Файл: Лушев, Ю. Г. Физика верхней атмосферы Земли учебник.pdf

где 6 — зенитный угол, т — масса поглощающего газа во всем столбе атмосферы единичного сечения с осью, направленной под углом 6 к вертикали в точке определения, h — высота излучаю­ щей атмосферы (принимается 40—60 км), ц — переменная ин­ тегрирования.

Для спектрального интервала АХ путем интегрирования урав­ нения (5.3) можно получить формулу

и температуры, то принимается некоторое его значение, соответ­ ствующее стандартным давлению и температуре, но вносится по­ правка в определение массы т. Вместо истинной массы погло­ щающего газа рассчитывается так называемая эффективная мас­ са по формуле

т

0

Коэффициент поглощения а от температуры зависит очень слабо, поэтому принимают во внимание только его зависимость от давления, которая записывается в виде

J L = (JL .Y

ао { Ро ) ’

где р и ро — соответственно реальное и стандартное давления, п — некоторый параметр, который для областей поглощения во­ дяным паром принимается равным 0,8 или 1, а в полосе поглоще­ ния озона 9,6 мкм п = 0,2.

На основе формулы (5.4) К. Я- Кондратьевым и К- Е. Якушевской рассчитаны угловые распределения потоков уходящей ра­ диации в различных спектральных интервалах, соответствующих полосам поглощения водяного пара, углекислого газа и озона. Потоки рассчитаны для высоты 300 км при безоблачном небе и наличии сплошной облачности с высотой верхней кромки 3 и 9 км.

Результаты расчетов приведены на рис. 3.4. Рисунок дает распределение отношения у(/(0) в зависимости от 0. Из рис. 3.4,а

следует, что в большинстве спектральных интервалов интенсив­ ность излучения плавно убывает с увеличением зенитного угла 9

70

вплоть до значения Ькр = 72°45'; Ькр соответствует углу визи­ рования, под которым с высоты 300 км виден земной диск. Это уменьшение интенсивности с увеличением 9 называют инфра­ красным потемнением к краю диска Земли. Однако для участков сильного поглощения (кривые 6 и 7 на рис. 3.4,а) вблизи 9кр наблюдается некоторое увеличение интенсивности, т. е. инфра­ красное посветление к краю диска. В спектральных участках сла­ бого поглощения уменьшение интенсивности с увеличением 0 происходит медленнее, чем для участков сильного поглощения.

Инфракрасное посветление к краю диска Земли для участков

случае луч проходит, не касаясь земной поверхности, т. е. здесь уходящая радиация состоит только лишь из излучения атмосфе­ ры. Как показывает рис. 3.4,6, при 9>0Л/, происходит резкое убы­ вание интенсивности с увеличением 6. Лишь в полосе поглоще­ ния озона 9,6 мкм и СОг 15 мкм это убывание сменяется некото­ рым повышением за счет излучения стратосферы.

При наличии неполной облачности закономерности изменения U (9) могут быть резко нарушены; образуются резкие максиму­ мы и минимумы, что может полностью замаскировать явление инфракрасного потемнения или посветления к краю Земли. Как показали исследования, проведенные К- Я. Кондратьевым и К- Е. Якушевской, такая маскировка возможна особенно в участ­ ках слабого поглощения, в частности в атмосферном окне 8—12 мкм и в близкой инфракрасной области.

В связи с горизонтальными неоднородностями в распределе­ нии температуры, влажности и особенно облачности может на­ блюдаться зависимость интенсивности уходящего излучения от азимута. Соответствующие расчеты, проведенные Д. Лондоном, а также К- Я. Кондратьевым и К. Е. Якушевской, показывают некоторые различия в величине потоков, направленных с севера и юга. Однако это различие невелико и становится заметным лишь при 9 > 9лр. Некоторое влияние на точность расчетов мо­ жет оказать и допущение об изотропности излучения подстилаю­ щей поверхности.

Спектральное распределение уходящей радиации показано на рис. 3.5. Характерной особенностью спектрального распределения при ясном небе является наличие частного минимума в полосе поглощения озона 9,6 мкм. Этот минимум углубляется с ростом

71

Рис. 3.5. Распределение энергии в спектре уходящей радиации при ясном небе (по расчетам К- Е. Якушевской):

а) 0 = 0; б) 6 = 72°45'; в) 0 = 73°0Г

74

имеет место в интервале 2,5—8 мкм и регистрируется в части атмосферы, освещенной Солнцем; оно возрастает в периоды мак-

мк6т/смг- стер-мнм

Рис. 3.8. Рассчитанные (1) и измеренные (2) спектры уходящего излучения по данным спутника ВВС США

симальной солнечной активности. Механизм возникновения этого излучения пока неясен.

Распределение потоков уходящей коротковолновой радиации

Уходящая коротковолновая радиация составляется из пото­ ков радиации, отраженной земной поверхностью и облаками, а также рассеянной атмосферой.

Перенос коротковолновой радиации в атмосфере происходит под влиянием трех основных факторов: 1) молекулярного рас­ сеяния, наиболее интенсивного в области ультрафиолетовой ра­ диации; 2) аэрозольного рассеяния (частицами пыли, зоды, льда и т. д.); 3) избирательного поглощения в близкой инфракрасной части спектра.

Теоретический расчет потоков уходящей коротковолновой ра­ диации с учетом всех факторов довольно сложен и может быть проведен лишь для отдельных упрощенных моделей атмосферы. На рис. 3.9 изображено угловое распределение интенсивности уходящей коротковолновой радиации для релеевской атмосферы (т. е. когда наблюдается одно молекулярное . рассеяние) при альбедо поверхности А — 0 и cos zs— 4,40, где zs — зенитное рас­ стояние Солнца. Различные кривые соответствуют разным опти­ ческим толщинам т. Из рисунка видно, что интенсивности уходя­ щей радиации возрастают по направлению к горизонту; это

75

объясняется увеличением атмосферной массы. С увеличением оп­ тической толщины интенсивность радиации также увеличивается.

Альбедо земной поверхности оказывает существенное влия­ ние на потоки уходящей радиации, что видно из рис. 3.10. При больших значениях альбедо происходит не увеличение, а умень-

Рис. 3.9. Угловое распределение интенсивности ухо­ дящего излучения коротковолновой радиации для релеевской атмосферы в плоскости вертикали Солнца при Л = 0

шение интенсивности уходящей радиации по направлению к го- t ризонту. Здесь сказывается сильное влияние отраженного излу­ чения, которое сильнее ослабляется при больших зенитных углах.

Азимутальная зависимость уходящей радиации определяется в основном индикатрисой рассеяния. Максимум излучения сме­ щен от антисолярной точки в сторону горизонта. В дальнейшем

76