Загальне землезнавство - Олійник Я.Б. - 6.3. Радіація в атмосфері

Радіація в атмосфері — це електромагнітне випромінювання Сонця, яке поширюється зі швидкістю 300 000 км/с. її складовими є видиме світло і невидимі оком гамма-промені, рентгенівські, ультрафіолетові, інфрачервоні промені, радіохвилі. Сонце є для Землі основним джерелом тепла і світла.

Променева енергія Сонця перетворюється в тепло частково у самій атмосфері, але головним чином на земній поверхні. Вона нагріває верхні шари ґрунту і води, а від них і повітря. Нагріта земна поверхня і нагріта атмосфера самі випромінюють невидиму інфрачервону радіацію в космічний простір і охолоджуються.

Випромінювання Сонця, яке отримує поверхня Землі, може бути поділене на пряме, розсіяне і поглинуте. Це пов'язано з його змінами при проходженні через атмосферу.

Пряме сонячне випромінювання приходить до земної поверхні безпосередньо від сонячного диску у вигляді пучка паралельних променів. Притік прямого випромінювання характеризується інтенсивністю — кількістю променевої енергії, що надходить на поверхню, перпендикулярну до сонячних променів. Інтенсивність потоку сонячного випромінювання на верхній межі атмосфери при середній віддалі Землі від Сонця називається сонячною постійною. За останніми даними вона дорівнює 1,353 кВт/м².

У середньому на кожний квадратний кілометр земної поверхні припадає за рік 4,27·10¹⁶ Дж сонячного випромінювання.

Щоб одержати таку кількість тепла штучно, треба було б спалити більше 400 тис. т кам'яного вугілля. За рік земна поверхня отримує від Сонця майже в 250 разів більше енергії, ніж її виробляють всі електростанції світу. При цьому сонячне випромінювання, що досягає Землі, становить менше двох мільярдних відсотка всього випромінювання Сонця. Наскільки значна ця кількість енергії розуміємо, коли стаємо свідками стрімкого танення снігу в теплий день, швидкого випаровування вологи після дощу, сили вітру під час бурі або шаленості морського шторму. Всі ці процеси відбуваються під впливом Сонця.

На шляху до Землі невелика частина сонячного випромінювання поглинається атмосферою. Поглинання це носить вибірковий характер, бо різні гази поглинають випромінювання неоднаково. Азот і кисень поглинають тільки ультрафіолетові хвилі. Більш сильним поглиначем є озон. Інтенсивно поглинає випромінювання в інфрачервоній області вуглекислий газ. Основним же поглиначем в атмосфері є водяна пара, зосереджена головним чином у нижній частині тропосфери. Сонячне випромінювання поглинають також хмари й атмосферні домішки. Завдяки явищам поглинання середня температура повітря становить +14 °С, тоді як у разі відсутності атмосфери вона дорівнювала 6-22 °С. А це значить, що Земля перетворилася б у мертву льодово-кам'яну пустелю.

В цілому в атмосфері поглинається 15—20 % сонячного випромінювання. Поглинання змінюється у часі залежно від вмісту в повітрі поглинутих субстанцій (перш за все водяної пари і пилу), а також від висоти Сонця над горизонтом, бо при цьому змінюється товщина повітря, через яку проходять промені.

Близько 25 % загального потоку сонячного випромінювання при проходженні через атмосферу перетворюються в розсіяне в результаті його розсіювання молекулами газів і частинками аерозольних домішок. Частина розсіяного випромінювання поглинається і тому йде на нагрівання атмосфери, частина — досягає земної поверхні, частина — повертається до міжпланетного простору.

З розсіяним випромінюванням пов'язані деякі характерні особливості атмосфери: блакитний колір неба, розсіяне світло вдень, ранкові і вечірні сутінки. Відносне значення розсіяного випромінювання зростає зі зменшенням ролі прямого. У помірних широтах влітку розсіяне випромінювання становить 41 %, взимку досягає 73 %. У полярних широтах основне значення має розсіяне випромінювання, а в тропічних — пряме.

Складний шлях надходження і витрат радіаційного тепла земною поверхнею виражається радіаційним балансом — різницею між поглинутим і ефективним випромінюванням. Під останнім розуміють різницю між власним випромінюванням земної поверхні і зустрічним випромінюванням атмосфери.

Радіаційний баланс земної поверхні є від'ємним вночі і позитивним вдень. Річний радіаційний баланс позитивний для більшості місцевостей планети, за винятком льодових поверхонь Гренландії та Антарктиди.

Найбільше тепла отримують моря і океани у тропічних широтах — від 100 до 140 ккал/см²/рік. У тих самих широтах на суші радіаційний баланс становить 60 ккал/см²/рік. Причина цієї різниці полягає в різній величині альбедо: піски пустель відбивають близько 35 %, а вода в середині дня тільки 2 % тепла. При цьому значно сильніше нагрівається поверхня суші, бо тепло, яке поглинається океанами і морями, витрачається переважно на випаровування води.

Виходи гірських порід поглинають і випромінюють тепло швидше, ніж площі, зайняті ґрунтами і рослинністю або снігом і льодом. Гірські вершини, над якими повітря більш розріджене, швидко нагріваються вдень і так само швидко охолоджуються вночі. Хмарний покрив не пропускає випромінювання зверху і одночасно втримує тепло, яке йде знизу. Тому сильні морози бувають здебільшого в ясні тихі ночі.