Что характеризует величина альбедо тепловой режим

Обновлено: 01.07.2024

РАДИАЦИОННЫЙ БАЛАНС И ЕГО СОСТАВЛЯЮЩИЕ

Солнечная радиация, достигшая земной поверхности, частично отражается от нее, а частично поглощается Землей. Однако Земля не только поглощает радиацию, но и сама излучает длинноволновую радиацию в окружающую атмосферу. Атмосфера, поглощая некоторую часть солнечной радиации и большую часть излучения земной поверхности, сама тоже излучает длинноволновую радиацию. Большая часть этого излучения атмосферы направлена к земной поверхности. Она называется встречным излучением атмосферы .

Разность между приходящими к деятельному слою Земли и уходящими от него потоками лучистой энергии называют радиационным балансом деятельного слоя.

Радиационный баланс состоит из коротковолновой и длинноволновой радиации. Он включает в себя следующие элементы, называемые составляющими радиационного баланса: прямая радиация, рассеянная радиация, отраженная радиация (коротковолновая), излучение земной поверхности, встречное излучение атмосферы .

Рассмотрим составляющие радиационного баланса.

Прямая солнечная радиация

Энергетическая освещенность прямой радиации зависит от высоты Солнца и прозрачности атмосферы и возрастает с увеличением высоты места над уровнем моря. Облака нижнего яруса обычно полностью или почти не пропускают прямую радиацию.

Длины волн солнечной радиации, достигающей земной поверхности, лежат в интервале 0,29—4,0 мкм. Примерно половина ее энергии приходится на фртосинтетически активную радиацию. В области ФАР ослабление радиации с уменьшением высоты Солнца происходит быстрее, чем в области инфракрасной радиации. Приход прямой солнечной радиации, как уже указывалось, зависит от высоты Солнца над горизонтом, меняющейся как в течение суток, так и в течение года. Это обусловливает суточный и годовой ход прямой радиации.

Изменение прямой радиации в течение безоблачного дня (суточный ход) выражено одновершинной кривой с максимумом в истинный солнечный полдень. Летом над сушей максимум может наступить до полудня, так как к полудню увеличивается запыленность атмосферы.

При продвижении от полюсов к экватору приход прямой радиации в любое время года возрастает, так как при этом увеличивается полуденная высота Солнца.

Годовой ход прямой радиации наиболее резко выражен на полюсах, так как зимой солнечная радиация здесь вообще отсутствует, а летом ее приход достигает 900 Вт/м². В средних широтах максимум прямой радиации иногда наблюдается не летом, а весной, так как в летние месяцы вследствие увеличения содержания водяного пара и пыли уменьшается прозрачность атмосферы/Минимум приходится на период, близкий ко дню зимнего солнцестояния (декабрь). На экваторе наблюдаются два максимума, равные примерно 920 Вт/м² в дни весеннего и осеннего равноденствия, и два минимума (около 550 Вт/м²) в дни летнего и зимнего солнцестояния.

Рассеянная радиация

Максимум рассеянной радиации обычно значительно меньше, чем максимум прямой. Чем больше высота Солнца и больше загрязненность атмосферы, тем больше поток рассеянной радиации. Облака, не закрывающие Солнца, увеличивают приход рассеянной радиации по сравнению с ясным небом. Зависимость прихода рассеянной радиации от облачности сложная. Она определяется видом и количеством облаков, их вертикальной мощностью и оптическими свойствами. Рассеянная радиация облачного неба может колебаться более чем в 10 раз.

Снежный покров, отражающий до 70—90% прямой радиации, увеличивает рассеянную радиацию, которая затем рассеивается в атмосфере. С увеличением высоты места над уровнем моря рассеянная радиация при ясном небе уменьшается.

Суточный и годовой ход рассеянной радиации при ясном небе в общем соответствует ходу прямой радиации. Однако утром рассеянная радиация появляется еще до восхода Солнца, а вечером она еще поступает в период сумерек, т. е. после захода. В годовом ходе максимум рассеянной радиации наблюдается летом.

Суммарная радиация

Сумму рассеянной и прямой радиации, падающей на горизонтальную поверхность, называют суммарной радиацией .

Она является основной составляющей радиационного баланса. Её спектральный состав по сравнению с прямой и рассеянной радиацией более устойчив и почти не зависит от высоты Солнца, когда, она составляет более 15°.

Соотношение между прямой и рассеянной радиацией в составе суммарной радиации зависит от высоты Солнца, облачности и загрязненности атмосферы. С увеличением высоты Солнца доля рассеянной радиации при безоблачном небе уменьшается. Чем прозрачнее атмосфера, тем меньше доля рассеянной радиации. При сплошной плотной облачности суммарная радиация полностью состоит из рассеянной радиации. Зимой вследствие отражения радиации от снежного покрова и ее вторичного рассеяния в атмосфере доля рассеянной радиации в составе суммарной заметно увеличивается.

Приход суммарной радиации при наличии облачности меняется в больших пределах. Наибольший приход ее наблюдается при ясном небе или при небольшой облачности, не закрывающей Солнца.

В суточном и годовом ходе изменения суммарной радиации почти прямо пропорциональны изменению высоты Солнца. В суточном ходе максимум суммарной радиации при безоблачном небе приходится обычно на полуденное время. В годовом ходе максимум суммарной радиации отмечается в северном полушарии обычно в июне, в южном — в декабре.

