, що працюють економічно. Твердження «сонячна енергія доступна» оманливе, оскільки вартість енергії - це лише один компонент вартості перетвореної енергії або палива (електрики, водню, метилового спирту).

ДОВНОХВИЛЬНА РАДІАЦІЯ. Електромагнітна радіація, що випускається земною поверхнею н атмосферою, тобто майже повністю в інтервалі від 4 до 120 мкм. Порівн. атмосферне випромінювання, земне випромінювання, зустрічне випромінювання, ефективне випромінювання земної поверхні, короткохвильова радіація.

ПРИРОДНА РАДІАЦІЯ [лат. гасю сяйво, блиск] - радіація, якої людина піддається на Земній поверхні, - включає у-випромінювання радіоактивних матеріалів Землі, випромінювання радіонуклідів у тканинах організму, що потрапляють туди з їжею, і космічне випромінювання. Ефективна еквівалентна доза від цих джерел без урахування опромінення легень від вдихання в житлових приміщеннях радо-на-торона та їх продуктів розпаду для населення країни в 1990 р. становила в середньому близько 0,09 (0,07-0,23) бер. ...]

У інших робіт системи з оптичним гетеродинированием використовувалися встановлення когерентної зв'язку на довжинах хвиль X = 3,39 мкм і X - 10,6 мкм . Було з'ясовано, що зі збільшенням довжини хвилі використаного випромінювання, ефективність оптичного гетеродинування в атмосфері зростає. Це також узгоджується з проведеним вище розглядом, бо радіус когерентності рг, як видно з формули (3.26), зростає, як ХвЬ.

Ця оцінка завищена, оскільки припущення про випромінюючий канал як абсолютно чорному тілі є занадто грубим. Однак вона переконує нас у тому, що перетворення електричної енергії на світлову у провідному каналі блискавки відбувається досить ефективно. Іншою особливістю світіння каналу блискавки є те, що більшість випромінювання відповідає ультрафіолетової частини спектру. Дійсно, для абсолютно чорного тіла з температурою 30 ТОВ До максимум енергії випромінювання згідно із законом Вина відповідає довжині хвилі 0,1 мкм. Хоча реально внаслідок того, що повітряна плазма прозора для вакуумного ультрафіолету, цей максимум зміщується в область більш довгих хвиль, основні випромінювальні втрати гарячої повітряної плазми, що розглядається, пов'язані з ультрафіолетовим випромінюванням. При цьому оскільки ультрафіолетове випромінювання ефективно поглинається в реальному повітрі, спектр випромінювання блискавки, що реєструється на великій відстані, виявляється спотвореним.

Принцип дії радіаційного контуру або петлі полягає в тому, що будь-яка робоча речовина або носій, здатний циркулювати в замкнутій системі і легко активуватися в активній зоні реактора під дією нейтронів, потім використовується поза реактором в якості випромінювача. В першу чергу, природно, були розглянуті системи з рідким носієм, хоча в принципі можна використовувати твердий носій, наприклад, у вигляді кульок. Переваги радіаційних контурів полягають у тому, що з допомогою можна швидко створити дуже потужне джерело випромінювання, ефективно використовувати нейтрони витоку з метою опромінення і порівняно швидко ліквідувати джерело у разі потреби.

· Основи актинометрії

АКТИНОМЕТРІЯ - сукупність методів вимірювання променистої енергії. До завдань актинометрії належать дослідження прямої сонячної радіації, поглинання та розсіювання її молекулами атмосфери, різними твердими та рідкими домішками, а також визначення довгохвильового випромінювання землі та атмосфери.

В основу методів вимірювання променистої енергії покладено принцип перетворення одного виду енергії на інший. При поглинанні променистої енергії сонця зачорненою поверхнею будь-якого приймача відбувається перехід променистої енергії теплову. Реєструючи кількість тепла або підвищення температури приймальної поверхні приладу, що виділяється при цьому, можна виміряти величину потоку сонячної радіації, що падає на пряму поверхню. Такі принципи вимірювання променистої енергії покладено основою калориметричного методу. Явище фотоефекту та фотохімічні впливи використані у фотоелектричних та фотографічних методах вимірювання.

