Тепловой баланс системы «Земля - атмосфера»

Потенциально неисчерпаемым источником почти всей энергии на Земле служит Солнце, излучающее свет. Энергия Солнца образуется в результате протекания термоядерных реакций и, прежде всего, реакции образования ядра гелия из четырех нуклонов, дефект массы которых составляет около 1%. Расход солнечного вещества на протекание термоядерных реакций оценивается примерно в 10% за 10 млрд, лет, что сравнимо с возрастом самой Вселенной. По данным спектрального анализа солнечное вещество состоит примерно на 90% из атомов водорода и на 10% - из атомов гелия. На долю свыше 70 других, обнаруженных на Солнце химических элементов, приходится менее 0,1%.

Поступающая на Землю из Космоса энергия на 97% состоит из электромагнитного излучения - солнечной радиации (солнечный свет) и на 3% из корпускулярного потока заряженных частиц («солнечный» или «космический ветер») (табл. 3). Корпускулярный поток почти полностью поглощается магнитосферой и верхними слоями атмосферы и практически не доходит до поверхности Земли. Время достижения орбиты Земли составляет для солнечной радиации 8,3 минуты, а для корпускулярного потока частиц, распространяющегося со скоростью 320-1000 км/ч, - 1-4 суток.

Излучения Солнца, земной атмосферы и самой Земли подчиняются общим законам излучения. Так, согласно закону Стефана-Больцмана, излучательная способность абсолютно черного тела Е пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры Т :

E = S8T (1.5)

где S - площадь излучения, м2; 8 - постоянная Стефана-Больцмана, равная 5,67-10’11 кВт/м24.

Произведение длины волны Лм, которой соответствует максимальная энергия излучения тела, на его абсолютную температуру есть величина постоянная (закон Вина):

ЛЛ1Т = 2898 (мкм-К) (1.6)

Из закона Вина следует, что при изменении температуры тела в ту или другую сторону происходит соответствующее смещение максимума энергии спектра в сторону более длинных или коротких волн.

Структура солнечного излучения ( Акасофу С.И., Чепмен С, 1974)

Таблица 3

Название излучения

Длина волны

Энергия кванта, эВ

Доля в спектре, %

Электромагнитное излучение (солнечная радиация)

Г амма-излучение

0,01-0,1 нм

2406

0,5

Рентгеновское

10-0,00124 нм

(10-0,5) 106

1,5

Ультрафиолет:

  • а) А
  • б) В
  • в) С
  • 400-315 нм
  • 315-280 нм
  • 280-200 нм

3,3-120

5

Оптическое

400-760 нм

1,6-3,3

48

Инфракрасное:

  • а) ближнее
  • б) среднее
  • в) дальнее

0,76-2,5 мкм 2,5-50 мкм 50-2000 мкм

<1,6

43,5

Радиоизлучение:

  • а) ВЧ
  • б) УВЧ
  • в) СВЧ
  • 3000-10 м
  • 10-1 м 1-0,01 м
  • 1.2- 10'9
  • 1.2- 1 О’4

1,5

Корпускулярное излучение (солнечный ветер)

Нейтрино

1

Электроны

1-104

1

Протоны

1 1011

90

Тяжелые ядра

(2-9)4 О6

1

Другие частицы

7

Солнечный свет (солнечная радиация) представляет собой электромагнитные волны, при распространении которых не происходит переноса вещества, но происходит перенос энергии. Энергия солнечной радиации обычно оценивается в тепловых единицах. Отношение энергии Е электромагнитного излучения, поглощаемого или излучаемого телом, ко времени t называется потоком излучения или мощностью излучения (Ф измеряемого в ваттах: Ф = E/t. Отношение Ф к площади поверхности (5), на которую падает это излучение, называется поверхностной плотностью потока излучения (ср), измеряемого в Вт/м2: (р = Ф/S.

Плотность потока излучения зависит от угла падения волн на поверхность тела, так как с увеличением угла падения поток излучения распределяется на всё большую поверхность. На верхней границе атмосферы для площади, расположенной перпендикулярно солнечным лучам, при среднем расстоянии от Земли до Солнца (р = 1367 Вт/м2. Эта величина называется солнечной постоянной. Солнечная постоянная равна 1,96 калории (8,2 Дж) в минуту на квадратный сантиметр площади поверхности, перпендикулярной солнечным лучам за пределами земной атмосферы.

Электромагнитные волны солнечного света имеют различную длину, измеряемую в микронах (1 мкм = 10’6 м ) или нанометрах (1 нм = 10’9 м). Длина электромагнитной волны (Л) связана с её скоростью (с) и частотой (у) соотношением: Л=с/у. Скорость распространения электромагнитных волн в свободном пространстве не зависит от их длины и составляет 299792 км/с.

