Раскройте суть гипотезы о тепловом равновесии Земли

Часть солнечной радиации представляет собой видимый свет. Тем самым Солнце является для Земли источником не только тепла, но и света, важного для жизни на нашей планете.

Лучистая энергия Солнца превращается в тепло частично в самой атмосфере, но главным образом на земной поверхности, где она идет на нагревание верхних слоев почвы и воды, а от них – и воздуха. Нагретая земная поверхность и нагретая атмосфера в свою очередь излучают невидимую инфракрасную радиацию. Отдавая радиацию в мировое пространство, земная поверхность и атмосфера охлаждаются.

Опыт показывает, что средние годовые температуры земной поверхности и атмосферы в любой точке Земли мало меняются от года к году. Если рассматривать температурные условия на Земле за длительные многолетние промежутки времени, то можно принять гипотезу, что Земля находится в тепловом равновесии: приход тепла от Солнца уравновешивается его потерей в космическое пространство. Но так как Земля (с атмосферой) получает тепло, поглощая солнечную радиацию, и теряет тепло путем собственного излучения, то гипотеза о тепловом равновесии означает одновременно, что Земля находится и в лучистом равновесии: приток коротковолновой радиации к ней уравновешивается отдачей длинноволновой радиации в мировое пространство.

31. Каков спектральный состав солнечной радиации? Какой спектральный состав излучения Земли?

В спектре солнечной радиации на интервал длин волн между 0,1 и 4 мкм приходится 99% всей энергии солнечного излучения. Всего 1% остается на радиацию с меньшими и большими длинами волн, вплоть до рентгеновских лучей и радиоволн.
Видимый свет занимает узкий интервал длин волн. Однако в этом интервале заключается половина всей солнечной лучистой энергии. На инфракрасное излучение приходится 44%, а на ультрафиолетовое — 9% всей лучистой энергии.
Распределение энергии в спектре солнечной радиации до поступления ее в атмосферу в настоящее время известно достаточно хорошо благодаря измерениям со спутников.

Верхние слои почвы и воды, снежный покров и растительность сами излучают длинноволновую радиацию; эту земную радиацию чаще называют собственным излучением земной поверхности.

32. Что понимают под солнечной постоянной? Как она изменяется с течением года на верхней границе атмосферы?

Количественной мерой солнечной радиации, поступающей на некоторую поверхность, служит энергетическая освещенность, или плотность потока радиации, т.е. количество лучистой энергии, падающей на единицу площади в единицу времени. Энергетическая освещенность измеряется в Вт/м2. Как известно, Земля вращается вокруг Солнца по мало растянутому эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. В начале января Земля наиболее близка к Солнцу (147-Ю6 км), в начале июля — наиболее далека от него (152-106 км). Энергетическая освещенность изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния,

Нерассеянная и непоглощенная в атмосфере прямая солнечная радиация достигает земной поверхности. Небольшая ее доля отражается от нее, а большая часть радиации поглощается земной поверхностью, в результате чего земная поверхность нагревается. Часть рассеянной радиации также достигает земной поверхности, - частично от нее отражается и частично ею поглощается. Другая часть рассеянной радиации уходит вверх, в межпланетное пространство.

33. Что называется прямой солнечной радиацией?

Радиацию, приходящую к земной поверхности непосредственно от диска Солнца, называют прямой солнечной радиацией. Солнечная радиация распространяется от Солнца по всем направлениям. Но расстояние от Земли до Солнца так велико, что прямая радиация падает на любую поверхность на Земле в виде пучка параллельных лучей, исходящего как бы из бесконечности. Легко понять, что максимально возможное в данных условиях количество радиации получает единица площади, расположенная перпендикулярно к солнечным лучам.

34. Какие изменения происходят с солнечной радиацией при проникновении ее в атмосферу?

