Излучение солнца тепла и света называется: Излучение солнцем тепла и света называется: а) солнечной радиацией; б) воздушной массой; в) увлажнением;

Содержание

Что такое радиация | МАГАТЭ

Что есть что в ядерной сфере

13.05.2022

Андреа Галиндо, Бюро общественной информации и коммуникации МАГАТЭ

Излучение — это энергия, которая перемещается из одного места в другое в таком виде, который можно описать как волны или частицы. Мы постоянно сталкиваемся с излучением в нашей повседневной жизни. В число знакомых всем источников излучения входят Солнце, микроволновые печи, которые стоят у нас на кухне, и радиоприемники, которые мы слушаем в автомобилях. В основном подобное излучение не причиняет какого-либо вреда нашему здоровью. Но некоторые виды излучения являются опасными. В целом, при более низких дозах излучение связано с меньшими рисками, однако с увеличением дозы они повышаются. Для защиты нашего организма и окружающей среды от вредного воздействия излучения следует принимать различные меры в зависимости от его вида, при этом сохраняя возможность извлекать пользу из его многочисленных применений.

Как можно использовать излучение? Некоторые примеры

Здравоохранение. Благодаря излучению мы имеем возможность применять специальные медицинские процедуры, например, для лечения рака, и пользоваться методами диагностической визуализации.
Энергетика. Излучение позволяет нам производить электричество, например, с помощью солнечной энергии и ядерной энергии.
Окружающая среда и изменение климата. Излучение может быть использовано для очистки сточных вод или для создания новых сортов растений, устойчивых к изменению климата.
Промышленность и наука. С помощью ядерных методов, основанных на излучении, ученые могут исследовать объекты наследия или создавать материалы с улучшенными характеристиками, например, для автомобильной промышленности.

Если излучение полезно, почему мы должны защищать себя от него?

Излучение имеет множество полезных применений, но при возникновении рисков, связанных с его использованием, следует принимать конкретные меры для защиты людей и окружающей среды. Этот же подход применяется и к любым другим видами деятельности. Разные виды излучения требуют разных мер защиты: его обладающий низкой энергией вид, называемый «неионизирующее излучение», может требовать меньшей защиты и соответствующих мер, чем обладающее более высокой энергией «ионизирующее излучение». В соответствии со своим мандатом МАГАТЭ устанавливает нормы для защиты людей и окружающей среды от ионизирующего излучения при его мирном использовании.

Виды излучения

Неионизирующее излучение

Примерами неионизирующего излучения являются видимый свет, радиоволны и микроволны (Инфографика: Адриана Варгас/МАГАТЭ)

Неионизирующее излучение — это излучение более низкой энергии, которое не обладает достаточной мощностью, чтобы отделить электроны от атомов или молекул, находящихся в веществе или в живых организмах. Однако его энергия может заставить эти молекулы вибрировать и таким образом выделять тепло. Например, именно так работают микроволновые печи.

Для большинства людей неионизирующее излучение не представляет риска для здоровья. Однако работникам, которые регулярно контактируют с некоторыми источниками неионизирующего излучения, могут потребоваться специальные меры для защиты, например, от выделяемого тепла.

В число других примеров неионизирующего излучения входят радиоволны и видимый свет. Видимый свет — это то неионизирующее излучение, которое может воспринимать человеческий глаз. Радиоволны — это вид неионизирующего излучения, которое наши глаза и другие органы чувств не воспринимают, а вот радиоприемники способны их улавливать.

Ионизирующее излучение

Примерами ионизирующего излучения являются гамма-излучение, используемое для некоторых видов лечения рака, рентгеновское излучение и излучение, испускаемое радиоактивными материалами, используемыми на атомных электростанциях (Инфографика: Адриана Варгас/МАГАТЭ)

Ионизирующее излучение — это вид излучения энергии такой мощности, что оно способно отделять электроны от атомов или молекул, тем самым вызывая изменения на атомном уровне при взаимодействии с веществом, включая живые организмы. Такие изменения обычно сопровождаются образованием ионов (электрически заряженных атомов или молекул) — отсюда и возник термин «ионизирующее» излучение.

В больших дозах ионизирующее излучение может повредить клетки или органы нашего тела или даже привести к смерти. В случае надлежащего использования и в правильных дозах, а также при соблюдении необходимых мер защиты, этот вид излучения имеет множество полезных применений, например, в производстве энергии, в промышленности, в научных исследованиях, в медицинской диагностике и лечении различных заболеваний, таких как рак. Хотя ответственность за регулирование в области использования источников излучения и радиационной защиты лежит на государствах, МАГАТЭ оказывает поддержку законодателям и регулирующим органам через всеобъемлющую систему международных норм безопасности, направленных на защиту работников и пациентов, а также населения и окружающей среды от потенциально вредного воздействия ионизирующего излучения.

Неионизирующее и ионизирующее излучение имеют разную длину волн, что напрямую связано с их энергией. (Инфографика: Адриана Варгас/МАГАТЭ).

