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

альбедо в области д л и н  во лн 0,65-0,68 м к м  (обусловленный п о л о ­

сой п о г л о щ е н и я  хлорофилла)  и  значительное увеличение (в  2-3 

раза) альбедо  на участке д л и н  волн 0,70-1,00 мкм.  Ха ра кт ер но й 

ос обенностью является дн ев но й х о д  альбедо с м и н и м у м о м  в п о л у ­

денное время, а также сезонные изменения, связанные с в ы с ы х а ­
н и е м  растений;

-  

третий класс объединяет в о д н ы е  и  за сн еж ен ны е поверхно­

сти,  альбедо  к о т о р ы х   почти  постоянно  в  диапазоне  д л и н   волн
0,50-0,80 м к м  и  незначительно (примерно н а  0,1) уб ыв ае т вне это­
го диапазона. Э т и  поверхности характеризуются ш и р о к и м  интер­
в а л о м  колебаний альбедо, связанного с и з м е н е н и е м  структуры от­
р а ж а ю щ е й   поверхности  вследствие  ее  замерзания  и л и   таяния. 

С в е ж е в ы п а в ш и й   сухой  снег  обладает  а б с о л ю т н ы м   м а к с и м у м о м  
альбедо, р а в н ы м  0,9 в диапазоне д л и н  волн 0,5-0,7 мкм.

В  пределах ка ждого указанного класса существует более де­

тальное подразделение поверхностей на подклассы.

П о   с п у т н и к о в ы м  д а н н ы м  об альбедо п о д с т и л а ю щ а я  поверх­

ность З е м л и  подразделяется на четыре класса:  поверхности,  п о ­
к р ы т ы е  растительностью, пустыни, в о д н ы е  поверхности и  поверх­
ности, п о к р ы т ы е  снегом и л и  льдом.

Н е о б х о д и м о  заметить, что п р и  из мерениях характеристик от­

р а ж е н и я   используются  спектральные  приборы,  р а з м е щ е н н ы е   на 
зе м н о й  поверхности, самолетах и  искусственных спутниках Земли. 

В  зависимости от угла п о ля зрения используемой аппаратуры, в ы ­

соты, на которой она расположена, и  углов визирования р а з м е р ы  

исследуемого участка поверхности, находящегося в поле зрения, 

могут изменяться в ш и р о к и х  пределах. Э т и  р а з м е р ы  о п ре де ля ют 
м и н и м а л ь н ы й  пространственный м а с ш т а б  усреднения характери­
стик от ра же ни я солнечной радиации.

С  использованием н а з е м н ы х  п р иб ор ов м а с ш т а б  усреднения не 

п р е в ы ш а е т  нескольких десятков метров, определяются локальные 

характеристики от ра же ни я о д н о р о д н ы х  участков зе мн ой поверх­
ности и  собираются наиболее п о л н ы е  сведения об альбедо и  угло­

в ы х  зависимостях отражения.

П р и  измерениях с самолета м и н и м а л ь н ы й  м а с ш т а б  усредне­

ни я  л е ж и т  в пределах от нескольких сотен метров до десятков к и ­
лометров.

121

М и н и м а л ь н ы й   пространственный  м а с ш т а б   усреднения  п р и  

измерениях со спутников в зависимости от в ы с о т ы  и х  полета со­

ставляет 50-110 к м  для аппаратуры с м а л ы м  у г л о м  зрения и  1260— 
2130 к м  для ап паратуры с у г л о м  зрения, п р и б л и ж а ю щ и м с я  к 180°.

Ра зн ые м а с ш т а б ы  усреднения могут приводить к  значениям 

альбедо, разность м е ж д у  к о т о р ы м и  в н е ко то ры х случаях превос­

ходит 0,5. В е л и ч и н а  альбедо зависит также от диапазона спектра, 

в ко т о р о м  производятся измерения, сезона года, а иногда и  от вре­

м е н и  суток.  Чистая атмосфера З е м л и  отражает около 0,10 части 

солнечной радиации.