Отраженная радиация. Альбедо

Часть суммарной радиации, приходящей к деятельному слою Земли, отражается от него. Отношение отраженной части радиации к ко всей приходящей суммарной радиации называют отражательной способностью , или альбедо (А) данной подстилающей поверхности.

Альбедо поверхности зависит от ее цвета, шероховатости, влажности и других свойств.

Альбедо различных естественных поверхностей (по В. Л. Гаевскому и М. И. Будыко)

Поверхность

Альбедо, %

Поверхность

Альбедо, %

Свежий сухой снег

Поля ржи и пшеницы

Сухие глинистые почвы

Альбедо водных поверхностей при высоте Солнца свыше 60° меньше, чем альбедо суши, поскольку солнечные лучи, проникая в воду, в значительной мере поглощаются и рассеиваются в ней. При отвесном падении лучей А = 2— 5%, при высоте Солнца меньше 10° А = 50— 70%. Большое альбедо льда и снега обусловливает замедленный ход весны в полярных районах и сохранение там вечных льдов.

Наблюдения за альбедо суши, моря и облачного покрова проводятся с искусственных спутников Земли. Альбедо моря позволяет рассчитывать высоту волн, альбедо облаков характеризует их мощность, а альбедо разных участков суши позволяет судить о степени покрытия полей снегом и о состоянии растительного покрова.

Альбедо всех поверхностей, а особенно водных, зависит от высоты Солнца: наименьшее альбедо бывает в полуденные часы, наибольшее — утром и вечером. Это связано с тем, что при малой высоте Солнца в составе суммарной радиации возрастает доля рассеянной, которая в большей степени, чем прямая радиация, отражается от шероховатой подстилающей поверхности.

Длинноволновое излучение Земли и атмосферы

Земное излучение несколько меньше излучения абсолютно черного тела при той же температуре.

Излучение земной поверхности происходит непрерывно. Чем выше температура излучающей поверхности, тем интенсивнее ее излучение. Также непрерывно происходит излучение атмосферы, которая, поглощая часть солнечной радиации и излучения земной поверхности, сама излучает длинноволновую радиацию.

В умеренных широтах при безоблачном небе излучение атмосферы составляет 280—350 Вт/м², а в случае облачного неба оно на 20—30% больше. Около 62—64% этого излучения направлено к земной поверхности. Приход его на земную поверхность составляет встречное излучение атмосферы. Разность этих двух потоков характеризует потерю лучистой энергии деятельным слоем. Эту разность называют эффективным излучением Еэф .

Эффективное излучение деятельного слоя зависит от его температуры, от температуры и влажности воздуха, а также от облачности. С повышением температуры земной поверхности Еэф увеличивается, а с повышением температуры и влажности воздуха уменьшается. Особенно влияют на эффективное излучение облака, так как капли облаков излучают почти так же, как и деятельный слой Земли. В среднем Еэф ночью и днём при ясном небе в разных пунктах земной поверхности изменяется в пределах 70—140 Вт/м².

Суточный ход эффективного излучения характеризуется максимумом в 12—14 ч и минимумом перед восходом Солнца. Годовой ход эффективного излучения в районах с континентальным климатом характеризуется максимумом в летние месяцы и минимумом в зимние. В районах с морским климатом годовой ход эффективного излучения выражен слабее, чем в районах, расположенных в глубине континента

Излучение земной поверхности поглощается водяным паром и углекислым газом, содержащимися в воздухе. Но коротковолновую радиацию Солнца атмосфера в значительной степени пропускает. Это свойство атмосферы называется «оранжерейным эффектом» , поскольку атмосфера при этом действует подобно стеклам в теплицах: стекло хорошо пропускает солнечные лучи, нагревающие почву и растения в теплице, но плохо пропускает во внешнее пространство тепловое излучение нагревшейся почвы. Расчеты показывают, что при отсутствии атмосферы средняя температура деятельного слоя Земли была бы на 38°С, ниже фактически наблюдающейся и Земля была бы покрыта вечным льдом.

Если приход радиации больше расхода, то радиационный баланс положителен и деятельный слой Земли нагревается. При отрицательном радиационном балансе этот слой охлаждается. Радиационный баланс днем обычно положителен, а ночью отрицателен. Примерно за 1—2 ч до захода Солнца он становится отрицательным, а утром, в среднем за 1 ч после восхода Солнца снова делается положительным. Ход радиационного баланса днем при ясном небе близок к ходу прямой радиации.

Изучение радиационного баланса сельскохозяйственных угодий позволяет рассчитывать количество радиации, поглощенной посевами и почвой, в зависимости от высоты Солнца, структуры посева, фазы развития растений. Для оценки разных приемов регулирования температуры и влажности почвы, испарения и других величин определяют радиационный баланс сельскохозяйственных полей при различных типах растительного покрова.

Методы измерения солнечной радиации и составляющих радиационного баланса

Для измерения потоков солнечной радиации применяются абсолютные и относительные методы и соответственно разработаны абсолютные и относительные актинометрические приборы. Абсолютные приборы обычно применяют только для тарировки и поверки относительных приборов.