Научное объяснение радиоактивного распада и возникающего при этом излучения

Ионизирующее излучение может исходить, например, от нестабильных (радиоактивных) атомов, когда они переходят в более стабильное состояние, высвобождая при этом энергию.

Большинство атомов на Земле стабильны, в основном благодаря уравновешенному и стабильному составу частиц (нейтронов и протонов) в их центре (ядре). Однако в некоторых видах нестабильных атомов число протонов и нейтронов в составе их ядра не позволяет им удерживать эти частицы вместе. Такие нестабильные атомы называются «радиоактивными атомами». При распаде радиоактивных атомов выделяется энергия в виде ионизирующего излучения (например, альфа-частицы, бета-частицы, гамма-лучи или нейтроны), которое при контролируемом и безопасном использовании может приносить различную пользу.

Процесс, в ходе которого радиоактивный атом становится более стабильным за счет высвобождения частиц и энергии, называется «радиоактивным распадом». (Инфографика: Адриана Варгас/МАГАТЭ)

Каковы наиболее распространенные типы радиоактивного распада? Как мы можем защитить себя от вредного воздействия возникающего в результате излучения?

Существуют различные типы радиоактивного распада, вызывающего ионизирующее излучение, в зависимости от типа частиц или волн, которые испускает ядро, чтобы стать стабильным. Наиболее распространенными типами являются альфа-частицы, бета-частицы, гамма-лучи и нейтроны.

Альфа-излучение

Альфа-распад (Инфографика: А. Варгас/МАГАТЭ)

При альфа-излучении распадающиеся ядра испускают тяжелые, положительно заряженные частицы, чтобы стать более стабильными. Эти частицы не способны проникнуть через нашу кожу и причинить вред, и часто их можно остановить даже при помощи листа бумаги.

Однако в случае попадания альфа-излучающих материалов в организм при дыхании, с пищей или питьем, они могут воздействовать напрямую на внутренние ткани и, следовательно, наносить вред здоровью.

Америций-241, который используется в детекторах дыма по всему миру, является примером атома, распадающегося с испусканием альфа-частиц.

Бета-излучение

(Инфографика: А. Варгас/МАГАТЭ)

При бета-излучении ядра испускают более мелкие частицы (электроны), которые обладают большей проникающей способностью, чем альфа-частицы, и могут пройти, например, через 1–2 сантиметра воды, в зависимости от их энергии. Как правило, лист алюминия толщиной в несколько миллиметров может остановить бета-излучение.

К нестабильным атомам, испускающим бета-излучение, относятся водород-3 (тритий) и углерод-14. Среди прочего тритий используется, например, в аварийном освещении, для обозначения выходов в темноте. Это связано с тем, что свечение люминесцентного материала возникает под воздействием бета-излучения трития без использования электричества. Углерод-14 используется, например, для определения возраста объектов наследия.

Гамма-излучение

Гамма-лучи (Инфографика: А. Варгас/МАГАТЭ)

Гамма-излучение, которое используется в различных применениях, например, для лечения рака, является электромагнитным излучением, подобным рентгеновскому. Некоторые гамма-лучи проходят через тело человека, не причиняя вреда, в то время как другие поглощаются организмом и могут причинить вред. Толстые стены из бетона или свинца могут снизить интенсивность гамма-излучения до уровней, представляющих меньший риск. Именно поэтому стены процедурных кабинетов радиотерапии в онкологических больницах имеют такую большую толщину.

Нейтроны

Ядерное деление внутри ядерного реактора является примером радиоактивной цепной реакции, поддерживаемой нейтронами (Инфографика: А. Варгас/МАГАТЭ)

Нейтроны — это относительно массивные частицы, которые являются одним из основных компонентов ядра. Они не имеют заряда и поэтому напрямую не вызывают ионизацию. Но их взаимодействие с атомами вещества может привести к возникновению альфа-, бета-, гамма- или рентгеновского излучения, которое затем приводит к ионизации. Нейтроны обладают проникающей способностью и могут быть остановлены только большими объемами бетона, воды или парафина.

Нейтроны могут быть получены различными способами, например, внутри ядерных реакторов или в процессе ядерных реакций, запущенных обладающими высокой энергией частицами в пучках ускорителей. Нейтроны могут являться значительным источником косвенно ионизирующего излучения.

Какую роль играет МАГАТЭ?

МАГАТЭ оказывает государствам-членам помощь в использовании ядерных технологий, включая излучение, в здравоохранении, сельском хозяйстве, охране окружающей среды, управлении водными ресурсами, энергетике и промышленности. Для этого МАГАТЭ оказывает помощь в проведении исследований и разработок в области практического использования радиации и радиоактивных источников, а также координирует исследовательскую деятельность и реализует проекты в разных странах по всему миру.
В рамках своей деятельности в области гарантий и проверки МАГАТЭ следит за тем, чтобы не происходило переключения способных испускать излучение материалов с мирного использования на другие цели.
Наконец, МАГАТЭ разрабатывает нормы безопасности и руководящие материалы по физической безопасности и обобщает наилучшую практику в области защиты людей, общества и окружающей среды от вредного воздействия ионизирующего излучения.