При А. застосовуються прилади, в яких потік променистої енергії визначається різницею температур приймальної поверхні та навколишнього середовища, яка вимірюється величиною струму, що виникає в ланцюзі послідовно з'єднаних термопар. Такі прилади є відносними і потребують градуювання шляхом порівняння їх показань із показаннями абсолютних приладів.

· Рівняння балансу радіації

Радіаційний баланс атмосфери і поверхні, що підстилає, сума приходу і витрати променистої енергії, поглинається і випромінюваної атмосферою і поверхнею, що підстилає.

Для атмосфери Радіаційний баланс складається з прибуткової частини - поглиненої прямої і розсіяної сонячної радіації, а також поглиненого довгохвильового (інфрачервоного) випромінювання земної поверхні, і витратної частини - втрати тепла за рахунок довгохвильового випромінювання атмосфери в напрямку до земної поверхні. ) та у світовий простір.

Прибуткову частину Радіаційний баланс підстилаючої поверхні складають: поглинена поверхнею, що підстилає, пряма і розсіяна сонячна радіація, а також поглинене противипромінювання атмосфери; витратна частина складається з втрати тепла поверхнею, що підстилає, за рахунок власного теплового випромінювання.

Радіаційний баланс є складовою теплового балансу атмосфери і підстилаючої поверхні.

· Ефективне випромінювання

Різниця між власним випромінюванням тіла та зустрічним випромінюванням атмосфери називається ефективним випромінюванням . Його значення і виражає дійсний потік тепла від Землі чи води до атмосфери.

Величина ефективного випромінювання залежить від ряду факторів:

Від температури ґрунту або води: чим вона вища, тим більше тіло втрачає тепла випромінюванням: У спекотний літній день і земля, і вода багато випромінюють тепла у повітря і температура його підвищується. Тепле повітря дає великий та зустрічний потік. Зростає загальний рівень ефективного випромінювання. Вночі, коли нагрівання ґрунту та води припиняється, зменшується і їхнє випромінювання. Перед ранком воно стає зовсім незначним. Відповідно, знижується і температура повітря.

Від вологості повітря: водяна пара вловлює довгохвильове випромінювання та утримує тепло. Волога атмосфера посилає Землі значний зустрічний потік, ефективне випромінювання зменшується. З цієї причини у вологих кліматах і за вологої погоди ночі не бувають такі холодні, як у суху погоду, і в країнах із сухим кліматом.

Від туманів і хмар: краплі води хмар і туманів діють, як і водяна пара, але ще більшою мірою. Ночі за туманної та хмарної погоди бувають зазвичай теплими.

Від близькості чи віддаленості водойм: водна маса, будучи теплоємною, довше, ніж суша, утримує тепло. Збільшенням вологості, утворенням хмар та туманів водоймища знімають ефективне випромінювання. З цієї причини найбільша втрата тепла взимку та вночі і, отже, різкі коливання нічної та денної температур властиві сухим внутрішньоматериковим країнам – Центральній та Середній Азії, Східному Сибіру та Антарктиді.

Від абсолютної висоти місцевості: у горах, із зменшенням щільності повітря зменшується зустрічне та збільшується ефективне випромінювання.

Від рослинності: сильний рослинний покрив, особливо ліси, знижують ефективне випромінювання. У пустелях воно різко зростає.

Від характеру грунтів-ґрунтів: потужні і пухкі грунти довше утримують і більше випромінюють тепло, кам'янисті грунти і особливо піски пустель швидше його втрачають і остигають.

· ПЕР клімату та ПЕР випаровування (ТЕР - теплоенергетичні ресурси)

ПЕР клімату – кількість енергії, яка витрачається на нагрівання повітря, ґрунту, на фактичні витрати тепла на випаровування, на танення ґрунтового льоду.

Енергетичною базою природних процесів є теплоенергетичні ресурси клімату, що формуються в результаті приходу прямої та розсіяної радіації на земну поверхню та забезпечують її вологообмін із приземною атмосферою.

У формуванні теплоенергетичних ресурсів клімату беруть участь: R + - позитивна складова радіаційного балансу - різниця між поглиненою короткохвильовою (прямою та розсіяною) радіацією Сонця та балансом довгохвильового випромінювання в денні та частково в сутінкові години доби; Р + - позитивна складова турбулентного теплообміну - частина адвективного тепла, що приноситься у зв'язку з циркуляцією атмосферного повітря.