С другой стороны, согласно квантовым представлениям, свет -это поток особых элементарных частиц - фотонов. Энергия каждого фотона определяется формулой: Е = hv, где h = 6,626176-1(У34 Дж/с -постоянная Планка. Из последней формулы видно, что энергия фотона возрастает с уменьшением длины волны излучения. В метеорологии излучение с длинами волн от 0,1 до 4 мкм относят к коротковолновому излучению, а волны от 4 до 100 мкм - к длинноволновому. На коротковолновую часть излучения Солнца приходится 99%, а на все остальные виды излучения (рентгеновское, радиоизлучение) - 1%.

В зависимости от длины волны и, соответственно, от энергии фотонов отличаются и показатели биологического действия солнечного света (рис. 4).

Поглощение квантов ионизирующего излучения - рентгеновского (Я = 80-0,001 нм) и гамма-излучения (Л = 0,01 нм и менее), осуществляется не молекулами, а атомами и не зависит от того, в состав каких молекул эти атомы входят. Поэтому его поглощение происходит в основном теми элементами, которых в организме больше всего. Так как наш организм на 55-80% состоит из воды, то радиохимические 26

процессы приводят преимущественно к появлению свободных радикалов воды, которые в дальнейшем повреждают белки, нуклеиновые кислоты и другие молекулы. Ионизирующее излучение, таким образом, не оказывает избирательного действия на живые организмы.

Примеры биологического действия света разных длин волн (Общая биология, 1982)

Рис. 4. Примеры биологического действия света разных длин волн (Общая биология, 1982)

1 - свертывание белка; 2 - интенсивность фотосинтеза пшеницы; 3 - спектральная чувствительность глаза человека; заштрихована область УФ-излучения, в основном не проникающего сквозь атмосферу

Фотобиологические процессы под действием света оптического диапазона, включающего видимое и УФ-излучение, начинаются с поглощения квантов света молекулами-хромофорами. Способность поглощать свет определяется, в первую очередь, как связаны между собой в молекуле-хромофоре атомы углерода. Поглощение света происходит избирательно, в зависимости от строения молекулы. Молекула, поглотившая квант света и перешедшая в результате этого в электронновозбужденное состояние, обязательно растрачивает энергию возбуждения каким-либо образом - в виде тепловых колебаний, высвечивания квантов люминесценции, переноса энергии на другие молекулы, химические реакции и др. Наиболее острые эффекты вызывает УФ-излучение.

Большая часть УФ-радиации (А, < 400 нм), к счастью, до Земли не доходит, причем УФ-излучение с А < 285 нм практически полностью задерживается атмосферой. Фотоны УФ-диапазона, имея значительную энергию, способны разрушать ковалентные связи органических соединений, что представляет опасность для живых тканей. УФ-радиация оказывает мощное бактерицидное действие и уменьшает фотосинтетическую активность. Бактерицидные эффекты возникают в результате поглощения квантов света молекулами ДНК в клетках бактерий и последующих химических реакций их разрушения.

УФ-облучение лишь в небольших дозах необходимо растениям, животным и человеку. В коже УФ-излучение запускает сложный механизм биосинтеза меланина, обусловливающего гиперпигментацию кожи - загар. Меланин служит оптическим экраном, поглощающим УФ-излучение, является эффективным перехватчиком свободных радикалов и способен связывать ионы двухвалентного железа, разрушающие пероксиды с образованием свободных радикалов.

Загар является замедленным процессом и начинает развиваться в коже через 2-3 суток после облучения, достигая максимума на 13-21 день, а затем угасая в течение нескольких месяцев. Коварство действия УФ-излучения заключается в том, что в момент получения опасной дозы человек ничего не чувствует. При избыточной дозе УФ-облучения происходит старение кожи, а на открытых участках тела появляются морщины. Последствием хронического облучения может стать рак кожи.

Известное витаминообразующее действие УФ-облучения заключается в том, что эргостерон питательных веществ переходит в витамин Д, оказывая сильное возбуждающее влияние на обмен веществ и рост у детей. Лечебное действие оказывает дозированное УФ-облучение на больных псориазом.

Видимый свет (А, = 400-760 нм), создавая естественную освещенность, повышает тонус нервной системы, обеспечивает фотопериодичность жизнедеятельности организмов и протекание фотосинтеза у растений, функционирование цветового зрения у животных. На видимый свет приходится основное количество энергии, приносимой от Солнца (рис. 5). Режим освещения, соотношение длительности дня и ночи являются важнейшим синхронизатором суточных и годовых ритмов жизнедеятельности. Биохимическим механизмом, лежащим в основе проявления фотопериодических эффектов на уровне целого организма, является изменение в нем под действием света содержания ряда гормонов.