Ресурсы по теме

13.05.2022

Распределение тепла и света на Земле

Солнце — звезда Солнечной системы, которая является для планеты Земля источником громадного количества тепла и ослепительного света. Несмотря на то, что Солнце находится от нас на значительном расстоянии и до нас доходит лишь небольшая часть его излучения, этого вполне достаточно для развития жизни на Земле. Наша планета вращается вокруг Солнца по орбите. Если с космического корабля наблюдать Землю в течение года, то можно заметить, что Солнце всегда освещает только какую-либо одну половину Земли, следовательно, там будет день, а на противоположной половине в это время будет ночь. Земная поверхность получает тепло только днем.

Наша Земля нагревается неравномерно. Неравномерный нагрев Земли объясняется ее шарообразной формой, поэтому угол падения солнечного луча в разных районах различен, а значит, различные участки Земли получают различное количество тепла. На экваторе солнечные лучи падают отвесно, и они сильно нагревают Землю. Чем дальше от экватора, тем угол падения луча становится меньше, а следовательно, и меньшее количества тепла получают эти территории. Один и тот же по мощности пучок солнечного излучения обогревает у экватора гораздо меньшую площадь, так как он падает отвесно. Кроме того, лучи, падающие под меньшим углом, чем на экваторе,пронизывая атмосферу, проходят в ней больший путь, вследствие чего часть солнечных лучей рассеивается в тропосфере и не доходит до земной поверхности. Все это свидетельствует о том, что при удалении от экватора к северу или к югу уменьшается температура воздуха, так как уменьшается угол падения солнечного луча.

На степень нагрева земной поверхности влияет также и то, что земная ось наклонена к плоскости орбиты, по которой Земля совершает полный оборот вокруг Солнца, под углом 66,5° и все время направлена северным концом в сторону Полярной звезды.

Представим себе, что Земля, двигаясь вокруг Солнца, имеет земную ось, перпендикулярную плоскости орбиты вращения. Тогда бы поверхность на разных широтах получала бы неизменное в течение года количество тепла, угол падения солнечного луча был все время постоянным, всегда день был бы равен ночи, не происходило бы смены времен года. На экваторе эти условия мало отличались бы от нынешних. Существенное влияние на нагрев земной поверхности, а значит, и на весь климат наклон земной оси имеет именно в умеренных широтах.

В течение года, то есть за время полного оборота Земли вокруг Солнца, особо примечательны четыре дня: 21 марта, 23 сентября, 22 июня, 22 декабря.

Тропики и полярные круги разделяют поверхность Земли на пояса, которые различаются между собой солнечной освещенностью и количеством тепла, получаемого от Солнца. Выделяют 5 поясов освещенности: северный и южный полярные, которые получают мало света и тепла, тропический пояс с жарким климатом и северный и южный умеренные пояса, которые получают света и тепла больше, чем полярные, но меньше, чем тропические.

Итак, в заключение можно сделать общий вывод: неравномерный нагрев и освещение земной поверхности связаны с шарообразностью нашей Земли и с наклоном земной оси до 66,5° к орбите вращения вокруг Солнца.

Поглощение/отражение солнечного света

Что такое поглощение и отражение солнечного света?

Солнце обеспечивает Землю большей частью своей энергии. Сегодня около 71% солнечного света, достигающего Земли, поглощается ее поверхностью и атмосферой. Поглощение солнечного света заставляет молекулы объекта или поверхности, на которую он падает, вибрировать быстрее, повышая его температуру . Затем эта энергия повторно излучается Землей в виде длинноволнового инфракрасного излучения, известного также как тепло. Чем больше солнечного света поглощает поверхность, тем теплее она становится и тем больше энергии переизлучает в виде тепла. Это повторно излученное тепло затем поглощается и повторно излучается на парниковые газы и облака , и нагревают атмосферу за счет парникового эффекта .

Поверхности Земли лучше поглощают солнечную радиацию, чем воздух, особенно поверхности темного цвета. Вы можете почувствовать это холодным зимним днем, когда солнечные лучи согревают ваше лицо, а воздух вокруг вас остается холодным. Ваша кожа и одежда также поглощают солнечное излучение и преобразуют его в тепло. Если вы носите черную куртку, она поглощает больше радиации и заставляет вас чувствовать себя теплее, чем если вы носите белую или светлую куртку. Точно так же разные поверхности Земли и части атмосферы поглощают солнечную радиацию с разной скоростью.

Земля нагревается неравномерно, поскольку представляет собой шар.

