Учебное пособие «Физика природной среды»



страница14/26
Дата10.05.2016
Размер1.48 Mb.
1   ...   10   11   12   13   14   15   16   17   ...   26

3.7. Спектральный состав суммарной радиации

Поток суммарной солнечной радиации представляет собой сумму потока прямой солнечной радиации, поступающего от диска Солнца, и потока рассеянной небосводом солнечной радиации.



Спектральное распределение энергии в условиях идеальной атмосферы представлено на рис. 3.7.1, из которого видно, что максимум энергии за пределами атмосферы приходится на длину волны около 0,49 мкм. С уменьшением высоты Солнца максимум становится более размытым и сдвигается в область больших длин волн. При высоте Солнца 90° на долю инфракрасной радиации приходится 48,8% общего потока, а при высоте 10° эта доля возрастает до 65,5%. С увеличением высоты Солнца существенно возрастает и доля ультрафиолетовой радиации.

Для реальной атмосферы распределение энергии рассеянной радиации существенно зависит от длины волны, облачности и содержания в атмосфере различных примесей. Для безоблачного неба в реальной атмосфере при увеличении размера рассеивающих частиц происходит общее увеличение потока рассеянной радиации и максимум ее смещается в сторону длинных волн.

Как показали экспериментальные исследования, при безоблачном небе спектральный состав суммарной радиации более устойчив и практически не зависит от высоты Солнца. Главный максимум в спектре суммарной радиации приходится на область длин волн от 0,48 мкм до 0,50 мкм. Для частично облачного неба спектральный состав суммарной радиации также не зависит от высоты Солнца (для высот больше 10–15°). Это объясняется тем, что с уменьшением высоты Солнца уменьшается доля прямого солнечного излучения и возрастает доля рассеянного. Увеличение поглощения сине-фиолетовой части спектра прямой солнечной радиации при малых высотах Солнца компенсируется увеличением рассеянной радиации в этом же участке спектра, так что спектральный состав суммарной радиации практически остается постоянным при высотах больше 10–15°.

Поток суммарной солнечной радиации легко измеряется с помощью пиранометра. При необходимости его расчета, как правило, используются те или иные эмпирические формулы.



3.8. Альбедо водной поверхности

3.8.1. Интегральное альбедо водной поверхности

Достигающие водной поверхности потоки прямой и рассеянной солнечной радиации частично отражаются обратно в атмосферу, а остальная доля их проходит в воду, где также испытывает поглощение и рассеяние. Некоторая часть рассеянной водой радиации выходит через поверхность обратно в атмосферу и составляет поток так называемой обратно рассеянной радиации. По своему спектральному составу потоки отраженной и обратно рассеянной радиации хотя и отличаются от падающих потоков, но являются также коротковолновыми. Величина спектрального альбедо определяется как отношение монохроматических потоков определенной длины волны отраженной и обратно рассеянной радиации к полному падающему потоку той же длины волны. Интегральное альбедо определяется аналогично, только вместо монохроматических берутся интегральные по всему спектру потоки коротковолновой радиации. Исходя из такого определения, можно записать:



где I'П, I'Р, I''П, I''Р — отраженные и обратно рассеянные водой потоки прямой IП и рассеянной IР радиации. Именно эта величина и определяется по измерениям с применением пиранометров.

Если ввести величины интегрального альбедо поверхности: для прямой солнечной AП , рассеянной AР и обратно рассеянной AВ радиации по соотношениям:



то (3.8.1) запишется в виде

Это выражение дает полную количественную зависимость суммарного альбедо водной поверхности A от определяющих его факторов: величин альбедо для прямой, рассеянной и обратно рассеянной радиации и соотношения потоков прямой солнечной и рассеянной лучистой энергии. Закономерности изменения величины альбедо для суммарной радиации определяются высотой Солнца, состоянием облачности, состоянием поверхности и прозрачностью воды. Наиболее просты эти закономерности для гладкой поверхности при безоблачном небе.

3.8.2. Альбедо гладкой поверхности

При гладкой водной поверхности величина альбедо для прямой солнечной радиации в зависимости от высоты Солнца достаточно надежно может быть рассчитана по формулам Френеля:



где α — угол падения, β — угол преломления и n — показатель преломления воды.

Результаты таких расчетов показывают монотонное уменьшение величины альбедо при возрастании высоты Солнца с наиболее резким спадом в области малых высот. Для высот Солнца больше 30° количественные изменения в величинах альбедо сравнительно невелики.

Альбедо для рассеянной радиации существенно зависит от распределения ее интенсивности по небосводу. Для изотропной рассеянной радиации теоретические расчеты дают величину альбедо 5,6–6%.

3.8.3. Альбедо взволнованной поверхности

В реальных условиях поверхность водных объектов в той или иной мере взволнована. При теоретических расчетах влияния волнения на величины альбедо необходимо предварительно задавать либо профиль волны, либо статистические параметры волнения. При заданном профиле можно в каждой точке его рассчитать величины альбедо для прямой радиации по формулам Френеля, а при известном или заданном распределении интенсивности рассеянной радиации и величины альбедо для рассеянной радиации. После этого для получения средних величин альбедо взволнованной поверхности достаточно проинтегрировать полученные распределения по профилю волны и разделить на ее длину. Такие расчеты для некоторых идеализированных профилей волны (синусоида, трохоида, циклоида) проводились многими авторами.

Обобщением этих исследований является вывод о том, что при безоблачном небе альбедо взволнованной поверхности для прямой радиации при малых высотах Солнца меньше, а начиная с высот 30–40° — больше, чем альбедо гладкой поверхности. Для рассеянной радиации волнение несколько уменьшает величину альбедо при всех высотах Солнца. Количественные величины поправок в значениях альбедо на волнение, естественно, определяются схематизацией профиля волны или статистической функцией распределения элементов волн, которые используются при расчетах.

3.8.4. Альбедо для суммарной радиации

Высота Солнца является определяющим фактором изменения альбедо для суммарной радиации, а влияние других факторов имеет характер поправок при фиксированных высотах Солнца.

Для расчета хода во времени проникающих в воду потоков суммарной радиации желательно иметь достаточно простое аналитическое выражение для альбедо водной поверхности в зависимости от основного фактора — высоты Солнца. Анализ показывает, что при безоблачном небе и средних условиях волнения до 3–4 баллов такую зависимость можно записать в виде:

Выражение (3.8.5) было обобщено на случай произвольных условий облачности, так что

где n — облачность в баллах.

1   ...   10   11   12   13   14   15   16   17   ...   26


База данных защищена авторским правом ©bezogr.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница