Энергия солнца

Подписаться на эту рубрику по RSS

14
фев 10

Солнечная радиация и атмосфера

Солнечная радиация на пути к Земле прежде всего встречает ее воздушную оболочку. Некоторая часть радиации, взаимодействуя с атмосферой, вызывает в ней целую серию различных процессов, приводящих в конечном счете к расслоению атмосферы. Основная же часть радиации (примерно 80%) беспрепятственно проходит через атмосферу и достигает земной поверхности, которая частично ее поглощает, а частично отражает. Лучистый теплообмен в атмосфере прежде всего оказывает влияние на нижние слои, поскольку они соприкасаются с земной поверхностью. Явления погоды формируются именно в нижнем слое атмосферы.

Далее...

14
фев 10

Солнечная постоянная

Общее количество лучистой энергии всех длин волн, поступающее в единицу времени на единичную площадку, находящуюся на верхней границе атмосферы и перпендикулярную к солнечным лучам, остается более или менее одинаковым и носит название солнечной постоянной. Это количество энергии составляет около 1,94 кал/(кв см в мин). Калорией называется количество тепла, необходимое для повышения температуры 1 г воды от 14,5 до 15,5°С. Солнечная постоянная измеряется с помощью широко распространенных приборов, называемых пиргелиометрами. Такие измерения производят на вершинах гор в чистом воздухе, исключающем влияние загрязнений атмосферы, создаваемых промышленными дымами, пылью и пеплом, а также водяным паром и различными видами пыли. Точность подобных измерений значительно повысилась с появлением орбитальных искусственных спутников Земли. Доля от всего излучения Солнца, перехватываемая Землею, очень невелика. Она составляет всего около одной двухмиллиардной.

14
фев 10

Перенос лучистой энергии

Атмосфера прозрачна для одних видов лучистой энергии, полупрозрачна для других и полностью непрозрачна для третьих. Это происходит из-за избирательного (селективного) пропускания или поглощения волн различной длины разными газами атмосферы. Кроме того, количество лучистой энергии, достигающей Земной поверхности, зависит от облачности, запыленности воздуха и его влажности, т. е. от количества содержащегося в нем водяного пара.

Далее...

13
фев 10

Вертикальные градиенты температуры и неустойчивость воздушных масс

Мы знаем теперь, что в нижних слоях атмосферы температура изменяется на 6,5°С/км. Это происходит не в результате восходящих движений воздуха в атмосфере, а связано только с тем, что земная поверхность поглощает солнечную радиацию и сама служит источником излучения.

Когда воздух совершает восходящие движения, возникает динамическое уменьшение его температуры, связанное с различием атмосферного давления на разных высотах. При этом поднимающийся воздух не отдает свое тепло в окружающее пространство: уменьшение его температуры – следствие только расширения, т.е. увеличения расстояний между молекулами и соответственно менее частых их столкновений.

Поднимающийся объем воздуха расширяется, так как уменьшается давление окружающих его масс воздуха. При расширении воздух охлаждается – тепло переходит в кинетическую энергию, т. е. энергию движения. Опускающийся воздух, наоборот, испытывает увеличивающееся давление и в результате этого сжимается — происходит его нагревание, так как теперь кинетическая энергия переходит в тепло.

Изменяется температура в поднимающемся или опускающемся воздухе не беспредельно, а лишь до тех пор, пока не станет одинаковой с температурой окружающей его воздушной среды. После этого его движение затухает и воздух становится устойчивым.

12
фев 10

Адиабатические изменения

Выше были описаны адиабатические изменения температуры воздуха. Адиабатическим называется изменение температуры, происходящее без изменения количества тепла, содержащегося в данной массе воздуха. Адиабатическое изменение температуры зависит от содержания водяного пара в поднимающемся воздухе. Если поднимается воздух, содержащий ненасыщенный водяной пар, он охлаждается примерно на 1°С/100 м. Если этот самый объем воздуха опускается в направлении к земной поверхности, он на столько же нагревается. При подъеме воздуха с ненасыщенным водяным паром изменение его температуры на единицу высоты (обычно на 100 м) называется сухоадиабатический вертикальным градиентом температуры. Такой градиент имеет место только в воздухе, не содержащем сконденсированной влаги в виде капель воды.

В поднимающемся воздухе, содержащем водяной пар, охлаждение приводит к тому, что на некотором уровне пар становится насыщенным. Этот уровень называется уровнем конденсации. При температуре, которую приобрел поднимающийся воздух на этом уровне, содержащийся в воздухе водяной пар начинает конденсироваться. Этот процесс существенно влияет на дальнейшее понижение температуры поднимающегося воздуха.