ПЕР випаровування – це кількості енергії, що витрачається на всі види випаровування: з водної поверхні, з поверхні суші, транспірації.

Запитання. Атмосферні опади

Опадаминазивають воду, що випадає в рідкому або твердому стані на поверхню земної кулі і наземні предмети з хмар або з повітря, внаслідок конденсації водяної пари, що міститься в ньому. іней), рідкі (дощ), змішані (сніг з дощем, мокрий сніг). Опади характеризуються трьома параметрами: кількістю, інтенсивністю та тривалістю їх випадання. Кількість опадіввимірюється товщиною шару води в мм, який утворився б на горизонтальній поверхні від опадів, що випали, за відсутності просочування в землю, стікання і випаровування.

1 мм опадів = 10 т води на 1 га.

Інтенсивність опадіввимірюють у міліметрах за хвилину (мм/хв) або за годину (мм/год).

Тривалість випадання опадіввимірюють у годинах або хвилинах від початку до закінчення їх випадання.

Опади хмар, що випадають, діляться на 3 типи:

Облогові (нижній ярус, шаруваті хмари).

Мряка (нижній ярус, шаруваті хмари).

Зливові (купчасті хмари вертикального розвитку).

Спостереження за опадами включають: 1. візуальні - вид опадів, їх інтенсивність, час початку та кінця випадання 2. вимірювання кількості опадів за допомогою приладів - осадкоміра і дощомера Третьякова, польового дощомера Давита, плювіографа, сумарного осадкомера, грунтового осадкомера.

Земна поверхня, поглинаючи короткохвильову сумарну радіацію, в той же час втрачає тепло шляхом довгохвильового випромінювання. Це тепло частково йде у світовий простір, а значної частини поглинається атмосферою, створюючи так званий «парниковий ефект». У цьому поглинанні велику участь беруть водяна пара, озон і вуглекислий газ, а також пил. Внаслідок поглинання випромінювання Землі атмосфера нагрівається і, у свою чергу, набуває здатності випромінювання довгохвильової радіації. Частина цього випромінювання сягає земної поверхні. Таким чином, в атмосфері створюються два потоки довгохвильової радіації, спрямованих у протилежні сторони. Один із них, спрямований нагору, складається із земного випромінювання Е за інший потік, спрямований вниз, представляє радіацію атмосфери Е а. Різниця Е з–Е аназивають ефективним випромінюванням Землі Ееф. Воно показує фактичну втрату тепла земною поверхнею. Так як температура атмосфери найчастіше нижче температури земної поверхні, тому в більшості випадків ефективне випромінювання більше 0. Це означає, що внаслідок довгохвильового випромінювання земна поверхня втрачає енергію. Лише за дуже сильних інверсій температури взимку, а навесні при таненні снігу і за великої хмарності випромінювання менше нуля. Такі умови спостерігаються, наприклад, у сфері Сибірського антициклону.

Величина ефективного випромінювання визначається в основному температурою поверхні, що підстилає, температурною стратифікацією атмосфери, вмістом вологи повітря і хмарністю. Річні величини Ееф наземній кулі змінюються в порівнянні з сумарною радіацією значно менше (від 840 до 3750 МДж/м 2). Це зумовлено залежністю ефективного випромінювання від температури та абсолютної вологості. Підвищення температури сприяє зростанню ефективного випромінювання, але одночасно воно супроводжується зростанням вмісту вологи, яке зменшує це випромінювання. Найбільші річні суми Ееф приурочені до областей тропічних пустель, де воно досягає 3300-3750 МДж/м 2 . Така велика витрата довгохвильової радіації тут обумовлена ​​високою температурою поверхні, що підстилає, сухим повітрям і безхмарним небом. На тих же широтах, але на океанах та в пасатних областях, через зменшення температури, підвищення вологості та збільшення хмарності Ееф - вдвічі менше і становить близько 1700 МДж/м 2 на рік. З тих же причин на екваторі Ееф ще менше. Найменші втрати довгохвильової радіації спостерігаються у полярних районах. Річні суми Ееф в Арктиці, Антарктиці становлять близько 840 МДж/м 2 . У помірних широтах річні значення Ееф змінюються не більше 840–1250 МДж/м 2 на океанах, 1250–2100 МДж/м 2 суші (Алісов Б.П., Полтараус Б.В., 1974).