Приходящая в А. солнечная радиация частично поглощается в А. главным образом водяным паром, углекислым газом, озоном и аэрозолями и рассеивается на частицах аэрозоля и на флуктуациях плотности А. Вследствие рассеяния лучистой энергии Солнца в А. наблюдается не только прямая солнечная, но и рассеянная радиация, в совокупности они составляют суммарную радиацию. Достигая земной поверхности, суммарная радиация частично отражается от неё. Величина отражённой радиации определяется отражательной способностью подстилающей поверхности, т. н. Альбедо. За счёт поглощённой радиации земная поверхность нагревается и становится источником собственного длинноволнового излучения, направленного к А. В свою очередь, А. также излучает длинноволновую радиацию, направленную к земной поверхности (т. н. противоизлучение А.) ив мировое пространство (т. н. уходящее излучение). Рациональный теплообмен между земной поверхностью и А. определяется эффективным излучением — разностью между собственным излучением поверхности Земли и поглощённым ею противоизлучением А. Разность между коротковолновой радиацией, поглощённой земной поверхностью, и эффективным излучением называется радиационным балансом.

Преобразования энергии солнечной радиации после её поглощения на земной поверхности и в А. составляют Тепловой баланс Земли. Главный источник тепла для А. — земная поверхность, поглощающая основную долю солнечной радиации. Поскольку поглощение солнечной радиации в А. меньше потери тепла из А. в мировое пространство длинноволновым излучением, то радиационный расход тепла восполняется притоком тепла к А. от земной поверхности в форме турбулентного теплообмена и приходом тепла в результате конденсации водяного пара в А. Так как итоговая величина конденсации во всей А. равна количеству выпадающих осадков, а также величине испарения с земной поверхности, приход конденсационного тепла в А. численно равен затрате тепла на испарение на поверхности Земли.

Некоторая часть энергии солнечной радиации затрачивается на поддержание общей циркуляции А. и на другие атмосферные процессы, однако эта часть незначительна по сравнению с основными составляющими теплового баланса.

35. Какие вещества являются наиболее сильными поглотителями солнечной радиации и в каких участках спектра?

В атмосфере поглощается около 23% прямой солнечной радиации. Причем поглощение это избирательное: разные газы поглощают радиацию в разных участках спектра и в разной степени
На верхнюю границу атмосферы солнечная радиация приходит в виде прямой радиации. Около 30% падающей на Землю прямой солнечной радиации отражается назад в космическое пространство. Остальные 70% поступают в атмосферу.
Около 26% энергии общего потока солнечной радиации превращается в атмосфере в рассеянную радиацию. Около
2/3 рассеянной радиации приходит затем к земной поверхности.
Но это будет уже особый вид радиации, существенно отличный от прямой радиации. Во-первых, рассеянная радиация приходит
к земной поверхности не от солнечного диска, а от всего небесного свода.
Во-вторых, рассеянная радиация отлична от прямой по спектральному составу, так как лучи различных длин волн рассеиваются в разной степени.
Законы рассеяния оказываются существенно различными в зависимости от соотношения длины волны солнечного излучения и размера рассеивающих частиц. сильным поглотителем солнечной радиации является озон. Он поглощает ультрафиолетовую и видимую солнечную радиацию. Несмотря на то что его содержание в воздухе очень мало, он настолько сильно поглощает ультрафиолетовую радиацию в верхних слоях атмосферы, что в солнечном спектре у земной поверхности волны короче 0,29 мкм вообще не наблюдаются.

Сильно поглощает радиацию в инфракрасной области спектра диоксид углерода (углекислый газ), но его содержание в атмосфере пока мало, поэтому поглощение им прямой солнечной радиации в общем невелико.

36. Как происходит рассеяние солнечной радиации? Какие явления с этим связаны?

Рассеяние — это фундаментальное физическое явление взаимодействия света с веществом. Оно может происходить на всех длинах волн электромагнитного спектра в зависимости от отношения размера рассеивающих частиц к длине волны падающего излучения. При рассеянии частица, находящаяся на пути распространения электромагнитной волны, непрерывно «извлекает» энергию из падающей волны и переизлучает ее по всем направлениям. Таким образом, частицу можно рассматривать как точечный источник рассеянной энергии. Солнечный свет, идущий от диска Солнца, проходя через атмосферу, вследствие рассеяния меняет свой цвет. Рассеяние солнечной радиации в атмосфере имеет огромное практическое значение, так как создает рассеянный свет в дневное время.

