Планета Земля и ее атмосфера. Земля как планета. Форма и размеры. Гравитационное поле. Магнитное поле., страница 18

где n — показатель преломления среды; N — число молекул в единице объема;

λ — длина волны излучения; δ — фактор деполяризации рассеянного излучения.

Значения коэффициента К_λвертикального слоя всей атмосферы и его изменение с высотой, а так же значения коэффициента для облаков, туманов и дымки при наиболее часто встречающихся в естественных условиях параметрах атмосферы приведены в справочной литературе.

Концентрация частиц с высотой в приземном слое атмосферы (до l = 5 км) убывает по экспоненциальному закону. В связи с этим оптическая толща атмосферы (К_λl) при наклонном распространении излучения определяется выражением

где z — зенитное расстояние; а_λ — спектральный коэффициент ослабления в приземном слое; h₁, h₂ – нижняя и верхняя границы слоя; b = 2,78 – 0,460 lg L₀ (L₀ — дальность видимости в приземном слое атмосферы).

Поглощение излучения в атмосфере является избирательным и происходит на многоатомных молекулах паров воды, углекислого газа и озона. Количество водяных паров в атмосфере изменяется от 1 до 0,001% объема и измеряется в миллиметрах осажденной воды для столба атмосферы данного сечения. На длине пути луча D км количество осажденной воды на уровне моря

где Т - температура слоя, К; R₀ — относительная влажность, %; E₀₀ - упругость насыщенных паров, мбар.

Спектральные коэффициенты пропускания τ_λ зависят от длины волны λ и содержания осажденной воды в атмосфере.

Основные полосы поглощения CO₂ приходятся на длины волн 2,7; 4,3; и 15 мкм.

Для наклонных трасс:

количество осажденной воды

эффективная дальность при поглощении СО₂

где z – зенитное расстояние; h – высота, км; (P_h/P₀)^0,5 и (P_h/P₀)^1,5 – высотные поправки на абсолютную влажность и содержание СО₂; R₀(h), T(h), E₀₀(h) – функции, зависящие от метеоусловий и времени года (их значения можно найти в соответствующей справочной литературе).

Эти формулы выведены без учета кривизны Земли. С достаточной точностью их можно применять для зенитных расстояний до 70…80°.

Наиболее точное распределение альбедо по планете получают с помощью прямых измерений с искусственных спутников Земли.

Альбедо Земли зависит также от длины волны, поскольку отражательная способность облаков и земного покрова носит спектрально-селективный характер. Лучше всего рассеиваются и отражаются волны в сине-зеленой части спектра (до 50%), несколько хуже в видимой области (дол 40%) и еще меньше в инфракрасной (28%). Далекая ультрафиолетовая область (λ < 0,3 мк) почти полностью поглощается озоном в верхних слоях атмосферы. Поскольку, как указывалось выше, облачный покров является доминирующим фактором в величине альбедо, то спектральный состав отраженного излучения в значительной мере определяется метеорологическими условиями.

На рисунке 2.5-6.17. приведены две кривые спектрального распределения отраженной от Земли радиации для ясного и облачного неба.

Ввиду того, что максимальный вклад в величину отраженного потока дают облака, находящиеся на различной высоте над поверхностью Земли, в энергетические расчеты необходимо вводить поправку к радиусу Земли на величину оптически активного слоя, который составляет примерно 12…15 км.

Собственное тепловое излучение Земли складывается из излучения поверхности суши, морей и атмосферы. Температура поверхности Земли меняется от 190К (Антарктида) до 340К (каменистые пустыни). Согласно закону Планка максимум излучения черного тела, имеющего такие температуры, приходится, на инфракрасный участок спектра с длинами волн от 14,5 до 8,7 мк. Причем более 90% энергии инфракрасного излучения приходится на участок спектра с длиной волны свыше 5 мк. В этом инфракрасном участке спектра излучательная способность суши, воды и растительности очень велика и в среднем для всей Земли равняется примерно 0.93.

Значительная часть излучения земной поверхности задерживается облаками. Лишь около 2,5% радиации уходит непосредственно от земной поверхности через так называемые окна прозрачности, в основном в районе длин волн 8 и 11 мк. Эти всплески интенсивности излучения хорошо видны на рисунке 2.5-6.17., где представлен спектр теплового излучения для Земли в целом.