Относительные приборы применяются при регулярных наблюдениях на сети метеостанций, а также в экспедициях, и при полевых наблюдениях. Из них наиболее широко используются термоэлектрические приборы: актинометр, пиранометр и альбедометр. Приемником солнечной радиации у этих приборов служат термобатареи, составленные из двух металлов (обычно манганина и константана). В зависимости от интенсивности радиации между Спаями термобатареи создается разность температур и возникает электрический ток различной силы, который измеряется гальванометром. Для перевода делений шкалы гальванометра в абсолютные единицы применяются переводные множители, которые определяются для данной пары: актинометрический прибор — гальванометр.

Актинометр термоэлектрический (М-3) Савинова — Янишевского служит для измерения прямой радиации, приходящий на поверхность, перпендикулярную к солнечным лучам.

Пиранометр (М-80М) Янишевского служит для измерения суммарной и рассеянной радиации, приходящей на горизонтальную поверхность.

При наблюдениях приемная часть пиранометра устанавливается горизонтально. Для определения рассеянной радиации пиранометр затеняется от прямой радиации теневым экраном в виде круглого диска, закрепленного на стержне на расстоянии 60 см от приемной поверхности. При измерении суммарной радиации теневой экран отводится в сторону

Альбедометр — это пиранометр, приспособленный также. Для измерения отраженной радиации. Для этого служит устройство, позволяющее поворачивать приемную часть прибора вверх (для измерения прямой) и вниз (для измерения отраженной радиаций). Определив альбедометром суммарную и отраженную радиацию, вычисляют альбедо подстилающей поверхности. Для полевых измерений используют альбедометр походный М-69.

Балансомер термоэлектрический М-10М. Этот прибор применяется для измерения радиационного баланса подстилающей поверхности.

Кроме рассмотренных приборов, используют также люксметры — фотометрические приборы для измерения освещенности, спектрофотометры, различные приборы для измерения ФАР и т. д. Многие актинометрические приборы приспособлены для непрерывной записи составляющих радиационного баланса.

Важной характеристикой режима солнечной радиации является продолжительность солнечного сияния. Для ее определения служит гелиограф .

В полевых условиях наиболее часто применяются пиранометры, походные альбедометры, балансомеры и люксметры. Для наблюдений среди растений наиболее удобны походные альбедометры и люксметры, а также специальные микропиранометры.

Текст научной работы на тему «Оценка влияния прямой солнечной радиации и альбедо поверхности на глобальное изменение климата»

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН ______________________________________2008, том 51, №9___________________________________

УДК 551.51, 551.521.3, 551.576, 551.588, 551.583, 551.59

Б.И.Назаров, С.Ф.Абдуллаев, В.А.Маслов ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПРЯМОЙ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ И АЛЬБЕДО ПОВЕРХНОСТИ НА ГЛОБАЛЬНОЕ ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА

(Представлено членом-корреспондентом АН Республики Таджикистан ХХМуминовым 28.07.2008 г.)

Одним из факторов, влияющих на глобальное изменение климата, является изменение прямой солнечной радиации. В результате периодических изменений параметров орбиты Земли меняется и поток солнечной энергии (с периодами в десятки и сотни тысяч лет), достигающий разных широт земной поверхности в отдельные времена года, что оказывает заметное влияние на климат. Этот механизм объясняет причины периодических оледенений, неоднократно происходивших на протяжении последних нескольких миллионов лет.

По различным причинам меняется и количество сразу же отраженной от поверхности и атмосферы Земли солнечной энергии. Это определяется содержанием в атмосфере Земли аэрозолей, рассеивающих и отражающих солнечную энергию (прежде всего сульфатных аэрозолей), а также типом поверхности той или иной территории (снежный покров и чернозем отражают совсем разные доли падающей на них солнечной энергии). Поэтому поступающий к поверхности Земли поток энергии со временем изменяется.

Рассмотрим теперь поток энергии, уходящий с поверхности Земли в космос. Отвод тепловой энергии с самой поверхности Земли в атмосферу идет сразу несколькими путями (конвекция, испарение с поверхности и конденсация в атмосфере паров воды, излучение в инфракрасном диапазоне, теплопроводность газов), однако отвод энергии за пределы атмосферы осуществляется практически только за счет ИК излучения. Уменьшение этого отвода будет приводить к разогреву поверхности Земли и нижней части атмосферы. В отсутствии атмосферы на поверхности Земли устанавливалось бы равенство потоков поглощаемой поверхностью части солнечной энергии (в основном в видимом диапазоне) и энергией, переиз-лучаемой обратно в космос в инфракрасном диапазоне. При этом на поверхности устанавливается некоторая температура, среднее значение которой по всей поверхности, как несложно подсчитать по закону Стефана-Больцмана, при условии лучистого равновесия, в нынешнюю эпоху должно быть равно около 255 К (-18°С).

Однако, если Земля окружена атмосферой, то температура поверхности планеты должна зависеть от условий прохождения через атмосферу приходящего и уходящего потоков энергии, от процессов многократного рассеяния, поглощения и переизлучения фотонов при прохождении сквозь атмосферу. В случае же, если взаимодействие между различными веществами атмосферы и излучением отсутствует, не будет и никакого влияния атмосферы

на проходящие сквозь нее потоки лучистой энергии и термический режим поверхности планеты.