Поскольку Земля представляет собой шар, не все части Земли получают одинаковое количество солнечной радиации. Около экватора принимается и поглощается больше солнечной радиации, чем на полюсах. Вблизи экватора солнечные лучи падают на Землю наиболее прямо, тогда как на полюсах лучи падают под крутым углом. Это означает, что на квадратный сантиметр (или дюйм) площади поверхности в более высоких широтах поглощается меньше солнечной радиации, чем в более низких широтах, и что тропики теплее, чем полюса. Эта разница температур формирует глобальные атмосферная и океанская циркуляция моделей. Кроме того, наклон Земли влияет на то, сколько солнечного света получают и поглощают разные части Земли в разное время года, и поэтому мы сталкиваемся со сменой времен года. Количество получаемой и поглощаемой солнечной радиации также влияет на процессы в биосфере, напрямую воздействуя на растения и другие организмы, которые фотосинтезируют и являются основным источником пищи в большинстве экосистем (см. взаимодействие видов ).

Если свет не поглощается поверхностью, он в основном отражается. Отражение происходит, когда входящее солнечное излучение отражается от объекта или поверхности, на которую оно попадает в атмосфере, на землю или воду, и не преобразуется в тепло. Доля приходящей солнечной радиации, которая отражается Землей, известна как ее альбедо. В целом Земля отражает около 29% приходящей солнечной радиации, поэтому мы говорим, что среднее альбедо Земли равно 0,29.

Снег и лед, взвешенные в воздухе частицы , а некоторые газы имеют высокое альбедо и отражают различное количество солнечного света обратно в космос. Низкие густые облака обладают отражающей способностью и могут препятствовать попаданию солнечного света на поверхность Земли, в то время как высокие тонкие облака могут способствовать возникновению парникового эффекта.

Доля солнечного света, который отражается и поглощается, повторное излучение тепла и интенсивность парникового эффекта влияют на количество энергии в системе Земля и глобальные процессы, такие как круговорот воды и циркуляция атмосферы и океана.

На этой диаграмме показан процент солнечного света, отражаемого различными земными поверхностями или облаками.

Модели системы Земли о поглощении и отражении солнечного света

Эта модель системы Земли является одним из способов представления основных процессов и взаимодействий, связанных с поглощением и отражением солнечного света. Наведите указатель мыши на значки для получения кратких пояснений; нажмите на значки, чтобы узнать больше о каждой теме. Загрузите модели системы Земля на этой странице.

Эта модель показывает некоторые изменения поверхности и атмосферы Земли, которые могут повлиять на количество поглощаемого или отражаемого солнечного света. Эти изменения влияют на количество повторно излучаемого тепла, а также могут сильно влиять на биосферу, изменяя количество солнечного света, доступного для фотосинтеза.

Как деятельность человека влияет на поглощение и отражение солнечного света

Представленная ниже модель системы Земля включает некоторые из способов, которыми деятельность человека напрямую влияет на количество солнечного света, поглощаемого и отражаемого поверхностью Земли. Развитие и распространение городских территорий, особенно с использованием асфальта и других материалов темного цвета, может резко увеличить впитывающую способность поверхности. Это создает городские острова тепла, где в городах температура выше, чем в прилегающих районах. Наведите указатель мыши на значок или щелкните его, чтобы узнать больше об этих человеческих причинах изменений и о том, как они влияют на поглощение и отражение солнечного света.

Приведенная ниже модель системы Земли включает дополнительные способы, которыми деятельность человека напрямую влияет на количество солнечного света, поглощаемого и отражаемого атмосферой Земли. Наведите указатель мыши на значок или щелкните его, чтобы узнать больше об этих человеческих причинах изменений и о том, как они влияют на поглощение и отражение солнечного света.

Представленная ниже модель системы Земля показывает, как человеческие загрязнители и отходы влияют на озоновый слой и количество ультрафиолетового солнечного света, поглощаемого верхними слоями атмосферы Земли (стратосферой). Наведите указатель мыши на значок или щелкните его, чтобы узнать больше об этих человеческих причинах изменений и о том, как они влияют на поглощение и отражение солнечного света.

Изучение системы Земля

Нажмите на значки и термины, выделенные жирным шрифтом (например, повторное излучение тепла, частицы в воздухе и т. д.) на этой странице, чтобы узнать больше об этих процессах и явлениях. Кроме того, изучите инфографику Understanding Global Change и найдите новые темы, представляющие интерес и/или актуальные для вас на местном уровне.

Чтобы узнать больше об обучении поглощению и отражению солнечного света, посетите страницу Ресурсы для обучения .

Ссылки на дополнительную информацию

Энергетический бюджет Земли
Измерение альбедо Земли с помощью спутника/ CERES
Краткое описание спутниковых инструментов НАСА «Облака и система лучистой энергии Земли» (CERES)
Океанографический институт Вудс-Хоул: как крошечные растения помогают создавать облака
Альбедо Земли и глобальное потепление
NOAA Science on a Sphere, аэрозоли: черный углерод и сульфат
Озон: что это такое и зачем нам это?