У ч и т ы в а я  в е л и ч и н ы  альбедо земной поверхности, а т м о с ф е р ы  и 

облаков, м о ж н о  вычислить альбедо Зе м л и  как планеты. Результаты 

в ы чи сл ен ий  оп ределяют ш и р о к и й  диапазон значений:  от 0,34 до

0.45. Из ме ри ть альбедо З е м л и  как планеты очень сложно, так как 

оно зависит от трудно п о д д а ю щ и х с я  учету различных факторов.

Кон т рольн ы е в о п р о сы

1. 

Каковы масса и размеры Солнца в сравнении с Землей?

2.  Откуда возникает энергия Солнца?
3.  Опишите строение солнечной атмосферы.
4.  При каких условиях можно видеть хромосферу, корону и протуберанцы?
5.  Что такое солнечные пятна, как меняется их число?
6.  Что называют солнечным ветром?

7.  Что называют спектром Солнца?

8.  Дайте общую характеристику спектру Солнца.
9.  Почему  в  солнечном спектре присутствуют темные линии,  с чем эти линии 

связаны?

10. Приведите примеры связи между солнечными и земными явлениями.

11. В  чем  состоит  практическое  значение  изучения  солнечно-земных  связей 

в погодо- и климатообразующих процессах?

12. Какие участки спектра излучения включают в состав так называемого оптиче­

ского диапазона для исследования системы Земля--атмосфера?

13. Что такое солнечная постоянная, чему она равна?

14. Охарактеризуйте понятие метеорологической солнечной постоянной.

15. Почему по отношению к потоку солнечной радиации атмосфера представляет 

собой мутную среду?

16. Охарактеризуйте  поглощение  солнечного  излучения  основными  газовыми 

компонентами атмосферы.

17. Что такое молекулярное рассеяние атмосферы?
18. Поясните аэрозольное ослабление лучистой энергии в атмосфере.

19. Что  такое  альбедо  и  как  оно  характеризует различие  между  естественными 

объектами системы Земля-атмосфера?

122

20.  Почему на космических снимках, получаемых в видимом диапазоне спектра 

излучения, возможно распознавание облачности и земной поверхности?

З а д а ч и

5.1.  Экстраполяцией наземных, ракетных и спутниковых измерений на верхнюю 

границу атмосферы получено следующее распределение спектральной плот­

ности энергетической  освещенности  солнечной  радиацией,  перпендикуляр­
ной к лучам поверхности [/  кВт/(м2 - мкм)] по длинам волн (X мкм):

X

/о.

X

к .

X

К

X

К

0,16

0,000

0,38

1,120

0,60

1,666

1,40

0,336

0,18

0,001

0,40

1,429

0,62

1,602

1,60

0,244

0,20

0,011

0,42

1,727

0,64

1,544

1,80

0,159

0,22

0,057

0,44

1,810

0,66

1,486

2,00

0,103

0,24

0,063

0,46

2,066

0,68

1,427

3,00

0,031

0,26

0,130

0,48

2,074

0,70

1,369

4,00

0,009

0,28

0,222

0,50

1,942

0,72

1,314

5,00

0,004

0,30

0,514

0,52

1,833

0,75

1,235

6,00

0,002

0,32

0,830

0,54

1,783

0,80

1,107

7,00

0,001

0,34

1,076

0,56

1,695

1,00

0,746

8,00

0,001

0,36

1,068

0,58

1,715

1,20

0,484

10,00

0,000

Предлагается  представить  графически  и  проанализировать  спектр  солнечного 

излучения,  приходящего  к Земле.  Определить  по  графику длину волны,  на 
которую  приходится  наибольшая  энергия.  В  какой  области  спектра  лежит 
эта волна? Проинтегрировать функцию  /   (Я)  в пределах длин волн от 0,16

до  10,00 мкм и найти солнечную постоянную. Указать причины отличия по­
лученного результата от стандартного значения, рекомендованного Между­
народной  комиссией по  радиации.  Вычислить доли ультрафиолетовой  (X  <

0,40 мкм), видимой (X = 0,40-0,76 мкм) и инфракрасной (X > 0,76 мкм) ра­

диации в общем притоке солнечного излучения к Земле.

