Солнечная радиация в атмосфере

5

Министерство образования и  науки Российской Федерации

 

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

(ТУСУР)

 

Кафедра радиоэлектронных технологий и экологического мониторинга  (РЭТЭМ)

 

 

      

 

 

 

 

СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ В АТМОСФЕРЕ

 

 

 

 

 

	Студент гр. 210 ________ И.И. Винник «___»__________2011 г.
	Руководитель курсовой  работы доцент каф. РЭТЭМ, к.б.н. ______________С.А. Полякова «__» __________2011 г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2011 

Реферат

Курсовая работа 35 с.,  5 источника.

СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ В АТМОСФЕРЕ

Объектом изучения является влияние солнечной радиации на атмосферу.

Целью курсовой работы является изучение солнечной радиации на атмосферу и на окружающую среду.

 Список экспериментальных данных, свидетельствующих о наличии  статистически достоверных связей между различными погодными явлениями и солнечной (и магнитной) активностью можно было бы увеличить в десятки или даже сотни раз. И, тем не менее, сама идея о влиянии солнечной активности на состояние нижней атмосферы многими геофизиками решительно отвергается как совершенно неприемлемая. И прежде всего дело в том, что мощность атмосферных процессов на несколько порядков превышает поток энергии, вносимой в околоземное космическое пространство (магнитосферу Земли) солнечным ветром; в связи с этим представляется крайне маловероятным, чтобы солнечная активность могла существенно воздействовать на состояние нижней атмосферы

Курсовая работа выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 2007 и представлена на флэш - носителе.

 

 

Актуальность

Одна из самых актуальных и в то же время вызывающая ожесточенные споры проблема современной геофизики – воздействие солнечной активности на состояние нижней атмосферы и погоду Земли.

Цели и задачи

Целью курсовой работы является изучение  солнечной радиации на атмосферу и на окружающую среду.

 

 

 

 

 

 

 

 

Руководитель курсовой работы

доцент каф. РЭТЭМ, к.б.н.

______________С. А. Полякова

«__» __________2011

Исполнитель

_____________И. И. Винник

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание 

Введение

 Солнце играет исключительную роль в жизни Земли. Весь органический мир нашей планеты обязан Солнцу своим существованием. Солнце - не только источник света и тепла, но и первоначальный источник многих других видов энергии (энергии нефти, угля, воды, ветра).

Под солнечной радиацией мы понимаем весь испускаемый Солнцем поток радиации, который представляет собой электромагнитные колебания различной длины волны.

Так же существует интенсивность солнечной радиации, которая зависит в первую очередь от высоты стояния солнца над горизонтом. Если солнце находится в зените, то путь, который проходит солнечные лучи, будет значительно короче, чем их путь, если солнце находится у горизонта. Интенсивность солнечной радиации зависит также от того под каким углом падают солнечные лучи, от этого зависит и освещаемая территория (при увеличении угла падения площадь освещения увеличивается). Таким образом, та же солнечная радиация приходится на большую поверхность, поэтому интенсивность уменьшается. Интенсивность солнечной радиации зависит от массы воздуха, через который проходит солнечные лучи. Особое значение представляет влияние на интенсивность солнечной радиации состояние атмосферы, ее загрязнение. Если атмосфера загрязнена, то интенсивность солнечной радиации снижается. Наибольшая интенсивность солнечной радиации отмечается летом, меньшая - зимой. По своему биологическому действию солнечная радиация неоднородна: оказывается, каждая длина волны оказывает различное действие на организм человека. 

Цели и задачи. Целью курсовой работы является изучение  солнечной радиации на атмосферу и на окружающую среду.

 

1 РАДИАЦИЯ В АТМОСФЕРЕ

Электромагнитная радиация, которую  просто называют солнечной радиацией, радиацией или излучением, есть форма материи, отличная от вещества. Частным случаем ее является видимый свет, но к ней относят также не воспринимаемые глазом гамма-лучи, рентгеновы лучи, ультрафиолетовые, инфра- красные лучи, радиоволны. Радиация распространяется по всем направлениям от источника радиации, излучателя, в виде электромагнитных волн разной длины, со скоростью, очень близкой к 300 000 км/сек. Электромагнитными волнами называются распространяющиеся в пространстве колебания, то есть периодические изменения электрических и магнитных сил; они вызываются движением электрических зарядов в излучателе.