Солнечное и инфракрасное излучение – атмосферные процессы и явления

Перейти к содержанию

Элисон Ньюджент

Цели обучения

К концу этой главы вы должны уметь:

Давать определение излучению черного тела и закону Планка
Применить закон Вина для вычисления максимальной длины волны излучения
Используйте закон Стефана-Больцмана для расчета коэффициента излучения
Опишите радиационный баланс поверхности Земли, включая коротковолновую и длинноволновую составляющие
Определение и дифференциация наклона, эксцентриситета и прецессии
Опишите причину смены времен года на Земле
Опишите суточный ход радиационных потоков

На улице в солнечный день вы можете почувствовать энергию солнца на своей коже. Вы можете почувствовать это в виде тепла из-за передачи энергии между объектами. Нахождение в тени дерева (которое блокирует солнечные лучи) существенно влияет на температуру и вероятность получения солнечных ожогов. Ближайшее расстояние от Земли до Солнца составляет примерно 93 миллиона миль. Как до сих пор доходит солнечная энергия? Ответ в излучении. Излучение является основным механизмом передачи энергии на Земле, включая передачу энергии от Солнца к Земле на большие расстояния через космический вакуум.

Заходящее солнце с оранжевым небом, сияющим над разбивающейся океанской волной (CC BY 2.0).

Излучение можно представить двумя способами: электромагнитными волнами или фотонами. Для целей изучения атмосферы мы обычно будем рассматривать излучение как волну, а не как фотонную частицу. Электромагнитное излучение — это тип энергии, создаваемой электрическими и магнитными полями, который имеет различные названия в зависимости от длины волны. Например, вы, вероятно, слышали о радиоволнах и рентгеновских лучах, в которых основное различие заключается в длине волн в каждом из них. На следующем изображении показана связь между длиной волны, частотой и температурой. Позже мы углубимся в подробности, но более холодные объекты излучают на более низких частотах и с большей длиной волны, а более теплые объекты излучают с более высокой частотой и с более короткими длинами волн. Это соотношение справедливо для всех масштабов, от атомных ядер до планет, и для температур от почти абсолютного нуля до десятков миллионов кельвинов.

Спектр электромагнитной энергии, включая проникновение в атмосферу Земли (вверху), визуальную длину волны (красная линия), тип излучения (имя дано), значение длины волны (м), шкалу длины волны (изображение), частоту (Гц) и температуру черного тела. объекты, излучающие на этой длине волны излучения (CC BY-SA 3.0).

Распространение волн

С какой скоростью электромагнитное излучение Солнца распространяется на Землю и как мы можем охарактеризовать волны? Все электромагнитные волны распространяются со скоростью скорости света (часто задается переменной «c ₀», примерно 3×10 ⁸ м·с ^–1 ). Волны имеют длину волны (λ), определяемую расстоянием от одного гребня волны до другого. Волны также имеют частоту (v), которая представляет собой количество повторяющихся волн за определенный период времени. Единицей частоты является герц (количество циклов в секунду). Наконец, можно также определить волновое число для волн, которое равно единице на длине волны, или число волн в каждом метре, σ (циклы·м ^–1 ) = 1 / λ. Круговая частота определяется как ω (радиан·с ^–1 ) = 2π·ν.

С переменными для длины волны и частоты мы можем очень четко определить любой тип волны.

Hawaii Focus Box

Электромагнитные волны — это просто разновидность волн. Их можно описать теми же словами и переменными, что и океанские волны. Если вы занимаетесь серфингом, вы, вероятно, сверяетесь с прогнозом волн по высоте и периоду волн, прежде чем отправиться в воду. Лучшие волны для серфинга имеют длительный период, что помогает разделять и четко определять отдельные волны. Периоды волн больше 12 или 14 секунд являются идеальными. В зависимости от того, являетесь ли вы новичком или продвинутым, вам может понадобиться высота поверхности волны от 2 до 30 футов соответственно.

Разбивающаяся океанская волна (общественное достояние NOAA).

Период волны определяется как время, необходимое волне для завершения одного цикла. Период волны — это просто величина, обратная частоте волны.

Высота поверхности волны связана как с амплитудой, так и с частотой волны, но гораздо сложнее, поскольку в случае серфинга она измеряется в момент разлома волны. В случае электромагнитной энергии волны не ломаются.

Характеристика излучения

Откуда берется эта электромагнитная энергия? Он окружает нас каждое мгновение каждого дня во многих формах. На самом деле любой объект, теплее абсолютного нуля (0 К), излучает лучистую энергию. Чтобы оценить количество лучистой энергии, излучаемой объектом, необходимо общее упрощение: мы предполагаем, что объект ведет себя как абсолютно черное тело. А 9Черное тело 0005 — это объект, который излучает и поглощает максимально возможное количество радиации, учитывая его температуру.

Кривые Планка

Кривые Планка используются для отображения количества испускаемого излучения и основных длин волн электромагнитной энергии, которые излучает черное тело при заданной температуре. На приведенной ниже диаграмме показаны несколько кривых функции Планка для черных тел с различной температурой. Красная линия обозначает объект с температурой 3000 К, зеленая линия — 4000 К, а синяя линия — 5000 К. По мере нагревания черного тела оно излучает на более коротких волнах и с большей интенсивностью.