37. Что называется атмосферой? Что вы знаете об источниках энергии атмосферных процессов?

газовая оболочка, окружающая небесное тело. Ее характеристики зависят от размера, массы, температуры, скорости вращения и химического состава данного небесного тела, а также определяются историей его формирования начиная с момента зарождения. Атмосфера Земли образована смесью газов, называемой воздухом. Ее основные составляющие - азот и кислород в соотношении приблизительно 4:1. На человека оказывает воздействие главным образом состояние нижних 15-25 км атмосферы, поскольку именно в этом нижнем слое сосредоточена основная масса воздуха. Наука, изучающая атмосферу, называется метеорологией, хотя предметом этой науки являются также погода и ее влияние на человека. Состояние верхних слоев атмосферы, расположенных на высотах от 60 до 300 и даже 1000 км от поверхности Земли, также изменяется. Здесь развиваются сильные ветры, штормы и проявляются такие удивительные электрические явления, как полярные сияния. Многие из перечисленных феноменов связаны с потоками солнечной радиации, космического излучения, а также магнитным полем Земли. Высокие слои атмосферы - это также и химическая лаборатория, поскольку там в условиях, близких к вакууму, некоторые атмосферные газы под влиянием мощного потока солнечной энергии вступают в химические реакции. Наука, изучающая эти взаимосвязанные явления и процессы, называется физикой высоких слоев атмосферы.

Практически единственным источником энергии для всех физических процессов, развивающихся в А., является солнечная радиация. Главная особенность радиационного режима А. — т. н. парниковый эффект: А. слабо поглощает коротковолновую солнечную радиацию (большая её часть достигает земной поверхности), но задерживает длинноволновое (целиком инфракрасное) тепловое излучение земной поверхности, что значительно уменьшает теплоотдачу Земли в космическое пространство и повышает её температуру.

Что такое погода? Какими величинами и явлениями характеризуется погода? Пого́да — совокупность значений метеорологических элементов и атмосферных явлений, наблюдаемых в определенный момент времени в той или иной точке пространства. Понятие «Погода» относится к текущему состоянию атмосферы, в противоположность понятию «Климат», которое относится к среднему состоянию атмосферы за длительный период времени. Если нет уточнений, то под термином «Погода» понимают погоду на Земле. Погодные явления протекают в тропосфере(нижней части атмосферы) и в гидросфере.

Выделяют периодические и непериодические изменения погоды. Периодические изменения погоды зависят от суточного и годового вращения Земли. Непериодические обусловлены переносом воздушных масс. Они нарушают нормальный ход метеорологических величин (температура, атмосферное давление, влажность воздуха и т.д.). Несовпадения фазы периодических изменений с характером непериодических приводят к наиболее резким изменениям погоды.

Можно выделить два типа метеорологической информации:

· первичную информацию о текущей погоде, получаемую в результате метеорологических наблюдений.

· информацию о погоде в виде различных сводок, синоптических карт, аэрологических диаграмм, вертикальных разрезов, карт облачности и т. д.

Успешность разрабатываемых прогнозов погоды в значительной степени зависит от качества первичной метеорологической информации.

Обычные погодные явления на Земле — это ветер, облака, атмосферные осадки (дождь, снег, град и т. д.), туманы, грозы,пыльные бури и метели. Более редкие явления включают в себя стихийные бедствия, такие как торнадо и ураганы. Почти все погодные явления происходят в тропосфере (нижняя часть атмосферы).