Известно, что в пасмурные осенние дни у многих людей возникает синдром «осенней грусти», сопровождающийся психической депрессией. Подобную депрессию можно снять, если человека помещать на несколько часов в течение ряда дней подряд в ярко освещенную комнату. К другим лечебным свойствам света видимого диапазона следует отнести ускоренное заживление ран красным светом, и лечение желтухи новорожденных синим.

Интенсивность падающего на Землю солнечного излучения

Рис. 5. Интенсивность падающего на Землю солнечного излучения (Нх) в зависимости от длины волны. Заштрихованные области соответствуют ненаблюдаемым на уровне моря участкам спектра из-за их поглощения озоном, парами воды и углекислым газом.

1 - Солнечное излучение за границей атмосферы; 2 - солнечное излучение на уровне моря; 3 - излучение абсолютно черного тела при 5900 К (Справочник по геофизике и космическому пространству. Под ред. С.Л. Вал-лея и Мак Гроу-Хилла, Нью-Йорк, 1965).

ИК-лучи (А > 760 нм), при поглощении тканями животных и растений, производят в них тепловой эффект, повышая кинетическую энергию молекул и ускоряя химические процессы.

Радиоизлучение в зависимости от частоты и интенсивности оказывает синхронизирующее или десинхронизирующее влияние на различных уровнях.

Поверхностная плотность потока солнечного излучения (суммарная энергия) у верхней границы атмосферы примерно на 9% обусловлена УФ-, на 46% - видимым и на 45% - ИК-светом. Максимум суммарной энергии солнечного потока на верхней границе атмосферы приходится на свет с Л = 480-490 нм, т.е. лежит в сине-голубой области спектра, чем и объясняется голубой цвет неба.

Кроме рассмотренных выше электромагнитного и корпускулярного потоков к настоящему времени удалось зарегистрировать эффект неизвестного, изменяющегося во времени космического воздействия, с высокой проникающей способностью и обладающего биологической активностью. Это так называемое Т-излучение Солнца гравитационноволновой природы, предположительно имеющее значительно более высокую скорость распространения, чем скорость света (Н.В. Клочек и др., 1999).

Взаимодействуя с веществом атмосферы, солнечное излучение инициирует различные фотохимические превращения. При поглощении электромагнитного излучения Солнца компоненты атмосферы могут превращаться в ионы. Энергия, необходимая для отрыва электрона, называется энергией ионизации. Основные компоненты атмосферы - азот и кислород - могут быть ионизованы солнечным излучением, относящимся к разным спектральным областям: О2 - Л < 102,6 нм; О - Л <91 нм; N2 - Л < 79,6 нм. Из неосновных составляющих атмосферы ионизация характерна для СО, ОН, СО2, СН4, Оз и Н2О.

Атмосфера поглощает и рассеивает (отражает) солнечную радиацию, сама излучает ИК-свет, поглощает ИК-радиацию земной поверхности и обменивается с ней теплом за счет теплопроводности и фазовых переходов воды. При конденсации паров воды выделяется столько же тепла, сколько было его потрачено на испарение.

На рис. 6 показано, как расходуется солнечная энергия, попадающая в земную атмосферу. Примерно 28% солнечной энергии в виде коротковолнового излучения уходит назад в космическое пространство. Большей части его никогда не достигает земной поверхности, отражаясь облаками и частицами атмосферы; небольшая часть отражается снегом, льдом, песком, бетоном. Такой отражаемый свет позволяет видеть освещенную поверхность Земли из космоса.

Альбедо Земли (относительное количество отраженного света) играет большую роль в климатических изменениях. Минимальное альбедо у водной поверхности при высоком положении Солнца (<1%), наибольшее - у свежевыпавшего снега (до 95%). Лес, сельскохозяйственные угодья имеют альбедо 10-35%, пески пустынь - 20-40%, поверхности ледника - 50% (в среднем). Около 10% суши покрыто льдом, который отражает свет сильнее, чем обнаженные горные породы и почвенный покров. Небольшое увеличение площади ледяного покрова означает, что больше солнечного света станет отражаться и меньше - поглощаться, т.е. при этом средняя температура Земли может понизиться. Точно так же, если бы температура Земли несколько повысилась, ледники отступили бы; при этом меньше солнечного света стало бы отражаться и больше - поглощаться, что привело бы к дальнейшему потеплению.