В водяном паре содержится скрытая теплота испарения. Это та теплота, которая удерживает воду в парообразном состоянии. Если объем воздуха, содержащего насыщенный водяной пар, начинает охлаждаться, то в процессе конденсации пара, происходящей при этом, в окружающий воздух выделяется теплота испарения. Эта теплота немного нагревает поднимающийся объем воздуха, и его охлаждение, вызванное подъемом, несколько уменьшается. Поэтому поднимающийся влажный воздух, в котором происходит конденсация, при подъеме на одинаковую высоту охлаждается меньше, чем сухой. Влажноадиабатический вертикальный градиент температуры в нижних слоях атмосферы составляет около 0,5°С/100 м. Если воздух опускается, он нагревается, и тогда количество водяного пара, которое он может в себе содержать, увеличивается. Если при этом в опускающемся воздухе происходит испарение капель воды, на процесс испарения затрачивается теплота, и нагревание опускающегося воздуха, связанное с его сжатием, уменьшается.

12
фев 10

Устойчивость воздуха

Изменение температуры воздуха с высотой в той или иной воздушной массе при определенных условиях может стать причиной неустойчивости этой массы. Мы уже знаем, что перемещение воздуха является результатом различия температуры соседних его порций. Если плотность некоторого объема воздуха меньше плотности окружающей среды, объем „всплывает" подобно куску пробки в воде. Такое состояние воздуха называется неустойчивым.

Если же плотность данного объема воздуха больше, чем плотность окружающей среды, объем опускается до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие. При этом ранее устойчивый воздух становится „безразличным", т. е. перестает подниматься, но и не опускается.

Особое положение возникает, когда образуется инверсия. Инверсией называют возрастание температуры воздуха с высотой. Инверсия образуется, например, при быстром охлаждении почвы путем излучения радиации. Прилегающие к ней слои атмосферы выхолаживаются путем теплопроводности, причем самые нижние слои сильнее, чем вышележащие. В конечном счете непосредственно над земной поверхностью лежит слой холодного воздуха, а над ним более теплый. То есть температура воздуха вместо того, чтобы падать с высотой на 0,6°С/100 м, оказывается наверху выше, чем непосредственно вблизи поверхности. Это делает воздух очень устойчивым, в нем с большим трудом могут возникнуть вертикальные перемещения.

Инверсионное состояние атмосферы очень устойчиво. Вообще же устойчивое состояние атмосферы имеет место во всех случаях, когда вертикальный градиент температуры менее 1°С/100 м, т. е. когда он меньше сухоадиабатического градиента. Если при этом воздух поднимается, то он быстро охлаждается, становится тяжелым и вскоре снова опускается к земной поверхности. Если же воздух, расположенный выше, получает импульс, направленный вниз, то при адиабатическом опускании он быстро нагревается, становится легче окружающего воздуха и сразу же снова поднимается на свой исходный уровень. Таким образом, конвективные движения в устойчивом воздухе стремятся установить равновесное состояние.

Воздух с ненасыщенным водяным паром устойчив в том случае, когда вертикальный градиент его температуры меньше сухоадиабатического. Воздух же с насыщенным паром устойчив тогда, когда вертикальный градиент его температуры меньше влажноадиабатического градиента. В устойчивых воздушных массах конвекция не развивается.

Вертикальные градиенты температуры, создающие неустойчивое состояние воздуха, способствуют развитию в нем турбулентного перемешивания. Турбулентность в свою очередь сопровождается вертикальным перемешиванием объемов воздуха, иногда достигающим значительной интенсивности.

Роль восходящих движений воздуха может заметить каждый, кто проследит за парящим полетом птиц, когда птицы перемещаются, не двигая крыльями. Время от времени их внезапно подбрасывает вверх какая-то таинственная сила. Это делают восходящие струи теплого воздуха, которые называются термиками. Планеристы тоже, умело используя термики, могут перемещаться на сотни метров по вертикали без видимого участия каких-либо внешних сил.

Движения воздуха, которые приводят атмосферу в устойчивое состояние, оказывают значительное влияние на местные условия погоды. Поскольку устойчивые массы воздуха, вообще говоря, малоподвижны, их физические свойства, а следовательно и погода, подолгу остаются неизменными.

Устойчивые воздушные массы обычно создают довольно хорошую погоду в занятых ими районах, хотя при этом возможны туманы, а также значительное загрязнение атмосферы. Наоборот, неустойчивые воздушные массы, находясь в движении, постоянно меняют свои свойства. При этом нередко усиливается ветер, возникает турбулентность, водяной пар интенсивно конденсируется и развиваются дождевые облака.

12
фев 10

Радиация и земная поверхность

Солнечная радиация так же, как в случае с земной атмосферой, дойдя до земной поверхности, начинает взаимодействовать с ней. Поверхность суши и водоемов излучает длинноволновую радиацию, которую поглощает, нагреваясь при этом, атмосфера. Образуется теплоизолятор, отделяющий Землю от космического пространства.