Спектральная яркость (ось Y, испускаемое излучение) в зависимости от длины волны (ось X) излучения, испускаемого черными телами с различными температурами. По мере увеличения температуры черного тела количество испускаемого излучения увеличивается, и излучение излучается на все более и более коротких длинах волн (общественное достояние).

Закон Вина

Функция Планка сообщает нам количество испускаемого излучения и длины волн, на которых оно излучается, с учетом температуры черного тела. Мы можем использовать другой закон для определения максимальной длины волны, излучаемой черным телом. Закон Вина гласит, что чем короче излучаемая длина волны, тем горячее (больше кинетическая энергия) объект. В уравнении Вина иногда числитель задается как «а», константа, равная 2897.

Использование уравнения Вейна для определения длины волны дает ответ в микронах, мкм. Один микрон равен 10 ^-6 метров.

2.1 Длина волны солнечного излучения

Вопрос: Наше Солнце — желтый карлик с температурой поверхности около 5800 К. Какова максимальная длина волны излучаемого им излучения? Где находится это излучение в электромагнитном спектре?

Ответ: Закон Вейна дает нам уравнение, связывающее температуру с максимальной длиной волны излучения, испускаемого объектом:

10 ^-6 м по карте, приведенной выше в этой главе.

Закон Стефана-Больцмана

Здесь будет обсуждаться последний очень важный закон излучения. Закон Стефана-Больцмана связывает общее испускаемое излучение (общая излучаемая мощность на площадь) с площадью под кривой Планка. Это можно использовать, чтобы показать, что чем горячее объект, тем больше энергии он излучает на единицу площади.

В приведенном выше уравнении количество излучения, излучаемого на площадь, равно температуре черного тела, возведенной в 4-ю степень. Эта связь чрезвычайно важна. Он показывает, что количество испускаемого излучения сильно зависит от температуры, так что небольшие колебания температуры приводят к большим изменениям коэффициента излучения.

Постоянная Стефана-Больцмана равна 5,67×10 ^–8 Вт·м ^–2 ·K ^–4, и используется символ сигма, σ.

Совет профессионала: Всякий раз, когда вы видите, что используется постоянная Стефана-Больцмана (σ), вы знаете, что было сделано предположение о черном теле.

В предыдущем разделе обсуждение было довольно техническим. Мы погрузились в кроличью нору длин волн излучения, общей излучаемой мощности на площадь и предположения о черных телах. Мы сделали это, чтобы понять основные соотношения энергетического баланса в системе Земля-Солнце. Средняя температура Солнца выше 5000 К, в то время как средняя температура Земли находится в диапазоне 210-310 К (мы обсудим это подробнее в следующей главе). Это означает, что Солнце и Земля излучают энергию совершенно по-разному.

Солнце излучает солнечное излучение, также известное как ультрафиолетовое излучение или коротковолновое излучение . Земля излучает инфракрасных лучей или длинноволновых лучей . Это следует непосредственно из спектра электромагнитной энергии и соответствующих температур Солнца и Земли. Солнце излучает излучение с более короткой длиной волны, чем Земля, потому что оно имеет более высокую температуру, а пик кривой Планка для более высоких температур приходится на более короткие длины волн. Именно по этой причине излучение Земли называют длинноволновым, а излучение Солнца – коротковолновым.

Мы узнали, что черное тело поглощает все поступающее излучение и излучает максимально возможное излучение при заданной температуре. В системе Земля-Солнце это означает, что Земля поглощает всю поступающую от Солнца радиацию и излучает максимальное количество с учетом ее температуры. На практике это немного сложнее, чем это.

Альбедо

Не все поступающее солнечное излучение поглощается Землей, потому что Земля не является абсолютно черным телом. Вместо того, чтобы поглощать все поступающее излучение, часть его отражается. Отражение относится к лучистой энергии, отражающейся от объекта. Мы можем определить альбедо (α) как отношение количества излучения, отраженного от объекта, к количеству излучения, полученного объектом.

Совет профессионала: Самый простой способ представить альбедо — это цвет объекта. Объекты белого цвета обладают высокой отражательной способностью и высоким альбедо, потому что количество отраженного света велико по сравнению с количеством падающего света. Вы узнаете это, если были на белом песчаном пляже или снежном поле и чувствовали яркость окружающей среды. Следуя той же логике, темные поверхности поглощают свет, поэтому черные, коричневые или темно-зеленые поверхности обычно имеют низкое альбедо. Вы узнаете это, если шли по черной мощеной поверхности и чувствовали разницу температур между асфальтовым покрытием и разграничением парковочных мест, окрашенных в белый цвет.

Земля имеет альбедо около 0,3 или 30%. Это среднее значение, которое учитывает регионы с высоким альбедо и высокими широтами, покрытые снегом, а также облака и океаны с гораздо более низким альбедо. Обратите внимание, что излучение, отраженное от объекта, не нагревает объект.

Поверхностный энергетический баланс

Пожалуй, наиболее важным аспектом системы Земля-Солнце, который следует учитывать, является энергетический баланс. В стационарном режиме количество поступающей энергии должно равняться количеству исходящей энергии (Чистый радиационный поток = F*=0).

Начнем с поступающего солнечного излучения. Солнечная постоянная «С» приблизительно равна 1361 Вт·м ^-2 . Это значение является приблизительной оценкой количества энергии на единицу площади, полученной Землей от Солнца, но оно не является точным. Мы называем это солнечной «константой», но иногда она может быть немного ниже или выше. Излучение, испускаемое сферическим источником, таким как солнце, уменьшается на квадрат расстояния от центра сферы. Это называется законом обратных квадратов.

Следующее уравнение является основным уравнением бюджета. Чистая радиация (F*) равна приходящей солнечной радиации (K↓), отраженной солнечной радиации (K↑), длинноволновой радиации, испускаемой Землей (I↑), и нисходящей длинноволновой радиации, испускаемой из атмосферы (I ↓), получаемых поверхностью Земли.

Часть солнечного света, достигающего поверхности Земли, отражается, в зависимости от альбедо, K↑ часто записывается следующим образом:

Это краткое введение в модель поверхностного энергетического баланса. Как вы можете себе представить, это может стать намного сложнее в зависимости от вовлеченных факторов. Это также сильно зависит от количества слоев, рассматриваемых в модели. Мы обсудим это подробнее в одной из последующих глав.

Радиационный баланс Земли, приходящая и уходящая радиация. (общественное достояние НАСА). Описание в тексте ниже.

На данный момент вы должны понимать, что входящее солнечное излучение называется коротковолновым излучением и находится в ультрафиолетовой и видимой частях электромагнитного спектра из-за температуры излучения Солнца. При взаимодействии солнечной радиации с Землей она частично поглощается земной поверхностью, а частично отражается в зависимости от альбедо поверхности. На приведенной выше диаграмме видно, что часть поступающего солнечного излучения отражается облаками, часть отражается поверхностью Земли, но большая часть поглощается поверхностью Земли или атмосферой.

Вы также должны понимать, что Земля тоже излучает радиацию. Однако он имеет меньшую интенсивность и гораздо большую длину волны, которая называется инфракрасной частью электромагнитного спектра из-за более низкой температуры излучения Земли. Радиация испускается поверхностью Земли и атмосферой. Мы подробнее остановимся на этом позже.

Pro Совет: Многие синонимы обсуждались выше. Говоря об излучении солнца, вы можете услышать следующие слова: солнечное излучение, коротковолновое излучение и ультрафиолетовое излучение. Говоря об излучении Земли, вы можете услышать следующие слова: инфракрасное излучение, длинноволновое излучение.

Средняя температура Земли остается относительно постоянной, поскольку существует баланс исходящего и входящего излучения.

Взаимодействие излучения с атмосферой

На приведенной ниже диаграмме показана спектральная интенсивность нисходящего солнечного излучения (УФ и видимое красным цветом) и восходящего теплового излучения (ИК синего цвета). На панелях под графиком спектральной интенсивности показан общий процент излучения, поглощенного и рассеянного атмосферой, в зависимости от длины волны и разделенный на основные парниковые газы в атмосфере. Парниковые газы — это газы в атмосфере Земли, которые могут поглощать и испускать излучение, прежде всего инфракрасное излучение.

Парниковый газ, который взаимодействует с излучением в наибольшем числе длин волн, представляет собой водяной пар (H ₂ O), который сильно взаимодействует с атмосферой, особенно в более длинноволновой части спектра. Другие газы, такие как углекислый газ (CO ₂), кислород (O ₂), озон (O ₃), метан (CH ₄ ) и закись азота (NO) также взаимодействуют с излучением.

Излучение, прошедшее через атмосферу, как функция длины волны. Нисходящее солнечное излучение показано слева, а восходящее тепловое излучение — справа, а процент излучения, поглощаемого и рассеиваемого атмосферой Земли, ниже. Наконец, процент поглощенной и рассеянной радиации затем делится на основные парниковые газы на панелях внизу (CC BY-SA 3.0).

На панели рисунка выше, показывающего общий процент радиации, поглощаемой атмосферой Земли, вы заметите белые пробелы. Их называют Атмосферные окна , где длина волны излучения может проходить через атмосферу без взаимодействия с парниковыми газами. Особенно примечательна видимая часть спектра электромагнитной энергии, которая может беспрепятственно проходить через атмосферу. Также следует отметить большое количество помех в инфракрасной части спектра. Атмосфера Земли практически прозрачна для коротковолнового излучения и сильно поглощает инфракрасное излучение. Это будет важно для климатических факторов, обсуждаемых в одной из последующих глав.

Открытый вопрос: Как вы думаете, почему видимый свет (пик падающей солнечной радиации) сосредоточен в атмосферном окне?

Взаимодействие атмосферных газов в атмосфере Земли является важной частью ее энергетического баланса. Парниковый эффект является результатом поглощения и испускания парниковыми газами исходящего инфракрасного излучения, исходящего от поверхности Земли. Поскольку исходящее длинноволновое излучение Земли частично поглощается атмосферой, это оказывает согревающее воздействие на поверхность Земли, делая ее теплее, чем она была бы в противном случае. Хотя у парникового эффекта плохая репутация, этот процесс фактически сделал Землю пригодной для жизни.