Рассмотрим, как взаимодействует вещество с излучением в атмосфере. Молекулы газов и частички аэрозолей участвуют в процессах рассеяния света, что особенно проявляется в коротковолновой видимой области спектра, в то время как в инфракрасной области это происходит гораздо слабее - рассеяние очень сильно зависит от частоты света и коротковолновое излучение рассеивается в воздухе значительно сильнее длинноволнового. Падающее излучение вызывает колебания дипольных моментов атомов и молекул и заставляет их излучать полученную энергию. Излучение это происходит в произвольном направлении (хотя, в общем случае, вероятность для разных направлений различна), в результате часть солнечного излучения, поступающего к Земле, возвращается назад, в космос. Происходят в атмосфере и мощные процессы поглощения и дальнейшего переизлучения лучистой энергии в резонансных полосах поглощения и излучения молекул (рассеяние же происходит при любой частоте возбуждающего излучения, но взаимодействие в этом случае значительно слабее). При этом происходит переход между уровнями в энергетическом спектре молекулы, который образуется электронными, а также колебательными и вращательными энергетическими уровнями молекулы. В дальнейшем полученная энергия переизлучается молекулами в различные стороны, и потому часть лучистой энергии возвращается обратно, в сторону источника излучения.

Итак, если в атмосферу вводится вещество, которое сильно поглощает и переизлучает во всех направлениях инфракрасное излучение, которым отводится энергия от Земли в космос, то часть отдаваемой в космос энергии будет возвращаться назад, к поверхности. При этом ухудшатся условия отвода энергии от поверхности. Если взаимодействие с видимым светом, дающим основной приток солнечной энергии к Земле, у этого вещества будет значительно слабее, чем с инфракрасным излучением, то поток энергии, приходящий к поверхности, станет больше уходящего с нее потока, нарушится их баланс. Вначале снизится и поток излучения в космос. Но поверхность начнет разогреваться, излучение ее будет усиливаться, и в конце концов, часть этого потока, остающаяся после прохождения сквозь атмосферу (другая часть возвращается назад к поверхности), сравняется с потоком энергии, приходящим из космоса. Установится новое равновесное состояние, которое будет сохраняться до тех пор, пока в атмосфере опять не изменится количество упомянутого вещества. Суть парникового эффекта как раз и состоит в том, что направленный в космос от поверхности поток энергии в инфракрасном диапазоне поглощается молекулами некоторых газов и переизлуча-ется ими во все стороны (в том же диапазоне), а значит половина поглощенного данными молекулами потока энергии возвращается назад, к поверхности Земли, что дополнительно разогревает ее. Именно с изменением величины этого эффекта связывают сейчас происхо-

дящее потепление климата. Этот фактор четко привязан к происходящей последнее время активизации человеческой деятельности и в отличие от большинства других факторов может меняться столь быстро и мощно как ныне.

Величина приходящей солнечной радиации (342 Вт/м ) равна количеству отраженной радиации (107 Вт/м2) плюс величина исходящей от Земли длинноволновой радиации (235 Вт/м ) - (ВМО, 2003). По порядку величины нарушение, вызванное антропогенной деятельностью, составляет менее 3 Вт/м2 или менее 1% от общего баланса.

Изменение притока солнечной радиации на 1% изменяет температуру нижнего слоя атмосферы приблизительно на 1.5°С, изменение альбедо системы «Земля-атмосфера» на

0.01, обусловленное колебаниями среднего альбедо земной поверхности, приводит к изменению температуры примерно на 2°С. Почва поглощает огромное количество солнечного тепла, отражая при этом от 0.1 до 0.3 лучистой энергии.

На рис.1 и 2 представлены коэффициент отражения проб пылевого аэрозоля и проб почвы, собранных нами по пути распространения пылевой мглы на юге Таджикистана [1].

Альбедо поверхности или отражающей способностью называется отношение количества отраженной поверхностью Земли лучистой энергии к количеству падающей, выраженное в процентах. Альбедо колеблется (в %): чернозем влажный - 8, сухой - 14, серозем влажный - 10-12, сухой - 25-30, глина - 16-23, трава зеленая - 26, песок белый и желтый -

Рис.1. Спектр удельного поглощения проб пылевого аэрозоля и проб почв в видимой области.

Рис.2. Динамика изменения средней годовой температуры приземного воздуха в г.Душанбе.

Продолжительность солнечного сияния в Таджикистане составляет от 280 до 330 дней в году, а плотность солнечного излучения доходит до 1 кВт/м и более. Дни «без солнца» в Таджикистане наблюдаются редко - 34-50 дней в долинно-предгорных районах и 10-12 в высокогорьях, и лишь на леднике Федченко их количество составляет 81 день. Наибольшее количество дней «без солнца» наблюдается в зимнее время 6 - 12 дней. С июня по сентябрь

наблюдается всего 1-5 дней «без солнца» в десятилетие. Приход солнечной радиации на горизонтальную поверхность при ясном небе в полуденные часы на равнинной части террито-

2 2 рии составляет 0.33-0.81 кВт/м , в горных районах - 0.46-1.02 кВт/м . наличие облачности

уменьшает приходящую солнечную радиацию и радиационный баланс. В целом за год облачность снижает поступление прямой радиации на 32-35% от потенциально возможной для равнинной части и на 50% - для горной части. Суммарная радиация определяется общим приходом прямой и рассеянной радиации на горизонтальную поверхность. Максимальной интенсивности суммарная радиация на всей территории республики достигает в мае-июле.

Интенсивность суммарной радиации изменяется для предгорных районов от 280 до 925

2 2 мДж/м . В высокогорных районах она колеблется от 360 до 1120 мДж/м .