Различия в физических свойствах воздушных масс возникают из-за изменения угла падения солнечных лучей в зависимости от широты и удалённости региона от океанов. Большое различие температур между арктическим и тропическим воздухом является причиной наличия высотных струйных течений. Барические образования в средних широтах, такие как внетропические циклоны, образуются при развитии волн в зоне высотного струйного течения. Поскольку ось Земли наклонена относительно плоскости её орбиты, угол падения солнечных лучей зависит от времени года. В среднем ежегодная температура на поверхности Земли изменяется в пределах ±40 °C. В течение сотен тысяч лет изменение орбиты Земли влияет на количество и распределение солнечной энергии на планете, определяя долгосрочный климат.

Различие температур на поверхности в свою очередь вызывает разность в поле атмосферного давления. Горячая поверхность нагревает находящийся над ней воздух, расширяет его, понижая давление и плотность воздуха. Полученный горизонтальный градиент давления ускоряет воздух в сторону низкого давления, создавая ветер. А вследствие работы эффекта Кориолиса при вращении Земли происходит закручивание потока. Примером простой погодной системы являются прибрежные бризы, а сложной — ячейка Хадлея.

Атмосфера — это сложная система, поэтому незначительные изменения в одной её части могут оказать большое влияние на систему в целом. В истории человечества постоянно были попытки управлять погодой. Доказано, что деятельность людей, такая как сельское хозяйство и промышленность, может в некоторых пределах влиять на погоду. Прогноз погоды — это научно и технически обоснованное предположение о будущем состоянии атмосферы в определённой точке или регионе земного шара..

38. Дайте определение климата. Что понимается под локальным и глобальным климатом?

Климат — статистический ансамбль состояний, через который проходит система: гидросфера → литосфера → атмосфера за несколько десятилетий. Под климатом принято понимать усреднённое значение погоды за длительный промежуток времени (порядка нескольких десятилетий) то есть климат — это средняя погода. Таким образом, погода — это мгновенное состояние некоторых характеристик (температура,влажность, атмосферное давление). Отклонение погоды от климатической нормы не может рассматриваться как изменение климата, например, очень холодная зима не говорит о похолодании климата. Для выявления изменений климата нужен значимый тренд характеристик атмосферыза длительный период времени порядка десятка лет.

39. Что такое метеорологическая сеть? Какова программа наблюдений на метеорологических станций?Метеорологическая сеть, совокупность метеорологических станций, ведущих наблюдения по единой программе и в строго установленные сроки для изучения погоды, климата и решения др. прикладных и научных задач.

Метеостанция — совокупность различных приборов для метеорологических измерений (наблюдения за погодой).

Различают аналоговые и цифровые метеорологические станции.

На классической (аналоговой) метеостанции имеется:

· термометр для измерения температуры воздуха и почвы

· барометр для измерения давления

· гигрометр для измерения влажности воздуха

· анеморумбометр (или флюгер) для измерения скорости и направления ветра

· осадкомер для измерения осадков

· плювиограф для непрерывной регистрации осадков на период жидких осадков

· термограф для непрерывной регистрации температуры воздуха

· гигрограф для непрерывной регистрации влажности воздуха

· психрометр для измерения температуры и влажности воздуха

· гололедный станок для измерения гололедно-изморосевых отложений

· ледоскоп для определения измороси и инея

· барограф для определения барометрической тенденции давления

Программа наблюдений на метеорологических станциях

Во всем мире на наземных метеорологических станциях производятся одновременные (синхронные) наблюдения в 00, 03, 06, 09, 12, 15, 18, 21 ч. по единому - гринвичскому времени (времени нулевого пояса). Результаты наблюдений за эти так называемые синоптические сроки немедленно передаются по телефону, телеграфу или по радио в органы службы погоды, где по ним составляются синоптические карты и другие материалы, использующиеся для предсказания погоды.

