Солнечная радиация.
Солнечная радиация, которая поступает на перпендикулярную поверхность непосредственно от солнечного диска, называется прямой солнечной радиацией S.
Энергетическая освещенность, т.е. плотность потока радиации на нормальную к лучу поверхность за пределами атмосферы при среднем расстоянии между Землей и Солнцем, называется Солнечной постоянной, которая равна S0 = 1,353 кВ/м2, или 1,98 кал/см2мин.
Прямая солнечная радиация, которая приходит на горизонтальную поверхность, рассчитывается по формуле:
S ¢ = S sin(h), (3)
где h − высота солнца над горизонтом.
Радиация, которая поступает на земную поверхность от всего небесного склона, называется рассеянной D. Вся солнечная радиация, которая достигает земной поверхности, прямая и рассеянная, представляет собой суммарную радиацию Q.
Q = S¢+ D = S sin(h)+ D (4)
Достигнутая земной поверхности, суммарная радиация частично поглощается деятельным слоем, а частично отражается. Отношение отраженной от земной поверхности радиации R к общему ее количеству суммарной радиации Q называется альбедо А (табл.18.1).
Земное излучение называется собственным излучением земной поверхности Еs, которое в соответствии с законом Стефана Больцмана, пропорционально четвертой степени ее абсолютной температуры Т (табл.18.2):
Е = ds T 4 (5)
где δ − относительная излучательная способность поверхности. Для черного тела она равна 1, для снега − 0,98, для сухого песка − 0,9 (табл. 18.3); σ − постоянная Больцмана, равная 5,65 ×10-10 мВт, или 8,14×10-11 кал.
Излучение атмосферы, направленно, как до Земли, так и в космическое пространство. Часть длинноволнового атмосферного излучения, что направлено к земной поверхности, называется встречным излучением атмосферы Еа.
Разность между собственным излучением земной поверхности Ез и встречным излучением атмосферы, называется эффективным излучением поверхности Еэф.
Радиационный баланс земной поверхности (остаточная радиация) – разность между поглощенной суммарной радиацией и эффективным излучением земной поверхности: R = ( S sin ( h ) + D )(1 – A ) – E эф (6)
Выражается в кВт/м2, измеряется балансомером. РБЗП может быть положительным и отрицательным.
Закон ослабления солнечной радиации в атмосфере отражает формула Бугера: Sm = Sо pm, (7)
где p – коэффициент прозрачности атмосферы, которая показывает ту часть S1, взятую от солнечной постоянной S0, что доходит до земной поверхности при нахождении Солнца в зените (m=1): p=S1/S0 (8)
где S1 – прямая солнечная радиация возле земной поверхности после прохождения солнечными лучами одной массы атмосферы m. Масса атмосферы m=1, когда Солнце находится в Зените.
S0 – солнечная постоянная, или интенсивность солнечной радиации на верхней границе земной атмосферы. Она ровна S0 = 1,367 кВт/м².
Табл. 18. 1. Альбедо разных типов деятельного слоя
| Поверхность | Альбедо, % |
| Торфяник сухой | 10 |
| Торфяник влажный | 8 |
| Глина сухая | 23 |
| Глина влажная | 16 |
| Песок желтый | 35 |
| Песок белый | 35−40 |
| Зеленая трава | 26 |
| Сухая трава | 19 |
| Лес еловый | 9−12 |
| Снег сухой и чистый | 85−90 |
| Снег влажный чистый | 55−60 |
| Снег грязный | 30−40 |
| Вода | 5−10 |
Табл.18. 2. Значение sТ4 (кВт/м2) для разных температур
| t°С | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| -60 | 0,12 | 0,11 | 0,11 | 0,11 | 0,11 | 0,10 | 0,10 | 0,10 | 0,10 | 0,10 |
| -50 | 0,14 | 0,14 | 0,14 | 0,13 | 0,13 | 0,13 | 0,13 | 0,12 | 0,12 | 0,12 |
| -40 | 0,17 | 0,16 | 0,16 | 0,16 | 0,16 | 0,15 | 0,15 | 0,15 | 0,15 | 0,14 |
| -30 | 0,20 | 0,19 | 0,19 | 0,19 | 0,18 | 0,18 | 0,18 | 0,18 | 0,17 | 0,17 |
| -20 | 0,23 | 0,23 | 0,23 | 0,22 | 0,22 | 0,22 | 0,21 | 0,21 | 0,20 | 0,20 |
| -10 | 0,27 | 0,27 | 0,26 | 0,26 | 0,26 | 0,25 | 0,25 | 0,24 | 0,24 | 0,24 |
| 0 | 0,32 | 0,32 | 0,33 | 0,33 | 0,34 | 0,34 | 0,35 | 0,35 | 0,35 | 0,36 |
| 10 | 0,36 | 0,37 | 0,37 | 0,38 | 0,39 | 0,39 | 0,40 | 0,40 | 0,41 | 0,41 |
| 20 | 0,42 | 0,42 | 0,43 | 0,43 | 0,44 | 0,45 | 0,45 | 0,46 | 0,47 | 0,47 |
| 30 | 0,48 | 0,48 | 0,49 | 0,50 | 0,50 | 0,51 | 0,52 | 0,52 | 0,53 | 0,54 |
| 40 | 0,55 | 0,55 | 0,56 | 0,57 | 0,57 | 0,58 | 0,59 | 0,60 | 0,60 | 0,61 |
| 50 | 0,62 | 0,62 | 0,63 | 0,64 | 0,65 | 0,66 | 0,67 | 0,67 | 0,68 | 0,69 |
| 60 | 0,70 | 0,71 | 0,72 | 0,72 | 0,73 | 0,74 | 0,75 | 0,76 | 0,77 | 0,78 |
Табл.18. 3. Относительная излучательная способность
разных типов деятельного слоя, δ
| Тип деятельного слоя | d |
| Песок сухой | 0,949 |
| Песок влажный | 0,962 |
| Почва сухая | 0,954 |
| Почва влажная | 0,986 |
| Торф сухой | 0,970 |
| Торф влажный | 0,983 |
| Трава густая | 0,986 |
| Трава редкая | 0,975 |
| Снег чистый | 0,986 |
| Вода | 0,960 |
Задания:
1. Рассчитать радиационный баланс действенного слоя чистого сухого снега, когда суммарная радиация ровна 0,25 кВт/м2, температура поверхности и воздуха −40°С.
