Планета Земля и ее атмосфера. Земля как планета. Форма и размеры. Гравитационное поле. Магнитное поле., страница 17

Для солнечных лучей Земля представляет собой оптически весьма неоднородную и изменчивую поверхность. На фотографии нашей планеты с большого расстояния можно видеть вечно изменяющийся облачный покров, почти полностью скрывающий за собой поверхность материков и морей. Визуальная яркость различных участков земного шара меняется в широком диапазоне, причем как в видимом, так и в невидимых участках спектра. Отраженное солнечное излучение складывается из излучения, отраженного от облачного покрова, излучения, отраженного от т. н. «подстилающей» поверхности, а также излучения, рассеянного атмосферой.

Двигаясь по низким орбитам над поверхностью Земли, космический аппарат облучается в каждый момент времени лишь от какой-то ее небольшой области, для которой местное альбедо может отличаться от среднего планетарного сферического альбедо (рисунок 2.5-6.14.). Причина отличия местного альбедо от среднего сферического заключается не только в том, что разные участки Земли обладают разными отражательными способностями, но и в том, что коэффициенты отражения большинства участков земной поверхности зависят от угла падения лучей. Под большими углами бликующие и зеркалящие поверхности отражают лучи совсем иначе, чем диффузно рассеивающие («ламбертовские») поверхности, даже если при нормальном облучении их коэффициенты оказываются близкими. Отклонение от излучения по закону косинуса (по закону Ламберта) приводит к тому, что участки Земли в подсолнечной точке (Солнце в зените) кажутся более яркими, чем участки вблизи терминатора. Со стороны Земля выглядит шаром, а не плоским диском, как Луна.

Экспериментальные исследования отражательной способности снега, песка, земли, воды и т. д. показали, что диапазон изменения альбедо разных участков земной поверхности весьма широк (См. таблицу. 2.5-6.12.).

Облака так же, как и различные участки земной поверхности, по-разному — в зависимости от своего строения — отражают солнечные лучи. (См. таблицу 2.5-6.13.).

Характер облаков, их плотность и распределение поверхности Земли, а следовательно, и их альбедо, все время меняются. По данным распределения альбедо различных участков Земли были построены зависимости среднегодового альбедо как функции географической координаты (широты) места при различных метеорологических условиях: для сплошной облачности, отсутствия облачности и средних условий (рисунок 2.5-6.15.).

Допустим, что все типы облаков равновероятны и среднее альбедо для облаков равно 0,5. Если облака занимают 50% поверхности Земли, то отраженное от них излучение составит 25%. Среднее альбедо для воды – 0,09, для суши – 0,12. В среднем для поверхности Земли, не закрытой облаками, получаем альбедо ~ 0,1. Вместе с облаками это составит 0,35…0,38.

Такие оценки и расчеты являются приближенными. Они не учитывают, что отражение облаков, воды, льда сильно зависит от угла падения солнечных лучей. Не учитывают они также рассеяния света на частицах пыли, льда и воды в атмосфере и на самих молекулах воздуха; Это является главной причиной того, что угловое распределение отраженного излучения для косых лучей Солнца не подчиняется закону Ламберта.

Все дело, оказывается, в том, как взаимодействует излучение Солнца с разными газами атмосферы, как эти газы поглощают, отражают и рассеивают свет различных длин волн. Как известно, это происходит не только со светом, но и с радиоволнами. В результате формируются так называемые окна прозрачности атмосферы Земли.

Как видно из рисунка 2.5-6.16., атмосфера Земли имеет две области прозрачности: так называемые оптическое окно и радиоокно.

Рассеяние излучения в земной атмосфере обусловлено преломлением, отражением и дифракцией лучистого потока, вызванных молекулами некоторых газов и аэрозолями. Коэффициент пропускания рассеивающего слоя определяется формулой Бугера;

где К_λ — коэффициент рассеяния на единицу толщины слоя; (l – толщина рассеивающего слоя.

Коэффициент рассеяния в газах определяется по закону Релея: