Влияние радиации на газовый состав атмосферы

Вопросы

 

 

Радиация в земной атмосфере воздействует на температуру, концентрации газов, нагрев и циркуляцию и т.д. Красный восход и закат, голубое небо, белые облака, зеленые деревья – все это вызывается взаимодействием видимой части спектра с газами, частицами, облачными каплями и другими объектами. Радиация может быть разделена на три диапазона: ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный, каждый из которых играет важную роль в атмосфере.

 

Радиация – это излучаемая и распространяемая энергия в форме фотонов или электромагнитных волн. Фотон это определенная часть (частица) энергии без массы, электрического заряда и времени жизни. Электромагнитная волна – это перемещение возмущения через среду без постоянного изменения или переноса свойств среды.

 

Радиация излучается всеми телами, имеющими температура выше абсолютного нуля (0К). После излучения радиация распространяется в среде, достигая других тел. Достигнув другое тело, радиация может поглощаться, отражаться, рассеиваться или переноситься. Если какое-то тело или объект излучают больше радиации, чем поглощают, то его температура уменьшается. Если поглощается больше энергии, чем излучается, то температура тела увеличивается. Другие процессы, которые влияют на изменение температуры, составляют адвекцию, конвекцию, турбулентность и обмен скрытым теплом при фазовых переходах. Эти процессы описываются в уравнении притока тепла.

 

В атмосфере происходит перенос солнечной энергии, определяющий нагрев атмосферы, облаков и земной поверхности, а также распространение излученной земной поверхностью и атмосферой энергии. Часть энергии поглощается парниковыми газами и облаками, а часть излучается в космическое пространство. После поглощения атмосфера и облака переизлучают инфракрасную радиацию во всех направлениях. Турбулентность переносит поверхностную радиацию в тропосферу. Испарение приводит к переносу скрытого тепла в тропосферу, где оно может высвобождаться в результате конденсации.

 

Перенос скрытого тепла представляет собой важный процесс переноса солнечной энергии, поглощенной поверхностью и атмосферой вблизи экватора, в сторону полюсов. Вблизи экватора поглощается больше радиации, чем излучается, в результате чего образуется переизбыток энергии, а вблизи полюсов, наоборот, излучается больше энергии, чем поглощается и образуется дефицит энергии. При отсутствии обмена энергией между экватором и полюсами, температура вблизи полюсов постоянно уменьшалась бы, а вблизи экватора – увеличивалась. Однако существуют три процесса, которые приводят к частичному выравниванию энергетического баланса Земли:

а) Перенос энергии адвекцией от экватора к полюсам;

б) Перенос энергии океанскими течениями от экватора к полюсам;

в) Полярный перенос скрытого тепла.

При испарении водяного пара около экватора скрытое тепла аккумулируется в нем, а по мере его переноса к полюсам происходит конденсация и, следовательно, высвобождение тепла.

 

Радиация переносится в пространстве со скоростью света. Если учитывать волновую структуру радиации, то она характеризуется длиной волны

 

 

Где - скорость света 2.9979 х10(8) м/с, - частота волны, измеряемая в , - волновое число, число длин волн на единицу длины.

 

Макс Планк выдвинул гипотезу, что энергия, излучаемая или поглощаемая веществом, может выражаться в квантах

 

 

Где - целое число, называемое квантовым числом, а - постоянная Планка. Закон Планка означает, что вещества излучают энергию не непрерывно, а квантами, т.е. в конечных элементах. Планк полагал, что хотя радиация излучается квантами, через пространство она переносится электромагнитными волнами. Однако Альберт Эйнштейн предложил, что энергия переносится через пространство фотонами

 

 

Таким образом, количество энергии, переносимое фотоном зависит от длины волны, или частоты. Чем больше частота, или меньше длина волны, тем больше энергия фотона. Эти две формулы были награждены двумя Нобелевскими премиями: в 1918 Планк получил премию за открытие квантов, в 1921 году Эйнштейн получил премию за открытие фотонов.

 

Поглощение радиации происходит, когда поступившая к телу электромагнитная энергия переходит в его внутреннюю энергию. Черное тело это элемент, который поглощает всю радиацию, падающую на него. Черное тело не рассеивает и не пропускает радиацию, а только поглощает и излучает. В соответствии с законом Планка интенсивность излучаемой черным телом радиации описывается формулой:

 

 

Где - постоянная Больцмана. Эта интенсивность относится к определенной длине волны, поэтому называется спектральной интенсивностью радиации. В реальности вещества не являются черными телами, поэтому их излучение описывается формулой

 

 

Где характеризует излучательную способность конкретного вещества и изменяется от 0 до 1.

 

Blackbodies emit radiation at all wavelengths.

• Blackbody emission peaks at a wavelength lmax inversely

proportional to temperature. By solving fl

b/¶l = 0 we obtain

lmax = a/T where a = hc/5k = 2897 mm K (Wien’s law). This

result makes sense in terms of our simple model: particles in a

warmer object oscillate at higher frequencies.

• The total radiation flux emitted by a blackbody, obtained by

integrating fl

b over all wavelengths, is FT = sT4, where s =

2p5k4/15c2h3 = 5.67x10-8 W m-2 K-4 is the Stefan-Boltzmann constant.

The Planck blackbody formulation for the emission of radiation is

generalizable to all objects using Kirchhoff’s law. This law states that

if an object absorbs radiation of wavelength l with an efficiency el,

then it emits radiation of that wavelength at a fraction el of the

corresponding blackbody emission at the same temperature. Using

Kirchhoff’s law and equation (7.3), one can derive the emission

spectrum of any object simply by knowing its absorption spectrum

and its temperature:

(7.7)

. An illustrative example is shown in Figure 7-6.

fl T ( ) el T ( )fl

b T ( ) =