На метеорологических станциях основного типа регистрируются следующие метеорологические величины:

- температура воздуха на высоте 2м над земной поверхностью;

- атмосферное давление;

- влажность воздуха - парциальное давление водяного пара в воздухе и относительная влажность;

- ветер - горизонтальное движение воздуха на высоте 10 -12 м над земной поверхностью (измеряется его скорость и определяется направление, откуда дует ветер);

- количество осадков, выпавших из облаков, их типы (дождь, морось, снег и пр.);

- облачность - степень покрытия неба облаками, типы облаков по международной классификации, высота нижней границы облаков, ближайших к земной поверхности;

- наличие и интенсивность различных осадков, образующихся на земной поверхности и на предметах (росы, инея, гололеда и пр.), а также тумана;

- горизонтальная видимость - расстояние, на котором перестают различаться очертания предметов;

- продолжительность солнечного сияния;

- температура на поверхности почвы и на нескольких глубинах в почве;

- состояние поверхности почвы;

- высота и плотность снежного покрова.

На некоторых станциях измеряется испарение воды с водных поверхностей или с почвы.

Регистрируется также метеорологические и оптические явления: метели, шквалы, смерчи, мгла, пыльные бури, грозы, тихие электрические разряды, полярные сияния, радуга, круги и венцы вокруг дисков светил, миражи и др.

На береговых метеорологических станциях производятся также наблюдения над температурой воды и волнением водной поверхности. Программа наблюдений на судах отличается от наблюдений на сухопутных станциях только в деталях. В программу работы станций, имеющих определенный производственный профиль, например агрометеорологических, авиационных и других, включаются дополнительные наблюдения, связанные со спецификой обслуживания, соответствующей отрасли народного хозяйства (сельского хозяйства, авиации и т. п.).

Не все метеорологические величины наблюдаются в каждый срок наблюдений. Например, количество осадков измеряется четыре раза в сутки, высота снежного покрова - один раз в сутки, плотность снега - один раз в пять или десять дней и т.д.

Кроме метеорологических станций существует гораздо более многочисленная сеть метеорологических постов, на которых производятся наблюдения только над осадками и снежным покровом, так как для оценки распределения этих величин нужна более густая сеть наблюдений.

В программы наблюдений обсерваторий и ряда специальных станций входят еще наблюдения над солнечной радиацией, земным излучениям, отражательными свойствами поверхности земли и воды; наблюдения над температурой и влажностью воздуха на разных высотах в приземном слое воздуха (градиентные наблюдения); измерения содержания в воздухе пыли, химических примесей, радиоактивных продуктов и др.; атмосферно-электрические наблюдения над ионизацией воздуха, т.е. над содержанием в нем электрически заряженных частиц, и над измерениями электрического поля атмосферы.

40. Цель и задачи создания ВКП (расшифруйте аббревиатуру)?

Исполнительный комитет ВМО (бывший до июня 1983 года руководящим органом Организации) в июне 1980 года определил содержание всего комплекса работ по изучению климата земного шара, которые должны выполняться ВМО в сотрудничестве с другими международными организациями в рамках Всемирной климатической программы (ВКП).

ВКП объединяет четыре взаимосвязанные программы: Всемирную программу исследования климата, Всемирную программу применения знаний о климате, Всемирную программу исследования влияния климата на деятельность человека и Всемирную программу климатических данных. Координация всех работ по этим программам возложена на специально созданное при Секретариате ВМО Бюро ВКП. Научные аспекты ВКП обсуждаются Объединенным научным комитетом В состав комитета входят советские ученые академик А. М. Обухов и профессор М. А. Петросянц. Определены основные направления намечаемых исследований. В частности, предполагается изучение механизма обратной связи между облачностью и радиацией, процессов взаимодействия океана и атмосферы, разработка модели климата и осуществление ряда экспериментов. Предусматривается привлечение к выполнению программы исследований Научного комитета по исследованию океана (СКОР), Комитета по космическим исследованиям (КОСПАР), Международной ассоциации метеорологии и физики атмосферы (МАМФА).

Большое внимание уделяется в ВКП совершенствованию методики исследований, расширению работ по прикладной климатологии и удовлетворению потребностей народного хозяйства в климатических данных, подготовке архивных материалов по климату земного шара.

Дата добавления: 2015-06-28