Изменение радиации со временем

Количество радиации, получаемой Землей от Солнца, варьируется во многих временных масштабах, от тысяч лет до одного года и ежедневных периодов времени. Они будут обсуждаться в следующих разделах.

Изменения солнечной радиации как в дневном, так и в годовом масштабе времени можно объяснить движением Земли по орбите вокруг Солнца. Эти аспекты будут более подробно обсуждаться в следующей главе, а пока давайте сделаем краткое введение. Следует учитывать три основных фактора: эксцентриситет, наклон и прецессию. Эксцентриситет — это круговая орбита планеты. Например, у окружности нулевой эксцентриситет. Наклон — это градус наклона оси вращения. Наконец, прецессия — это колебание оси вращения планеты, которое медленно очерчивает конус. Три параметра орбиты показаны на изображении ниже.

Визуальное отображение трех параметров орбиты: эксцентриситета, наклона и прецессии (общедоступное достояние НАСА).

В настоящее время Земля имеет орбитальный эксцентриситет 0,0167, наклон 23,44 градуса от вертикали и прецессию в очень длительных временных масштабах. На самом деле все эти факторы немного меняются в очень длительных масштабах времени, но пока давайте будем считать их постоянными.

Сезонные изменения

Времена года возникают из-за изменений солнечной радиации, происходящих из-за положения Земли по отношению к Солнцу. На приведенной ниже диаграмме показано положение Земли по отношению к Солнцу в течение каждого из четырех сезонов.

Схематическая диаграмма, показывающая, почему на Земле есть времена года (CC BY-SA 4.0).

Летом в каждом полушарии одно полушарие обращено к солнцу. Например, летом в Северном полушарии в июне солнце светит более прямо на северное полушарие, чем на южное полушарие. Хотя это кажется небольшим изменением, угол наклона солнца и количество поглощаемой солнечной радиации (на единицу площади) значительно различаются в течение года. Это связано с тем, что в дополнение к изменению угла Солнца положение Земли также меняет продолжительность дня в течение года. Времена года связаны с наклоном Земли. Если бы вращение Земли не было наклонным, у нее не было бы сезонных изменений.

Совет профессионала: Причина смены времен года на Земле является предметом распространенного заблуждения. Времена года на Земле обусловлены наклоном ее орбиты. Хотя верно то, что орбита Земли не является сферической и зимой в Северном полушарии она находится ближе к Солнцу, расстояние от Земли до Солнца не является причиной смены времен года.

На приведенной ниже диаграмме показан летний сезон в Южном полушарии, где наблюдается более высокая плотность падающих лучей из-за большего угла наклона Солнца. Северное полушарие переживает зиму. Когда солнечные лучи идут под углом, как в северном полушарии, такое же количество энергии распространяется на большую площадь, чем если бы солнечные лучи были перпендикулярны поверхности. Опять же, угол наклона солнечных лучей и продолжительность дня меняются из-за наклона Земли.

Распределение солнечных лучей на Земле, при этом летний сезон получает большую часть солнечной радиации (общественное достояние).

Ежедневные изменения

Ежедневные изменения также называются «суточными». Земля поглощает излучение Солнца в дневное время. Это верно только для одного места, но объясняет повышение температуры в течение дня с точечной точки зрения. Чего мы, вероятно, не испытали непосредственно, так это того, что Земля излучает инфракрасное излучение днем и ночью. Отсутствие поступающей солнечной радиации и испускание инфракрасного излучения объясняют понижение температуры ночью. Сочетание непрерывного исходящего длинноволнового радиационного охлаждения из-за радиационных выбросов Земли и дневного солнечного коротковолнового радиационного нагрева приводит к суточному циклу результирующего излучения и температуры, как показано ниже.

Количество радиационной энергии (ось ординат, в Вт·м-2) как функция времени (ось абсцисс, часы). Желтый цвет показывает чистое потепление, а синий — чистое похолодание. Температура самая низкая на восходе солнца, теплая в течение дня и достигает максимальной температуры ближе к вечеру. (Изображение создано Бриттом Зайфертом).

В этой главе мы сосредоточились на излучении: как мы можем определить и описать его с помощью длины волны и интенсивности; температуры, которым он соответствует, а также то, как он изменяется во времени. Напоминаем, что это были наши учебные цели:

Дайте определение излучению черного тела и закону Планка
Применить закон Вина для вычисления максимальной длины волны излучения
Используйте закон Стефана-Больцмана для расчета коэффициента излучения
Опишите радиационный баланс поверхности Земли, включая коротковолновую и длинноволновую составляющие
Определение и дифференциация наклона, эксцентриситета и прецессии
Опишите причину смены времен года на Земле
Опишите суточный ход радиационных потоков

В следующей главе мы познакомимся с тем, как работает это излучение и что оно означает для окружающей среды.