Альбедо некоторых поверхностей, характерных для Таджикистана

Рельеф Общая площадь ( в тыс.км2 ) Альбедо

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Равнины 10.0 20-26

Пустыня 2.0 34-40

Здания и сооружения 10-25

Сельскохозяйственные поля 14.23 20-28

Необходимо внедрение новых методов земледелия и проведение ряда адаптационных, агромелиоративных, почвозащитных и лесозащитных мероприятий 15.0 20-28

Измерения, проведенные нами в условиях высокогорной аридной зоны, указывают на среднее значение Р=0.61 при вариациях Р от 0.40 до 0.78. Оценка показывает, что при таком изменении прозрачности происходит уменьшение потока прямой радиации А1/1-35-50% в случае пылевого выноса относительно фоновых значений. Наши оценки, показывают, что изменения потока суммарной радиации Q в безоблачных условиях при уменьшении прозрачности от 0.78 до 0.40 составляют: А <3/С>

20-30%. Таким образом, интегральная прозрачность атмосферы является характеристикой атмосферы, в значительной степени определяющей потоки солнечной излучения.

Определение интегральной прозрачности атмосферы проводилось с помощью актинометра в системе автоматического слежения за Солнцем. Синхронно проводились измерения отраженной и рассеянной радиации. В табл. 2 представлено изменение потока прямой, суммарной и отраженной радиации и увеличение рассеянной радиации при пылевых эпизодах по сравнению с фоновыми значениями. Как видно из табл. 2, одновременно с уменьшением (ослаблением) потоков прямой, суммарной и отраженной радиации при пылевом выно-

се происходит увеличение рассеянной радиации, тогда как в фоновых условиях R/D-2.7 в случае пылевого выноса составляет 0.5-1.5.

Изменение радиационных параметров атмосферы при различных сценариях запыленности воздуха

Потоки, кВт/м2 1 сценарий 2 сценарий 3 сценарий

I 0.300 0.442 0.433

Q 0.193 0.180 0.191

R 0.049 0.065 0.081

D -0.107 -0.262 -0.242

Было оценено альбедо однократного рассеяния со^Х о , характеризующее соотношение поглощения и рассеяния в атмосферном аэрозоле. Величина альбедо однократного рассеяния, равная 0.85 широко используется как критическое значение, разделяющее тенденции глобального охлаждения со^Х о>0.85 и глобального нагревания со^Х о<0.85 [2]. Поэтому для частиц различного размера направление температурных изменений зависит от того, каким образом поглощающие вещества входят в аэрозоль.

Отсюда вытекает, что простое знание количества поглощающего вещества в атмосферном аэрозоле недостаточно для оценки его потенциального воздействия на климат.

Сбор проб пылевого аэрозоля в результате пылевого выноса показывают, что в нем доминирует “серые” частицы над смесью “черных” и “белых”. “Серые” частицы поглощают сильнее, чем смесь “черных” и “белых” частиц, и различие между ними существенно: отношение значений ( 1-£УаДо ) для этих двух моделей аэрозолей равно примерно 3. Сам факт ¿УаДо>0.85, по-видимому, приводящий к глобальному охлаждению, показывает, что пылевой аэрозоль является заметным поглощающим компонентом в атмосфере.

1. Абдуллаев С.Ф. Экспериментальное исследование оптических и микрофизических характеристик пылевого аэрозоля в условиях аридной зоны Таджикистана. - Дисс. к.ф.м.н., М., 1994, 183 с.

2. Борин К, Хафмен Д. Поглощения и рассеяния света малыми частицами, М.: Мир, 1986, 664 с.

Физико-технический институт им. С. У. Умарова Поступило 28.07.2008 г.

АН Республики Таджикистан

Б.И.Назаров, С.Ф.Абдуллаев, В.А.Маслов БА^ОДИ^Й БА ТАЪСИРИ НУРИ ОФТОБ ВА ИНЪИКОСИ САТ^И ЗАМИН БА ТАГЙИРЁБИИ ИЦЛИМ

Ба сели радиационй тагйирёбии инъикоси сатхи Замин бо воситаи таъсири ода-мон ба вучуд мепайвандад, тагйирёбии коэффиисиенти иньикоси сатхи замин аз сабаби нест кардани чангалзорхо,обшавии пирьяххо ва гайра ба вучуд омада метавонад. Ба харорати хаво инчунин тагйирёбии фаъолияти нури офтоб ва коэффитсиенти инъикоси сатхи Замин, ки аз масохати нисбии китъахо , укёнусхо ва мавчудияти барф ва пиряххо дар сатхи Замин вобастагй дорад, алокдманд аст.

B.I.Nazarov, S.F.Abdullaev, V.A.Maslov ASSESSMENT OF INFLUENCE OF THE DIRECT OF SOLAR RADIATION AND ALBEDO SURFACE TO GLOBAL CLIMATE CHANGE

Что характеризует величина альбедо тепловой режим

Тепловой баланс земной поверхности не характеризует все виды преобразования энергии в климатической системе, поскольку не учитывает процессы, протекающие во всей толще атмосферы. Учесть все составляющие теплового баланса можно, если рассмотреть приход и расход тепла в вертикальной колонне, проходящей через всю атмосферу, верхние слои океана или литосферу вплоть до уровней, где прекращаются сезонные колебания температуры.