Примечание.  При вычислении  определенного интеграла функции  /   (Д)  в  ука­

занных пределах использовать общую формулу трапеций.

5.2.  Вычислить  энергетическую  освещенность  солнечной радиацией,  перпенди­

кулярной  к  лучам  поверхности  на  верхней  границе  атмосферы  2  января 
(Земля в перигелии) и 3  июля (Земля в афелии). Определить относительные 
отклонения найденных значений от солнечной постоянной.

5.3.  Вычислить  энергетическую  освещенность  солнечной  радиацией  горизон­

тальной поверхности на верхней границе атмосферы при высотах Солнца 0,

15,  30,  45,  60,  75  и  90°.  Построить  и  проанализировать  график  функции

1 1 ( h ) .

5.4.  Определить энергию солнечного излучения, приходящего к верхней границе 

всей атмосферы за час, сутки и год. Найти средние по всей поверхности ат­

123

мосферы значения энергетической экспозиции за те же интервалы времени. 
Высотой атмосферы по сравнению с радиусом Солнца пренебречь.

5.5. Подсчитать теоретические суточные суммы солнечной энергии на экваторе и 

на широтах 30, 60, 90° с. ш.  в дни весеннего равноденствия и осеннего рав­

ноденствия, полагая, что в эти дни склонение Солнца 5® = 0. Результаты рас­

чета представить графически и проанализировать.

5.6.  Найти  оптические  массы  атмосферы,  проходимые  солнечными лучами при 

всех высотах Солнца, кратщлх  10°. Построить график функции m(h@).  Про­
анализировать  причины  характера  полученной  зависимости.  Использовать 
табл. 5.4.

5.7. Найти оптические массы атмосферы, проходимые солнечными лучами в пол­

день 21 июня и 22 декабря на широтах 68, 56 и 41° с. ш. Какое значение име­

ет изменение т с широтой и в течение года для прихода солнечной радиации 
к земной поверхности?

5.8.  При  высоте  Солнца  30°  прямая  радиация  на перпендикулярную  лучам  по­

верхность составила 0,72 кВт/м2, а при высоте Солнца 55° - 0,82 кВт/ м2. Вы­

числить  коэффициент  прозрачности  для  обоих  случаев.  Допустив,  что  ис­
ходные данные получены в  один  и тот же день в  одном и  том же пункте, 
можно ли утверждать, что за время, прошедшее между измерениями, изме­
нилось  оптическое  состояние  атмосферы?  Какая другая причина могла вы­

звать изменение коэффициента^?

5.9. В некотором пункте в один и тот же день дважды измерена прямая радиация 

на перпендикулярную лучам поверхность: при высоте Солнца 90° она соста­

вила 0,98 кВт/м2, а при высоте Солнца 30° - 0,70 кВт/м2. Допуская, что в пе­

риод между  измерениями  оптическое  состояние  атмосферы не  изменялось, 
вычислить  коэффициент  прозрачности  и  солнечную  постоянную.  Почему 
полученное значение ] 0 отличается от значения, принятого в настоящее вре­

мя (1,37 кВт/м2)?

5.10.  При высоте  Солнца 42° прямая радиация на перпендикулярную  лучам по­

верхность равна 0,63 кВт/м2. Определить фактор мутности и пояснить смысл 

полученного результата.

5.11. На Европейской территории России воздушные массы в среднем характери­

зуются  следующими  факторами  мутности:  континентальный  арктический 

воздух - 2,45;  морской  воздух умеренных  широт - 2,66;  континентальный 

воздух  умеренных  широт  -  3,09;  континентальный  тропический  воздух  - 
3,49.  Средний  коэффициент  прозрачности  идеальной  атмосферы  0,92.  Рас­
считать  средний  коэффициент  прозрачности для каждой из указанных воз­

душных масс. Как изменяются фактор мутности и коэффициент прозрачно­

сти при изменении запыленности воздуха?