Космос

Поглощение О,

Стратосфера

Приходящая солнечная радиация

Излучение Турбулентный и макромасштабный СО; и 11.0 вихревой перенос теплоты 3 <-----

Коротковолновая Длинноволновая радиация радиация

28

Перенос явной и скрытой теплоты атмосферными движениями z

Излучение

Н;О. СО, н облаков

щениг

оо.ллками

  • 189
  • 13 Поглощение

Перенос явной и скрытой теплоты вихрями

Тропосфера

Эффективное излучение

Поглощение рассеянной радиации

Поглощение Н.,О нылыо

Перенос тепла океаническими течениями

Земная Поглощение поверхность прямойгО11|(.ч. ной радиации

Рис. 6. Схема среднего годового теплового баланса (К.Я. Кондратьев, 1992)

Обратное рассеизанпе облаками 1

Гурбулеитный (затраты теплоты теплообмен испарение)

Альбедо выступает мощным регулятором величины приходящей радиации. В качестве средств регулирования альбедо можно назвать все возможные варианты изменения ландшафта (вырубка или посадка леса, распашка земель, орошение, запыление снега в зоне деятельности промышленных предприятий и во время пыльных бурь и др.). Регулирующая роль альбедо лежит в основе проектов растопления льдов путем зачернения (с помощью сажи, угольной пыли и т.п.) снежноледовой поверхности. В отдельных районах это средство применяют для увеличения интенсивности таяния горных ледников и искусственного повышения водности рек (в связи с отбором воды на орошение). При зачернении снежно-ледовой поверхности альбедо может уменьшиться в 5 раз, что приводит к соответствующему увеличению поглощенной радиации. В системе радиационного и теплового баланса другого такого мощного регулятора нет.

Часть солнечной радиации поглощается в атмосфере водяным паром, озоном, пылью; другая часть отражается преимущественно верхней границей облаков. Около 40% солнечной радиации рассеивается в атмосфере и только примерно 50% её начального количества достигает земной поверхности. В числе поглощенной энергии менее 1% используется на фотосинтез и 23-25% - на гидрологический цикл (круговорот воды), включающий испарение и конденсацию воды.

Земная поверхность переизлучает большую часть поглощенной энергии, но не на исходной, а на меньшей частоте - в ИК-области спектра. Образование ИК-излучения обусловлено законом Вина, согласно которому, длина максимальной волны, излучаемой нагретым телом, обратно пропорциональна его температуре. ИК-фотоны, обладающие более низкой энергией, чем исходные, легче поглощаются атмосферой и таким образом её нагревают.

Основными поглотителями длинноволнового излучения в атмосфере являются водяной пар и СО2. Таким образом, атмосфера почти не прозрачна для излучения тепла земной поверхностью, хотя она прозрачна для солнечной коротковолновой радиации. ИК-излучение как бы «запирается» у земной поверхности, и тем эффективнее, чем больше паров воды и СО2 в атмосферном воздухе. Это явление - парниковый (тепличный) эффект - активно обсуждается в связи с проблемой изменения климата, так как концентрация обоих «запирающих» компонентов атмосферы частично зависит от хозяйственной деятельности человека.

В системе «Земля - атмосфера» обратно в космическое пространство уходит 28% отраженной и рассеянной коротковолновой радиации и 72% длинноволнового излучения, т.е. 100%. Этот энергетический баланс говорит о том, что на верхней границе атмосферы существует равновесие между приходящей и уходящей радиацией.

Величина приходящей радиации может быть нарушена не только в результате изменения альбедо, но и в результате уменьшения прозрачности атмосферы. Прозрачность атмосферы зависит от содержания аэрозолей (дымы, продукты горения топлива самолетов и ракет, пыль и др.), возрастающего в промышленных районах, где следует ожидать дефицита коротковолновой радиации.

Математическое моделирование последствий ядерной войны показывает, что в результате появления в атмосфере огромного количества дыма и пыли, образующихся при взрывах и пожарах, лишь небольшая часть солнечной радиации достигнет земной поверхности; произойдет понижение температуры земной поверхности, перегрев верхнего слоя атмосферы, полная перестройка циркуляции атмосферных масс. Даже при относительно небольшой мощности взрывов в 100 Мт (при так называемой «атаке на города»), понижение температуры у земной поверхности в Северном полушарии будет составлять 10-20 °C, а в ряде районов - 20-50 °C. Даже через три месяца после взрывов температура многих районов земной поверхности будет ниже на 10-30 °C.

Ощутимые понижения температуры в результате выброса аэрозольных частиц происходят на Земле во время обширных лесных пожаров и извержений вулканов. Аэрозоли переносятся воздушными течениями на огромные расстояния: дым и пепел при крупных извержениях вулканов распространяются в высоких слоях атмосферы на весь мир.

Приток тепла в атмосферу и на земную поверхность может значительно превышать отток в отдельных широтах и в различные сезоны года. Большую роль в поддержании теплового равновесия в различных широтных зонах имеют процессы горизонтального переноса и перераспределения тепла воздушными и морскими течениями. Без этого переноса средняя температура на северном полюсе и экваторе была бы соответственно -44 °C и +39 °C, а в действительности она составляет - 23 °C и + 26 °C. Горизонтальный перенос тепла расширяет широтные границы относительной возможности проживания человека на Земле.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >