Файл: Лабораторный практикум В. Ф. Говердовский, А. В. Дикинис.pdf

И н ф р а к р а с н а я   область  солнечного  спектра (до  X =   15  м к м )  

частично поглощается п р и  п р о х о ж д е н и и  через атмосферу.

П о  мере увеличения д л и н ы  в о л н ы  излучения воздействие ат­

м о с ф е р ы  уменьшается, и  она становится практически прозрачной 

для волн ми кр оволнового диапазона спектра.

В  оптическом диапазоне v(0,4-5,5 м к м )  через ат мо сф ер у п р о ­

ходит около 80 %  потока солнечной энергии и  если п о г л о щ е н и е  и 
рассеяние излучения в ней не очень велики, то эта радиация отра­
жается з е мн ой по ве рх но ст ью  и  м о ж е т   бы ть  зафиксирована сен­

с о р н ы м и   системами  на борту  аэрокосмического  носителя  (аэро­

зонда, вертолета, самолета, ракеты, искусственного спутника З е м ­
ли). П р и  этом в а ж н о  помнить, что п о л о ж е н и е  С о л н ц а  определяет 
спектр и  интенсивность потока солнечной радиации, к о т о р ы й  за­
т е м  поглощается и  отражается. П р о ц е с с ы  ж е  п о г л о щ е н и я  и  рас­

сеяния энергии у м е н ь ш а ю т  интенсивность солнечного излучения 

на з е мн ой поверхности и  д а ж е  м е н я ю т  диапазон этого излучения.

Освещ енность  облачности  и  земной  поверхности. Солнечная 

энергия, проникая через ат мо сф ер у и  достигая зе м н о й  по ве рх но­

сти, частично отражается, а частично поглощается естественными 
объектами с и с т е м ы  Земля-атмосфера. Д р у г и м и  словами, лучистая 

энергия С о л н ц а  не только освещает Зе мл ю, значительная часть ее 

отражается обратно в м и ро во е пространство. П р о ц е с с  отражения 

солнечной ра ди ац ии от зе мн ой поверхности и  от поверхности об­
лаков имеет довольно с л о ж н у ю  природу: отчасти -  это зеркальное 
отражение (от поверхности воды), отчасти -  рассеянное (от ш е р о ­
ховатой поверхности почвы), а отчасти -  это с л о ж н о е  (диффузное) 

многократное  отражение луча света (в густой траве,  от листьев 
в кронах деревьев, внутри м у т н о й  во дн ой ср ед ы и  т. п.). П р и  отра­
ж е н и и   света  от  естественных  поверхностей  всегда  происходит 
частичное п о г л о щ е н и е  энергии. Д о л я  солнечной радиации, отра­
ж е н н а я  той и л и  и н о й  поверхностью, называется альбедо:

А  =  ^

,  

(5.9)

Q

где  А  - альбедо;  Q mp - отраженная солнечная радиация, то есть 

отразившаяся часть с у м м а р н о й  ра ди ац ии Q . Часть с у м м а р н о й  ра­

116

д и а ц и и   Q BOm, п о г л о щ е н н а я  зе м н о й  по ве рх но ст ью и  облаками, со­

ставляет

(5.Ю )

Э т у  ве ли чи ну н а з ы в а ю т  остаточной солнечной радиацией и л и  

ко р о т к о в о л н о в ы м  р а д и а ц и о н н ы м  балансом. Н е о б х о д и м о  отметить, 
что м о ж н о  говорить о с у м м а р н о м  альбедо п о  о т н о ш е н и ю  ко всему 

с о лн еч но му спектру, изучать альбедо в от де ль ны х областях спек­

тра излучения и л и  только п о  о т н о ш е н и ю  к в и д и м о м у  свету. В  п о ­

следнем случае лучистая энергия dO\f], заключенная в спектраль­

н о м  интервале  (А.,  А +   dk),  п р ох од ит за е д и н и ц у   вр ем ен и  через 

п л о щ а д к у   d S   в  на правлении  R ,  с о с т а в л я ю щ и м   с  н о р м а л ь ю   п 

к этой п л о щ а д к е  угол к (рис. 38). Лучистая энергия, характеризуе­
м а я  в ы р а ж е н и е м

d<3?^  =  Gx cosu dS dk c&o, 

(5.11)

где d(£> - те ле сн ый угол конуса вокруг направления R , определяет 

ве ли чи ну энергетической яркости Gx  , то есть количество лучистой 
энергии, за кл юч ен но е в  е д и н и ч н о м  интервале д л и н  волн и  еди­
н и ч н о м   телесном  угле  и   п р о х о д я щ е е   в  е д ин иц у  вр е м е н и   через 
е д и н и ч н у ю  площадку, п е р п е н д и к у л я р н у ю  с о л н е ч н ы м  лучам.

Я /

Е с л и  за яркость В

0

 светящегося элемента в не ко то ро м направ­

л е н и и   принять  силу  света I,  и с п у с к а е м у ю   в  этом  направлении 

с е д и н и ц ы  в и д и м о й  поверхности:

117

BQ- --- ---- = ---- — --- , 

(5.12)

dS cos &   dS cos dab)

а за освещенность  E  - п о л н ы й  световой поток, п а д а ю щ и й  на еди­

н и ц у  п л о щ а д и  d S :

d<P

(5 Л З)

которая изменяется обратно  пр оп ор ци он ал ьн о квадрату расстоя­

ни я г от источника света до поверхности и п р я м о  пр оп о р ц и о н а л ь ­

но  косинусу угла падения лучей (закон Ламберта)

Е  = ^

,  

(5.14)

г

то, используя с о о т н о ш е н и я  (5.11)— (5.14), м о ж н о  показать, что яр­

кость  В   поверхности в ц е л о м  связана с о с в е щ е н н о с т ь ю  соотно­
ш е н и е м

В  = - ц Е ,  

(5.15)

я

п р и ч е м  г| -  к о э ф ф и ц и е н т  от ра же ни я (альбедо), о п р е д е л я е м ы й  ф и ­
зическими  свойствами  о т р а ж а ю щ е й   естественной  поверхности; 

Е   -  освещенность, зависящая от угловой в ы с о т ы  Солнца, п р о ­

зрачности атмосферы, наклона о т р а ж а ю щ е й  поверхности и  ее ш е ­
роховатости.

Яр кость  (оптическая плотность)  аэрокосмических из об р а ж е ­

н и й  интерпретирует т о н о в ы е  соотношения, о т о б р а ж а ю щ и е  энерге­
т и ч е с к у ю   сущность,  физические  п а р а м е т р ы   естественных  излу­
ч а ю щ и х  и л и  о т р а ж а ю щ и х  объектов.

Пр ак ти че ск ий интерес представляют д а н н ы е  об  альбедо обла­

ков -  индикатора п о г о д о о б р а з у ю щ и х  процессов на космических 

изображениях. О н о  существенно зависит от совокупности оптиче­
ских (показатели поглощения, рассеяния и  индикатриса рассеяния) 

и   геометрических  (количество,  форма,  вертикальная  п р о т я ж е н ­
ность  облаков)  параметров.  Н а и б о л ь ш и м и   значениями  альбедо 

характеризуются  слоистообразные  и   кучево-дождевые  облака 

(табл. 5.2). А л ь б е д о  увеличивается, а ф у н к ц и я  пр опускания (без­

размерное о т н о ш е н и е  потока радиации, в ы ш е д ш е г о  из слоя обла­
ков,  к  в о ш е д ш е м у   в  этот  слой  потоку  излучения)  ум ен ьш ае тс я

118

с ро ст ом так называемого водозапаса (массы капель в о д ы  в верти­
ка л ь н о м  столбе единичного сечения) облака.

Таблица 5.2

Среднее значение альбедо облаков различных форм

Форма облаков

Альбедо, %

Кучево-дождевые

86

Кучевые облака хорошей погоды над сушей, более 8 баллов

29

Слоисто-кучевые облака над сушей, более 8 баллов

68

Слоисто-кучевые облака над океаном, сплошной массив

60

Слоистые облака, просвечивающие, над океаном

42

Перисто-слоистые облака, плотные

74

Перистые облака над сушей

36

Перисто-слоистые облака над сушей

32

Альбедо, ф у н к ц и и  пропускания и  п о г л о щ е н и я  зависят от в ы ­

с о ты Солнца, но  это влияние заметно п р и  уг ло вы х высотах м е н ь ­
ш е  30°.