Нагрев столба атмосферы может происходить в результате действия нескольких механизмов. К ним относятся:

а) поглощение солнечной энергии, определяемой как Q_s (1 – А_s), где Q_s – инсоляция, А_s – альбедо системы Земля – атмосфера;

б) конденсация водяного пара, в результате чего выделяется скрытое тепло LC, где С – масса водяного пара, сконденсировавшаяся в единицу времени над единичной площадью;

в) перенос горизонтальными атмосферными движениями внутрь данного объема явного тепла Q₁;

г) перенос горизонтальными океаническими течениями внутрь объема явного тепла f₁.

Кроме притоков тепла необходимо учесть и возможные его стоки. К числу стоков тепла можно отнести:

а) испускание в космическое пространство теплового инфракрасного излучения E_s;

б) испарение воды, на которое расходуется тепло LE;

в) горизонтальный поток явного тепла, выносимого атмосферными движениями из рассматриваемого столба Q₂;

г) горизонтальный поток явного тепла, который выносится океаническими течениями F₂.

Если обозначить изменение теплосодержания внутри выделенной колонны через T_s, то баланс энергии для этой колонны может быть записан следующим образом:

Сумма первого и пятого членов равенства (5) определяет все лучистые потоки тепла и является радиационным балансом системы Земля – атмосфера: В_s = Q_s(1–А_s) –Е_s. Если обозначить притоки скрытого и явного тепла через LΔC = L(E – С) и ΔQ = Q₂ – Q₁, ΔF = F₂ – F₁ то, учитывая, что за период, равный одному году, T_s близко к нулю, баланс энергии в системе Земля – атмосфера получим в следующем виде:

Текст научной работы на тему «Тенденции и динамика нелинейных климатических изменений под действием долговременных вариаций солнечной постоянной и альбедо Бонда Земли»

Тенденции и динамика нелинейных климатических изменений под действием долговременных вариаций солнечной постоянной и альбедо Бонда Земли

Д-р физ. -мат. наук Х. И. АБДУСАМАТОВ1,

Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория РАН 196140, Россия, Санкт-Петербург, Пулковское шоссе, 65

Для определения тенденций изменения климата Земли под действием долговременных периодических вариаций солнечной постоянной разработана математическая модель, учитывающая зависимость альбедо Бонда Земли от приращений планетарной температуры. В модели учтена зависимость приращения альбедо Бонда от температурного изменения альбедо земной поверхности. Исследования проведены для двухвекового цикла вариаций солнечной постоянной. Показано, что с ростом величины термической инерции планеты, определяемой глубиной активного слоя океана, уменьшается амплитуда колебаний планетарной температуры. При этом одновременно увеличивается временная задержка колебаний планетарной температуры относительно фазы колебаний солнечной постоянной. Установлено, что на полупериоде спада светимости Солнца снижение планетарной температуры больше, чем прирост температуры в фазе роста солнечной постоянной. Амплитуда снижения планетарной температуры в фазе спада светимости Солнца и солнечной постоянной превышает амплитуду положительного прироста планетарной температуры в фазе роста светимости Солнца в 1,5-2,5 раза. Результаты проведенного моделирования указывают на тенденцию преобладающего роста криосферы Земли со значительно замедленным обратным процессом уменьшения объема криосферы. Ключевые слова: солнечная постоянная, альбедо Бонда Земли, планетарная температура, термическая инерция океана.

D. Sc. H. I. ABDUSSAMATOV1, Ph. D. Ye. V. LAPOVOK2, D. Sc. S. I. KHANKOV2

Pulkovo Observatory 196140, Russia, St. Petersburg, Pulkovskoye chaussee 65

Ранее нами были исследованы периодические колебания глобальной термодинамической или планетарной температуры [1] и отклонения энергетического баланса Земли от равновесного состояния [2] в результате перио -дических двухвековых вариаций светимости Солнца [3].

Целью данных исследований являлось получение аналитических описаний и определение амплитуды

и фазы приращений планетарной термодинамической температуры 9 = Т - Тр0 (Т — планетарная температура, Тр0 — ее начальное значение) от приращения удельной мощности тепловыделений Д^ в Мировом океане и атмос -фере, вызванных двухвековыми вариациями солнечной постоянной и альбедо Бонда Земли. При этом впервые моделировалась ситуация изменения альбедо Бонда Земли в виде функции приращения планетарной температуры.

При малых приращениях планетарной температуры, уравнение нестационарного теплообмена планеты с холодным космическим пространством с учетом двухвековых вариаций поглощаемой мощности солнечного излучения, но без учета изменений альбедо Бонда Земли и концентрации парниковых газов в атмосфере, может быть представлено в виде [1]

где Ла — альбедо атмосферы; в — пропускание атмосферы в спектре солнечного излучения.

Учитывая нынешние значения Л = 0,225 и в = 0,747

[4], можно получить из (3)

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

где t — постоянная термической инерции планеты при малых приращениях температур; — амплитуда приращения планетарной температуры; 9 — текущее время; t0 — период колебаний солнечной постоянной; с — поверхностная плотность полной теплоемкости системы океан — атмосфера; — коэффициент теплоотдачи излучением от планеты в открытый космос; А<2 — амплитуда приращения поглощаемой планетой удельной мощности солнечного излучения; q = 239 Вт/м2 — отдаваемая в космическое пространство удельная мощность теплового излучения планеты в настоящее время.

