Практическая работа № 2
Радиация в атмосфере. Радиационный баланс земной поверхности.
Цель: Рассмотреть значение солнечной радиации в тепловом и лучистом равновесии Земли, и её изменения в атмосфере и на земной поверхности. Изучить понятие «радиационный баланс» и объяснить основные закономерности его распределения по земной поверхности.
Оборудование и материалы: физическая карта Красноярского края и республики Хакассии; демонстрационная презентация на тему: «Вращения Земли и их географические следствия»
Вопросы для предварительной подготовки (Д/з):
Типы радиации в атмосфере. Спектральный состав солнечной радиации.
Солнечная постоянная. Прямая солнечная радиация.
Поглощение и рассеяние солнечной радиации в атмосфере и связанные с ними явления: рассеянный свет, сумерки и заря, атмосферная видимость.
Отражение солнечной радиации. Альбедо.
Радиационный баланс земной поверхности (суммарная радиация, эффективное излучение, альбедо).
Астрономические факторы, влияющие на неравномерное распределение солнечной радиации «на границе атмосферы» (шарообразность Земли, наклон экватора к плоскости эклиптики, расстояние Земли от Солнца).
Факторы, влияющие на распределение солнечной радиации у земной поверхности (облачность, прозрачность атмосферы, характер подстилающей поверхности).
Термины и понятия: электромагнитная радиация, видимый свет, ультрафиолетовая, инфракрасная, коротковолновая и длинноволновая радиация, солнечная постоянная, инсоляция, рассеяние, диффузное отражение, астрономические сумерки, гражданские сумерки, белые ночи, коэффициент прозрачности атмосферы, видимость, оптическая масса атмосферы, суммарная радиация, альбедо, излучение земной поверхности, закон Стефана-Больцмана, встречное излучение, эффективное излучение, тепличный или парниковый эффект, суммарная радиация, полярный день, полярная ночь, афелий, перигелий, день зимнего и летнего солнцестояния, дни равноденствия.
Напомним основные формулы и обозначения переменных.
I´= I sin h,
где I' – интенсивность прямой солнечной радиации, приходящей на земную поверхность; I – то же на поверхность, перпендикулярную солнечным лучам; h – высота солнца.
Is= I sin h + i,
где Is – суммарная радиация, i – рассеянная радиация.
Isр= IsЗ – Iотр= IsЗ(1–А),
где Isр – радиация, поглощенная земной поверхностью (поглощенная радиация); Iотр– отраженная радиация; А = Iотр / IsЗ = 1 – (Isр / IsЗ ) – альбедо (коэффициент отражения).
В= Isр – Еs+ Еа ,
где В – радиационный баланс; Еs – излучение земной поверхности в атмосферу; Еа – встречное излучение атмосферы.
Величина Еэ= Еs– Еа называется эффективным излучением земной поверхности.
Проходя через атмосферу, солнечная радиация частично поглощается и рассеивается. Ослабление прямой солнечной радиации выражается формулой Бугера: I=I0 × pm, где I0 – солнечная постоянная; p – коэффициент прозрачности атмосферы, h – высота Солнца над горизонтом (в градусах), m – количество оптических масс атмосферы пройденных лучами (отношение массы воздуха, пронизанной пучком солнечных лучей от верхней границы атмосферы до поверхности Земли при какой-либо угловой высоте солнца над горизонтом, к массе воздуха, которая была бы пронизана этим пучком лучей, если бы солнце находилось в зените). Оптическую массу атмосферы можно вычислить по приближенной формуле: m = 1/ sin h. В табл. 2.1.1 приведены значения оптических масс при различных высотах Солнца.
Таблица 2.1.1.
Значение числа оптических масс в зависимости высоты положения Солнца над горизонтом
h |
90º |
80º |
70º |
60º |
50º |
40º |
30º |
20º |
10º |
5 º |
0 º |
m |
1 |
1,01 |
1,06 |
1,15 |
1,30 |
1,55 |
1,99 |
2,90 |
4,55 |
10,4 |
35,4 |
Задание 2.1. Определите величину прямой радиации у земной поверхности – I' кал/см2мин, при 1) h = 90º, р = 0,8; и 2) h = 30º, р=0,5.
Когда количество лучистой энергии у земной поверхности будет больше, в полдень или при стоянии солнца на высоте 30º? От чего зависит коэффициент прозрачности, чем отличается воздух при р = 0,8 от воздуха с р = 0,5? Что влияет на значение m, когда оно максимально?
Определите сколько солнечной энергии может получить 1 м2 перпендикулярной лучам и горизонтальной поверхности при высоте Солнца 20 º, и коэффициенте прозрачности 0,758.
Задание 2.2. Альбедо – коэффициент отражения, показывающий отношение потока коротковолновой радиации (Iотр.), отраженной данной поверхностью, к суммарной радиации (IsЗ), поступающей на эту поверхность
А= Iотр/ IsЗ;
2.2.1 Определите Альбедо для: снега, песка, глинистой почвы, луговой растительности, если известно, что количество суммарной солнечной радиации для снега составляет 3,52 Дж/см2мин, для песка около 5,15 Дж/см2мин, глинистой почвы – 3,93, луговой растительности – 3,60, а количество отраженной радиации соответственно равно: 2,47 Дж/см2мин, 1,55; 0,79; 1,51.
2.2.2 Известно, что альбедо сухого чернозема составляет 0,14, а альбедо влажного чернозема – 0,08. Вычислите, какое количество тепла поглотит сухая почва за 1 час, если известно, что I' = 0,84 кал/см2мин, i= 0,09 кал/см2мин, h = 45º. И сколько тепла поглотит влажная почва за это же время?
При решении задачи необходимо: 1) определить суммарную радиацию
IsЗ =I'+i кВт/м2; 2) найти поглощенную радиацию Isр= IsЗ(1–А) кВт/м2; 3) рассчитать количество тепла поглощенное за Т=1 час (3600 с): νтепла = Iпогл.× Т (МДж/м2) (см.табл.2.1.2.)
Таблица 2.1.2