Все тела, имеющие температуру выше абсолютного нуля, испускают радиацию при перестройке электронных оболочек их атомов и молекул, а также при изменениях в колебании атомных ядер в молекулах и во вращении молекул. В метеорологии приходится иметь дело преимущественно с этой температурной радиацией, определяемой температурой излучающего тела и его излучательной способностью. Наша планета получает такую радиацию от Солнца; земная поверхность и атмосфера в то же время сами излучают температурную радиацию, но в других диапазонах длин волн. Длины волн радиации измеряют с большой точностью, и поэтому удобно выражать их в единицах, значительно меньших, чем микрон. Это миллимикрон (ммк) – тысячная доля микрона и ангстрем (А) – десятитысячная доля микрона.

Температурную радиацию с длинами  волн от 0,002 до 0,4 мк называют ультрафиолетовой. Она невидима, то есть не воспринимается глазом. Радиация от 0,4 до 0,75 мк – это видимый свет, воспринимаемый глазом. Свет с длиной волны около 0,40 мк – фиолетовый, с длиной волны около 0,75 мк – красный. На промежуточные длины волн приходится свет всех цветов спектра. Радиация с длинами волн более 0,75 мк и до нескольких сотен микронов называется инфракрасной; она, также как и ультрафиолетовая, невидима. Коротковолновая радиация располагается в диапазоне коротких волн длиной от 0,1 до 4 мк. Данная радиация включает в себя видимый человеческому глазу свет (0,4 – 0,75 мк), ближайшие к нему по длине волны ультрафиолетовую и инфра - красную радиацию. К длинноволновой относится радиация с длиной волны от 4 до 120 мк. Солнечная радиация на 99% является коротковолновой.

Тело, испускающее температурную  радиацию, охлаждается, его тепловая энергия переходит в энергию радиации. Когда радиация падает на другое тело и поглощается им, энергия радиации переходит в тепловую энергию, то есть температурная радиация нагревает тело, на которое она падает.

Термином «радиация» называется также корпускулярная радиация, то есть потоки электрически заряженных элементарных частиц вещества, движущихся со скоростью сотни км/сек. Однако данная радиация не проникает в нижний 90-км слой атмосферы. Энергия корпускулярной радиации в 107 степени раз меньше, чем энергия температурной солнечной радиации.

Некоторые вещества в особом состоянии испускают радиацию в большом количестве и в другом диапазоне длин волн, чем это следует по их температуре. Таким образом, возможно, например, излучение видимого света при таких низких температурах, при которых вещество обычно не светится. Эта радиация, не подчиняющаяся законам температурного излучения, называется люминесценцией. Для этого вещество предварительно должно поглотить определенное количество энергии и прийти в так называемое возбужденное состояние, более богатое энергией, чем нормальное

состояние вещества. При обратном переходе вещества из возбужденного состояния в нормальное и возникает люминесценция. Люминесценцией объясняются полярные сияния и свечение ночного неба.

1.1 Изменение солнечной радиации в атмосфере и у земной поверхности

Радиацию, приходящую к земной поверхности непосредственно от Солнца, называют прямой солнечной радиацией, в отличие от радиации, рассеянной в атмосфере. Солнечная радиация распространяется от Солнца по всем направлениям. Но расстояние от Земли до Солнца так велико, что прямая радиация падает на любую поверхность на Земле практически в виде параллельного пучка лучей. Проходя сквозь атмосферу, солнечная радиация частично рассеивается атмосферными газами и аэрозольными примесями и переходит в особую форму рассеянной радиации. Она частично поглощается молекулами газов и примесями и переходит в теплоту, то есть идет на нагревание атмосферы, а частично достигает земную поверхность и нагревает ее. Какая-то часть рассеянной радиации, отражаясь, уходит в межпланетное пространство.

Рассеяние тем больше, чем больше примесей в атмосферном воздухе. Вообще рассеяние – это частичное преобразование радиации, идущей в определенном направлении, в радиацию, идущую по всем направлениям. Солнечные лучи, встречаясь с молекулами газов, примесями и аэрозолями, теряют свое прямолинейное направление движения и распространяются от рассеивающих частиц таким образом, как если бы они сами были источниками радиации. Около 25% радиации превращается в атмосфере в рассеянную радиацию, две трети от нее доходят до земной поверхности, но это уже особый вид радиации, так как рассеянная радиация приходит к земной поверхности не от солнечного диска, а от всего небесного свода. Из-за этого ее приток измеряют на горизонтальной поверхности. Понятно, что единица площади, расположенной перпендикулярно к солнечным лучам, получит максимально возможное в данных условиях количество радиации.

Приток солнечной радиации в  кал. на земную поверхность или на любой вышележащий уровень в атмосфере характеризуется интенсивностью радиации J, то есть количеством лучистой энергии, поступающей за единицу времени (одну мин) на единицу площади (кв.см), перпендикулярной солнечным лучам.Эту величину называют еще потоком радиации, а также плотностью потока радиации. Приток солнечной радиации на горизонтальную поверхность часто называют инсоляцией, хотя этот термин применяется и в более общем значении.