Подставим это соотношение в (2) с учетом нынешних значений параметров Е = 1366 Вт/м2 и Л = 0,3. Ранее для амплитуды двухвековых колебаний солнечной постоянной было принято значение АЕ = 3,4 Вт/м2 [2, 5-9]. Тогда, пренебрегая произведением малых приращений АЛ АЕ, получим

АО = 0,595 - 341,5АЛ = 0,595 - 197,7 АЛ . (5)

Воспользуемся литературными данными по зависимости АЛ от 9. Анализируя данные по этим зависимо -стям для различных типов подстилающей поверхности [10], можно прийти к выводу, что приращение альбедо подстилающей поверхности примерно пропорционально приращению температур этой поверхности с коэффициентом 0,05. На этом основании можно записать

АЛ = 0,05 Л 9 = 0,00759. (6)

Подставив (6) в (5), получим

В дальнейшем будем считать, что при малых вариациях температур изменение альбедо Бонда Земли определяется только изменением альбедо подстилающей поверхности Земли Л . Зависимость АЛ от АЛ описывается формулой [4]

Подставим это значение в 9 из (1). В результате получим с учетом а = 0,842 Вт/м2К следующее общее выражение

0 без учета изменения альбедо; 0,44 с учетом изменил альбедо.

О 50 100 150 200 250 300 350 400 450 т лет

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 т, ]

Рис. 1. Зависимость приращений планетарной температуры от времени (двухвековой цикл) без учета изменения альбедо Бонда Земли. 1 — глубина активного слоя океана 0 м; 2 —100 м; 3 —400 м; 4 —700 м

Рис. 2. Зависимость приращений планетарной температуры от времени (двухвековой цикл) с учетом изменения альбедо Бонда Земли. 1 — глубина активного слоя океана 0 м; 2 —100 м; 3 —400 м; 4 —700 м

Учет изменения альбедо подстилающей поверхности сводится к решению уравнения (1) при подстановке в него 9 в виде (8).

Для определения величины t использовались значения исходных параметров, реализуемых в настоящее время и определенных нами ранее [1, 2]. Тогда величина t определяется следующей зависимостью от глубины активного слоя океана Н

где t определяется в годах, а Н задается в метрах.

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

На рис. 1 представлены зависимости периодических изменений планетарной температуры для различных значений глубины активного слоя океана под действием изменений солнечной постоянной с периодом tg = 200 лет. При этом не учитывались эффекты обратной связи, то есть не учитывалось температурное изменение альбедо Бонда Земли с последующим влиянием этого фактора на приращение планетарной температуры (что соответствует условию а = 0 в (8)). Из графика следует, что приращения температур изменяются по гармоническому закону. Амплитуды приращений планетарной температуры в положительной и отрицательной области равны, а при росте глубины активного слоя океана имеет запаздывание по фазе относительно исходного гармонического колебания солнечной постоянной. При Н = 0 колебания величины 9 синхронны колебаниям величины ДЕ.

На рис. 2 приведены аналогичные зависимости при учете изменения альбедо Бонда Земли (в (8) а = 0,44). Как видно из графика, колебания плане-тарной температуры отклоняются от гармонического закона, как по амплитуде, так и по фазе. Интересно отметить, что

наблюдается тенденция понижения среднего уровня планетарной температуры (амплитуда в фазе охлаждения при малых значениях Н в три раза превышает амплитуду в фазе нагрева). С ростом глубины активного слоя океана эта тенденция сглаживается.

Для общепринятой глубины активного слоя океана Н = 700 м [2] на рис. 3 показаны зависимости приращений планетарной температуры с учетом изменения альбедо Бонда Земли и без учета его изменения. При таком значении Н фазы колебаний 9 практически совпадают. При этом наглядно видно, что обратное влияние приращения альбедо приводит к смещению температурного уровня в отрицательную область, тогда как в линейном приближении (без учета обратной связи влияния 9на А и последующего влияния А на 9) среднее значение планетарной температуры на всех циклах колебания солнечной постоянной остается неизменным.

Зависимости амплитуд приращений планетарной температуры от принятой глубины активного слоя океана представлены на рис. 4. В случае неучета изменения альбедо Бонда Земли величины максимума и минимума приращений планетарной температуры симметричны относительно нуля, а при учете изменения альбедо Бонда Земли значение минимума амплитуды приращения планетарной температуры смещено в отрицательную область.

Проведенные исследования показали, что при учете изменения альбедо подстилающей поверхности и, соответственно, альбедо Бонда Земли, амплитуды колебаний планетарной температуры под действием двухвековых вариаций солнечной постоянной несимметричны относительно уровня равновесного теплового состояния. Это означает, что даже в случае симметричных приращений

1 I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 т лет

0,15 0,10 0,05 0,00 -0,05 -0,10 -0,15 -0,20 -0,25 -0,30 -0,35

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Н, м

Рис. 3. Зависимость приращений планетарной температуры от времени (двухвековой цикл) для глубины активного слоя океана 700 м.

