Количественная оценка лучистого теплообмена

Выше отмечалось, что природа лучистого теплообмена магнитоэлектрическая. Количество энергии излучения зависит от температуры излучающего тела. Каждое тело способно не только излучать, но и отражать, поглощать и пропускать через себя падающие на него тепловые лучи от другого тела.

Рассмотрим лучистый теплообмен в системе Солнце — Земля. Энергия (солнечная радиация), обусловленная температурой Солнца, проходя атмосферу Земли, частично поглощается содержащимися в ней водяными парами и атмосферными газами, а частично ими и взвешенными в воздухе коллоидными частицами рассеивается. В результате указанных процессов дошедшая до Земли так называемая прямая солнечная радиация (Q _п.р) как количественно, так и качественно отличается от солнечной радиации на верхней границе атмосферы. Количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли, зависит от географической широты и изменяется в связи с изменением астрономических и метеорологических условий.

Та часть солнечной радиации, которая рассеивается в атмосфере, также частично достигает поверхности Земли в виде так называемой рассеянной радиации (q _р.р). По отношению к прямой радиации она может составлять в облачную погоду до 60 % и более. Сумму прямой и рассеянной радиации принято называть суммарной солнечной радиацией. Различают суммарную радиацию при безоблачном небе (I ₀) и при наличии облаков (I ₁).

Количество суммарной солнечной радиации при безоблачном небе I ₀=(Q _п.р+ q _р.р)₀ находят по таблицам, или оно может быть вычислено по формулам, например по формуле М. Е. Берлянда.

При наличии облаков суммарная солнечная радиация определяется по формуле:

I ₁ = I ₀ [1 - (a ₁- b ₁ n ₀) n ₀], (3.19)

где n ₀ – общая облачность в долях единицы; b ₁ = 0, 38; a ₁ - коэффициент, зависящий от широты, определяется по таблице.

Отражение лучистой энергии. Достигнув земной поверхности, солнечная радиация частично поглощается ею, повышая температуру этой поверхности, а частично отражается в атмосферу. Отражение лучистой энергии поверхностью тела может быть зеркальным, диффузным и общим. При зеркальном (направленном) отражении угол падения луча на отражающую поверхность равен углу отражения. Этот вид отражения свойствен поверхностям, неровности которых малы по сравнению с длиной волны падающей радиации.

Для характеристики отражательной способности поверхности почвы, воды, снега, льда и т. д. при зеркальном отражении лучистой энергии в гидрометеорологии используют коэффициент отражения r, а при диффузном — коэффициент A — альбедо.

Альбедо — это отношение интенсивности радиации, отраженной данной поверхностью, к интенсивности радиации (прямой и рассеянной), падающей на нее, в процентах или в долях единицы.

В настоящее время рассчитаны таблицы значений альбедо для различных поверхностей в зависимости от географической широты ее месторасположения и высоты стояния Солнца. Зная альбедо поверхности, можно рассчитать суммарную радиацию, проникающую в среду:

I = (1 - A) I ₀ [1 - (a ₁- b ₁ n ₀) n ₀]. (3.20)

Альбедо зависит также и от характеристики поверхности.

Поглощение и пропускание лучистой энергии. Часть лучистой энергии от внешнего источника излучения проникает внутрь тела, представляющего собой прозрачную или полупрозрачную среду для тепловых лучей. В первом случае среда характеризуется коэффициентом пропускания d, а во втором — коэффициентом поглощения а. При прохождении лучистой энергии через полупрозрачную среду (вода, снег, лед и т. д.) она частично поглощается, частично рассеивается, а часть ее, в зависимости от толщины слоя среды, может пройти сквозь толщу и поглотиться подстилающей поверхностью. Поглощение, рассеивание и пропускание среды зависит от физической природы и формы тела, а также от длины волны излучения.

Результаты наблюдений за проникающей радиацией, выполненных на различных водных объектах РФ, приведены на рис.3.3. Из рисунка видно, что убывание радиации с глубиной в озере Красавица и Цимлянском водохранилище происходит очень быстро. На глубине 1 м радиация составляет всего лишь сотые доли падающей на водную поверхность. В озере Севан и Черном море радиация проникает глубже, что объясняется повышенной прозрачностью этих водоемов.

Лучистая энергия Солнца, проникающая во встреченную ею среду (земную поверхность), повышает ее температуру. Земная поверхность, в свою очередь, излучает теплоту. Разность между собственным излучением земной поверхности и поглощаемым ею встречным излучением атмосферы называют эффективным излучением земной поверхности — I _эф. Эффективное излучение зависит от температуры излучающей поверхности и воздуха, а также от влажности и стратификации в приземном слое атмосферы.

Рис. 3.3. Зависимость отношения I_z / I от глубины z для различных водоемов [8]

1 — оз. Красавица, 2 — Цимлянское водохранилище, 3 — прибрежный район Черного моря, 4 — оз. Севан.

Разность между поглощенной суммарной радиацией и эффективным излучением земной поверхности называют радиационным балансом земной поверхности и записывают в следующем виде:

Q_R = I - I _эф (3.21а)

или

Q_R = (1 - A) (Q _п.р + q _р.р) - I _эф, (3.21в)

где (Q _п.р + q _р.р) и I _эф — суммарная солнечная радиация и эффективное излучение при облачности.