Интенсивность солнечной радиации перед ее вступлением в атмосферу (на верхней границе атмосферы) называют солнечной постоянной. Она не зависит от поглощения и рассеяния радиации в атмосфере, поскольку на нее атмосфера не влияет. Солнечная постоянная зависит, таким образом, только от излучательной способности Солнца и от расстояния между Землей и Солнцем. Земля вращается вокруг Солнца по мало растянутому эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. В начале января она близка к Солнцу (147 млн.км), в начале июля – наиболее отдалена (152 млн.км). Так как интенсивность радиации меняется обратно пропорционально квадрату расстояния, то солнечная радиация в течение года меняется на ±3,5%. При среднем расстоянии до Солнца солнечная постоянная равна 2,00±0,04 кал/см2 мин. Однако за стандартное ее значение по международному соглашению принята величина 1,98 кал/см2⋅мин.При рассеивании радиации изменяется ее спектральный состав в пользу коротковолнового излучения, но в солнечном спектре у земной поверхности не наблюдаются волны короче 0,29 мк.

На интенсивность рассеивания влияют размеры рассеивающих частиц: чем они меньше, тем сильнее рассеиваются коротковолновые лучи в сравнении с длинноволновыми. Поэтому в рассеянной радиации лучи фиолетового и синего частей спектра преобладают над оранжевыми и красными. А максимум энергии прямой солнечной радиации приходится у земной поверхности на область желто-зеленой части спектра. Частички атмосферы диаметром более 1,2 мк вызывают не рассеивание, а диффузное отражение, при котором радиация отражается данными частичками как маленькими зеркалами без изменения спектрального состава.

Рассеивание радиации в атмосфере  обуславливает рассеивание света в дневное время, и даже тогда, когда Солнце закрыто облаками. И после захода Солнца вечером темнота наступает   не сразу: небо посылает к земной поверхности рассеянную радиацию и само остается светлым. Аналогично утром небо светлеет до восхода Солнца. Явление это называется сумерками (вечерними и утренними). Причина – освещение Солнцем, находящимся под линией горизонта, верхних слоев атмосферы с ее эффектом частичного рассеивания прямой солнечной радиации.

В отсутствие атмосферы было бы светло только там, куда падают прямые солнечные лучи или лучи, отраженные земной поверхностью. Оставшаяся прямая солнечная радиация достигает земной поверхности, частично отражаясь от нее, но в большей степени поглощаясь ею и нагревая ее.При наиболее высоком стоянии Солнца, когда воздух наиболее чист, интенсивность прямой радиации на уровне моря составляет 1,5 кал/см2 мин. По мере приближения Солнца к горизонту и увеличения толщи воздуха, проходимой солнечными лучами, интенсивность прямой радиации убывает.

          В атмосфере поглощается сравнительно небольшое количество радиации, главным образом, инфракрасной частью спектра. Разные газы поглощают радиацию в разных участках спектра по-разному. Например, азот поглощает радиацию в ультрафиолетовой части спектра; кислород – в видимой и ультрафиолетовой частях; атмосферный озон – в ультрафиолетовой части, углекислый газ сильно поглощает радиацию в инфракрасной части, водяной пар (более других) – в инфракрасной части спектра. Поглощают солнечную радиацию также аэрозоли.

В каждом месте поглощение меняется с течением времени в зависимости от:

1) переменного  содержания в воздухе примесей;

2) высоты  Солнца над горизонтом, то есть  от толщины слоя воздуха, проходимого лучами сквозь атмосферу на пути к земной поверхности.

1.2 Явления рассеянной радиации

Голубой цвет неба – это цвет самого воздуха, обусловленный рассеянием в нем солнечных лучей. Воздух прозрачен в тонком слое, как и вода. Но в мощной толще атмосферы воздух имеет голубой цвет, как, скажем, вода глубиной в несколько метров имеет зеленоватый цвет. С высотой, по мере уменьшения плотности воздуха, то есть количества рассеивающих частиц, цвет неба темнеет и переходит в густо синий, а в стратосфере – в черно - фиолетовый. Чем больше в воздухе помутняющих примесей более крупных размеров, чем молекулы воздуха, тем больше доля длинноволновых волн в спектре солнечной радиации и тем белесоватее становится окраска небесного свода.

Частицами тумана, облаков и крупной пыли, диаметром более 1,2 мк, лучи всех длин волн диффузно отражаются одинаково, поэтому отдаленные предметы заволакиваются уже не голубой, а белой или серой завесой.