1 — без учета изменения альбедо Бонда Земли;

2 — с учетом изменения альбедо Бонда Земли

Рис. 4. Зависимость амплитуд приращений планетарной температуры от глубины активного слоя океана (рассмотрен диапазон т > 200 лет): 1 — максимум без учета альбедо Бонда Земли; 2 — максимум с учетом альбедо Бонда Земли; 3 — минимум без учета альбедо Бонда Земли; 4 — минимум с учетом альбедо Бонда Земли

альбедо Бонда Земли относительно начального значения будет иметь место тенденция к значительно большему похолоданию на спаде солнечной активности, чем это можно было бы ожидать в случае линейного процесса при постоянстве альбедо Бонда Земли. Необходимо отметить, что полученные результаты относятся к малым температурным приращениям (десятые доли градуса). В случае значительных приращений площадей ледового и снежного покрова можно ожидать существенного похолодания из-за заметного влияния величины альбедо Бонда на климат Земли. Однако окончательные выводы о приросте криосферы Земли можно будет сделать с уче -том изменения альбедо атмосферы, данных по которому пока недостаточно.

Список литературы (References)

2. Абдусаматов Х. И., Лаповок Е. В., Ханков С. И. Периодические изменения энергетического баланса и криосферы Земли под действием долговременных вариаций солнечной постоянной // Вестник международной академии холода. 2014. № 3. С. 41-44. [Abdussamatov H. I., Lapovok Ye. V., Khankov S. I. The periodical disturbances of the energy balance and cryosphere of the Earth under the influence of the long-term variations of the total solar irradiance. Vestnik mezhdunarodnoi akademii kholoda. 2014. No 3. P. 41-44. (in Russian)]

3. Абдусаматов Х. И. Двухвековое снижение солнечной постоянной приводит к несбалансированному тепловому бюджету Земли и глубокому похолоданию климата // Кинематика и физика небесных тел. — 2012. — Т. 28. — № 2. — С. 22-33. [Abdusсamatov H. I. Two-centuries decrease in

a solar constant leads to the unbalanced thermal budget of Earth and a deep cold snap of climate. Kinematika i fizika nebesnykh tel. 2012. Vol. 28. No 2. p. 22-33. (in Russian)]

5. Shapiro A. I., Schmutz W., Rozanov E., Schoell M., Haberreiter M., Shapiro A. V., Nyeki S. A new approach to the long-term reconstruction of the solar irradiance leads to large historical solar forcing. Astronomy and Astrophysics 529, A67 (2011). doi: 10.1051/0004-6361/201016173.

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

9. Chilingar G. V., Khilyuk L. F, Sorokhtin O. G. Cooling of atmosphere due to CO2 emission. Energy Sources. Part A. Recovery. Utilization and Environmental Effects. 2008. Vol 30, pp 1-9.

10. Неелова Л. О. Параметризация альбедо подстилающей поверхности в гидродинамических моделях атмосферной циркуляции // «Математика. Компьютер. Образование». Сборник трудов XIV международной конференции. — Ижевск. 2007. С. 249-253. [Neelova L. O. Parametrization of albedo of the spreading surface in hydrodynamic models of atmospheric circulation. «Mathematics. Computer. Education». Collection of works XIV of the international conference. — Izhevsk. 2007. p. 249-253. (in Russian)]

Статья поступила в редакцию 13.11.2014

9-й международный биотехнологический форум-выставка

Москва, ЦБК «Экспоцентр»

медицинская биотехнология; промышленная биотехнология; биоэнергетика; биотопливо; экологическая безопасность; сельскохозяйственная и пищевая биотехнология; морская биотехнология; лесная биотехнология; природо-охранная (экологическая) биотехнология; зеленая экономика - качество жизни и активное долголетие.

Оценка влияния прямой солнечной радиации и альбедо поверхности на глобальное изменение климата Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Абдусаматов Хабибулло Исмаилович, Лаповок Евгений Владимирович, Ханков Сергей Иванович

Для определения тенденций изменения климата Земли под действием долговременных периодических вариаций солнечной постоянной разработана математическая модель, учитывающая зависимость альбедо Бонда Земли от приращений планетарной температуры . В модели учтена зависимость приращения альбедо Бонда от температурного изменения альбедо земной поверхности. Исследования проведены для двухвекового цикла вариаций солнечной постоянной . Показано, что с ростом величины термической инерции планеты, определяемой глубиной активного слоя океана, уменьшается амплитуда колебаний планетарной температуры . При этом одновременно увеличивается временная задержка колебаний планетарной температуры относительно фазы колебаний солнечной постоянной . Установлено, что на полупериоде спада светимости Солнца снижение планетарной температуры больше, чем прирост температуры в фазе роста солнечной постоянной . Амплитуда снижения планетарной температуры в фазе спада светимости Солнца и солнечной постоянной превышает амплитуду положительного прироста планетарной температуры в фазе роста светимости Солнца в 1,5-2,5 раза. Результаты проведенного моделирования указывают на тенденцию преобладающего роста криосферы Земли со значительно замедленным обратным процессом уменьшения объема криосферы.

Тенденции и динамика нелинейных климатических изменений под действием долговременных вариаций солнечной постоянной и альбедо Бонда Земли Текст научной статьи по специальности «Физика»

Что характеризует величина альбедо тепловой режим

Похожие темы научных работ по наукам о Земле и смежным экологическим наукам , автор научной работы — Назаров Б. И., Абдуллаев С. Ф., Маслов В. А.

Текст научной работы на тему «Оценка влияния прямой солнечной радиации и альбедо поверхности на глобальное изменение климата»

Что характеризует величина альбедо тепловой режим

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Абдусаматов Хабибулло Исмаилович, Лаповок Евгений Владимирович, Ханков Сергей Иванович

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Абдусаматов Хабибулло Исмаилович, Лаповок Евгений Владимирович, Ханков Сергей Иванович