2. Рассчитать радиационный баланс деятельного слоя сухой травы, суммарная радиация - 0,95 кВт/м2, температура поверхности -40°, а температура воздуха -27°С.
3. Средняя глобальная температура Земли составляет около 15°, а экстремальные ее значения − около 60° и 90° С. Определить собственное излучение Земли при этих температурах и сравнить результаты.
4. Средняя глобальная температура Земли составляет около 15°, а экстремальные ее значения − около 60° и 90°С. Определить собственное излучение Земли при этих температурах и сравнить результаты.
5. Вычислить радиационный баланс деятельной поверхности (покрытой сухой травой) на площадке, перпендикулярной солнечным лучам, если величина прямой солнечной радиации равна 1,2 кал/см2 мин, рассеянной − 0,22 кал/см2 мин, эффективное излучение составляет 0,14 кал/см2 мин.
6. Вычислить радиационный баланс деятельной поверхности В, когда известна величина прямой солнечной радиации на перпендикулярную поверхность S (МДж/м²), рассеянной радиации D (МДж/м²) и эффективного излучения Ее (МДж/м²), альбедо поверхности А (%), высота солнца h (табл.18.4).
Табл.18.4. Исходные данные для решения задачи 6.
| № варианта | S | D | Ее | Цвет поверхности | А | Высота солнца, ° |
| 1 | 40,5 | 20,4 | 4¸4 | Темный | 15 | 85 |
| 2 | 39,4 | 19¸3 | 5,2 | Светлый | 25 | 80 |
| 3 | 38,7 | 18¸6 | 2,9 | Светлый | 29 | 75 |
| 4 | 39,1 | 19¸0 | 3,4 | Светлый | 32 | 70 |
| 5 | 35,9 | 15¸8 | 2,8 | Зеленый | 26 | 60 |
| 6 | 33.2 | 13¸2 | 4,9 | Влажная | 20 | 55 |
| 7 | 34,4 | 14¸5 | 3,4 | Сухая | 25 | 50 |
| 8 | 25,5 | 15¸6 | 3,8 | Чернозем | 14 | 45 |
| 9 | 23,1 | 25¸2 | 1,8 | Торфяник | 10 | 30 |
| 10 | 28,3 | 29¸4 | 2,3 | Море | 5 | 20 |
Выявление преобладающего направления ветра
Задание. Постройте диаграмму, характеризующую режим ветра в данном месте по многолетним наблюдениям.
Диаграмма, характеризующая в метеорологии и климатологии, режим ветра в данном месте по многолетним наблюдениям получила название «Роза ветров» и выглядит как многоугольник, у которого длины лучей, расходящихся от центра диаграммы в разных направлениях (румбах горизонта), пропорциональны повторяемости ветров этих направлений («откуда» дует ветер).
Ход работы:
1. Создайте в MS Excel новый документ, в качестве названия документа используйте свою фамилию.
2. Создайте электронную таблицу, по данным одного из вариантов в таблице №10. Выясните сумму значений всех ячеек, выделив мышкой требуемую область таблицы, сумма значений выделенных ячеек будет выведена в правом нижнем углу окна документа. В приведенном примере (рис. 18.1), сумма всех дней наблюдения равна 804.
3. Немного ниже постройте пустую таблицу с аналогичными названиями столбцов и строк. Выделите область значений данной таблицы, вызовите контекстное меню кликнув правой кнопкой мыши. Во вкладке <число> выберите значение <процентный>, число знаков после запятой - 2.
4. Вторая таблица будет содержать значения первой таблицы в процентном соотношении от суммы значений всех ячеек. В приведенном примере сумма значений всех ячеек равна 800, следовательно значение выделенной в нижней таблице ячейки R10C2 (соответствующей ячейке R2C2 на верхней таблице) будет равно (11/800)*100% =1,38%. Посчитайте значения остальных ячеек второй таблицы.
Рис.18.1. Промежуточный результат выполнения задания (п.2.)
5. Выделите всю область второй таблицы, пройдите по вкладке