Связь м е ж д у  альбедо верхней г р а н и ц ы  облаков 

А ъг ( N )

, аль­

бедо  собственно  с а м и х   облаков  А „  и   количеством  N  облаков

ODJ1

(в долях ед ин и ц ы )  характеризуют с о о т н о ш е н и е м

Д,г (N ) =  Авг (0)(1 - ю  + A ^ N , 

(5.16)

где  ^ Д О )   -  альбедо  безоблачной а т м о с ф е р ы  на уровне верхней 

г р а н и ц ы  облаков. А л ь б е д о  собственно облаков  Л обл  п р и  увеличе­

н и и  количества облачности до  6-7  баллов практически остается 
п о с т о я н н ы м  (31-34 %), а п о т о м  бы ст ро возрастает и  п р и  с п л о ш н о й  

облачности пр иб ли жа ет ся к  величине 

А вг ( N )

. П о э т о м у  расчеты

р а д и а ц и о н н ы х   потоков,  о т р а ж е н н ы х   от  с п л о ш н о й   облачности, 
проводятся,  ч а щ е  всего, для р а з л и ч н ы х  з е ни тн ых углов  С о л н ц а  
в предположении, что угловое распределение рассеянного от об ­

лачности излучения подчиняется закону Ламберта, а рассеянием 
в н а д о б л а ч н о м  слое а т м о с ф е р ы  м о ж н о  пренебречь. Такое д о п у щ е ­
ни е считается особенно с п р а в е д л и в ы м  для облаков, верхняя гра­
н и ц а  к о т о р ы х  располагается на высоте не менее 3 км. У ч е т  к о л и ­

чества облачности осуществляется с п о м о щ ь ю  к о э ф ф и ц и е н т о в

п =  

A (N )  , 

(5.17)

ДАТ = 10)

119

о п р е д е л я ю щ и х   изменение  о б щ е г о   потока  от р а ж е н н о й   ра ди ац ии 
п р и  и з м е н е н и и  облачности от 10 до 0 баллов. А л ь б е д о  облака за­
висит также и  от альбедо зе мн ой поверхности (фона), над которой 
он о располагается.

О т р а ж е н и е   земной  поверхностью.  А л ьб ед о з е м н ы х  поверх­

ностей различного вида изменяется в сравнительно узких пределах 
(табл. 5.3). И с к л ю ч е н и е м  яв ля ют ся снег и  вода. Ср еднее альбедо 
снега 60 % ,  но п р и  с в е ж е в ы п а в ш е м  снеге величина альбедо м о ж е т  
возрастать до 90 %.  А л ь б е д о  во д н о й  поверхности в значительной 
степени зависит от угла падения с о л н е ч н ы х  лучей и  му тн ос ти вод­
н о й  среды.

Таблица 5.3

Альбедо естественных поверхностей

Поверхность

Альбедо

Поверхность

Альбедо

Свежий, сухой снег 

Чистый, влажный снег 
Загрязненный снег 
Морской лед

Темные почвы 
Влажные серые почвы 
Сухие глинистые или 
серые почвы 
Сухие светлые песчаные 
почвы

0,80-0,90
0,60-0,70
0,40-0,50
0,30-0,40

0,05-0,15
0,10-0,20

0,20-0,45

0,25-0,45

Поля ржи и пшеницы 
Картофельные поля 
Хлопковые поля 
Луга
Сухая степь 
Тундра

Хвойные леса 
Лиственные леса

0,10-0,25
0,15-0,25
0,20-0,25
0,15-0,25
0,20-0,30
0,15-0,20

0,10-0,15
0,15-0,20

А л ь б е д о  су щественно зависит от вл аж но ст и почвы, с увели­

ч е н и е м  которой он о уменьшается, поскольку происходит увеличе­
ние  п о г л о щ а е м о й   радиации.  А л ь б е д о   р а з л и ч н ы х   поверхностей 
имеет х о р о ш о  в ы р а ж е н н ы й  дн е в н о й  и  годовой хо д (зависимость от 
угловой в ы с о т ы  Солнца).

П о  характеру спектральной зависимости в и д ы  земной поверх­

ности принято подразделять на  три класса:

-  п е р в ы й  класс объединяет ра зл ич ны е т и п ы  почв, поля с ре д­

ко й растительностью, п а ш н и  и  пустыни,  альбедо к о т о р ы х  м о н о ­

т о нн о возрастает с ув ел ич ен ие м д л и н ы  в о л н ы  в интервале от 0,4 

до 1,0 мкм. Д л я  н и х  практически отсутствует временная и з м е н ч и ­

вость альбедо;

-  ко вт ор ом у классу относят поверхности, п о к р ы т ы е  с п л о ш ­

н о й  растительностью, для к о т о р ы х  характерны с л а б ы й  м и н и м у м

120