5.12. Вычислить прямую радиацию на перпендикулярную лучам поверхность при 

высоте  Солнца  53°  и  коэффициенте  прозрачности  0,751.  Определить долю 
вычисленной величины от солнечной радиации, приходящей к такой же по­
верхности на верхней границе атмосферы. Как изменится результат, если при 
том же  оптическом  состоянии  атмосферы увеличится  (уменьшится)  высота 

Солнца или при постоянной высоте Солнца изменится состояние атмосферы?

124

5.13. Вычислить прямую радиацию на перпендикулярную  солнечным лучам по­

верхность на 55° с. ш.  15 июля при высотах Солнца 10, 20, 30° и т. д. до мак­
симальной высоты, возможной в данный день, если неприведенный коэффи­

циент  прозрачности  равен  0,710.  Построить*  и  проанализировать  график 

дневного изменения прямой солнечной радиации. Пояснить, почему прямая 
радиация изменяется с изменением высоты Солнца при неизменной прозрач­
ности атмосферы? Какие периодические изменения в связи с этим испыты­

вает прямая солнечная радиация? Какова ее широтная изменчивость, связан­

ная с зависимостью от высоты Солнца?
Примечание. На графике каждую высоту Солнца отложить дважды: до и по­

сле полудня.

5.14. Вычислить прямую радиацию на перпендикулярную лучам поверхность при 

высотах Солнца 30 и 60°,  если коэффициент составляет 0,500;  0,600;  0,700;
0,800.  Построить и проанализировать график зависимости  /(/>)  при задан­

ных высотах Солнца.

5.15.  Прямая  радиация  на  перпендикулярную  лучам  поверхность  при  высоте 

Солнца  34°  составила  0,78  кВт/м".  Определить  прямую радиацию  на гори­
зонтальную  поверхность.  Всегда  ли  между  этими  величинами  сохраняется 

такое соотношение?

5.16.  Средняя  за  месяц  рассеянная  радиация  в  одном  из  пунктов  на  42°  с.  ш. 

в июне составляет:

Срок, ч

5

7

9

И

13

15

17

19

Рассеянная радиация 

D , кВт/м2

0,02

0,11

0,20

0,21

0,21

0,18

0,11

0,02

Условно принимая, что эти данные относятся к  15 июня и что поступление 

рассеянной радиации на земную поверхность начинается за  1  ч до восхода 

Солнца и прекращается через1ч после его захода, построить и проанализиро­
вать график суточного хода рассеянной радиации. Вычислить среднюю для 
данного месяца суточную сумму. Какие факторы и как влияют на суточный 

ход рассеянной радиации? Как изменится суточная сумма при рассмотрении 

зимнего месяца или более северного (южного) района? При анализе графика 
отметить: было ли изменение рассеянной радиации беспорядочным или упо­

рядоченным, какой вид оно имело (монотонный рост, простая волна, двойная 

волна и т. п.); в какое время суток рассеянная радиация была минимальной; 

в какое время суток и на протяжении какого периода она была максималь­

ной; время наступления максимума и его значение; типичен ли такой ход для 

ясного дня или дня с переменной облачностью?

5.17.  Определить суммарную радиацию, если при высоте Солнца 30° прямая ра­

диация на перпендикулярную лучам поверхность составляет 0,42 кВт/м2, 
а рассеянная радиация - 0,14 кВт/м2. Может ли рассеянная радиация быть 

больше  прямой  радиации  на  горизонтальную  поверхность?  Может  ли 
суммарная радиация состоять только из прямой или только из рассеянной 

радиации?  От каких факторов зависит соотношение между прямой и рас­

сеянной радиацией, поступающей к земной поверхности?

125