Таким образом, атмосфера двояко влияет на лучистую энергию: с одной стороны, довольно свободно пропускает ее к земной поверхности, с другой,— когда земная поверхность, излучая, сама теряет энергию,— улавливает часть этой энергии. Поэтому Земля теряет тепло не столь быстро, как, Например, Луна и другие небесные тела, обладающие лишь небольшой атмосферой или же вовсе ее лишенные.

12
фев 10

Альбедо

Альбедо Земли как планеты значительно изменяется от одного ее участка к другому.

Облака довольно сильно отражают падающую на них лучистую энергию: их альбедо достигает 80%. Однако в среднем их отражательная способность близка к 55%. Песчаная поверхность без растительного покрова отражает около 30% приходящей к ней солнечной радиации. Тот же песок, но с растительностью отражает только 25% радиации. Альбедо лесистых районов составляет примерно 10%. Следовательно, наличие растительного покрова становится важным фактором в расчете потерь лучистой энергии путем отражения.

Если альбедо воды обычно величина незначительная (при самом высоком положении Солнца около 6%), то альбедо чистого снега и льда составляет до 80% приходящей радиации и больше. Но снег не только хорошо отражает коротковолновую радиацию, он еще хорошо задерживает длинноволновую радиацию, излучаемую Землей, и тем самым защищает поверхность суши от сильного выхолаживания. Установлено, что почва под снегом может не замерзать даже в тех случаях, когда на соседних участках, лишенных снежного покрова, она промерзает.

Тем самым в течение нескольких зимних месяцев снежный покров защищает от вымерзания посевы и живущие в почве микроорганизмы.

11
фев 10

Преобразование лучистой энергии земной поверхностью

Нагревание различных составных частей почвы зависит также от ряда других факторов. Влажная почва нагревается медленнее, чем сухая, так как первая при этом теряет воду путем испарения, а уходящие от нее молекулы воды уносят с собой тепло. Вода имеет сравнительно большую удельную теплоемкость, т. ё. поглощает больше тепла, чем другие вещества. Охлаждение почвы путем испарения приводит к тому, что влажная почва постепенно теряет свое тепло, вследствие чего ее температура в период нагревания почвы солнечной радиацией повышается довольно медленно.

Кроме того, почва сравнительно плохо проводит тепло. Значительную часть приходящей радиации поглощает только самый верхний тонкий слой почвы, толщина которого всего несколько сантиметров. В более глубокие слои почвы поглощенное тепло проникает с большим трудом. Самые большие колебания температуры возможны только в нескольких первых сантиметрах почвы. Следует также отметить, что верхний слой почвы теряет тепло быстрее, чем верхний слой водоемов.

В воде легко развивается конвекция, в результате чего тепло быстро распространяется на значительную глубину. Солнечные лучи, падающие на поверхность воды под небольшим углом, отражаются от нее значительно сильнее, чем более отвесные лучи. Поэтому прямые солнечные лучи влияют на температуру водоема сильнее, да и проникают здесь на более значительную глубину, чем на суше. Известно, что в океанах некоторая часть солнечного света проникает до глубины примерно 600 м. Несколько верхних метров в водоеме испытывают более сильное влияние солнечной радиации, чем несколько верхних сантиметров в почве.

11
фев 10

Различия в переносе тепла в почве и водоемах

Распределение энергии в водоеме зависит от особенностей воды. Прежде всего, от наличия волн на водной поверхности. Волны поддерживают движение воды и этим помогают распространению тепла в водоеме. Подобные явления, конечно, не имеют места в почве. Другая особенность заключается в том, что плотность поверхностного слоя воды при охлаждении увеличивается и он быстро опускается вниз, перемешиваясь с более глубокими слоями.

В перемешивании воды играет роль также испарение. Однако на водоеме оно действует иначе, чем на поверхности почвы. В результате быстрого испарения на поверхности океанов образуется поверхностный слой воды, обладающий повышенной соленостью, т. е. слой с более высоким содержанием солей по сравнению с глубинными слоями. Более высокая соленость означает, что соответствующая водная масса стала и плотнее, чем окружающая вода. Слой более соленой и плотной воды опускается и перемешивается с нижележащими водными массами.

Еще важнее то, что удельная теплоемкость воды больше, чем теплоемкость почвы. В зависимости от состава почвы ее удельная теплоемкость составляет лишь 1/3—1/5 часть удельной теплоемкости воды. Следовательно, воде, для того чтобы температура одного ее грамма повысилась на 1°С, может потребоваться в 5 раз больше тепла, чем такому же количеству почвы для такого же нагревания. Большая удельная теплоемкость воды делает значительные ее массы, например, в океанах, морях и крупных озерах, настоящими кладовыми энергии. В воде хранится огромное количество энергии. Вода нагревается медленнее, чем почва, и соответственно медленнее охлаждается.

В результате этого в нескольких первых метрах глубины в воде устанавливается более однородное распределение температуры, чем в таком же слое почвы. Поэтому суша испытывает более быстрые колебания температуры, чем близлежащие водоемы.