• Стандарт VXI
• Техника
• Программы
• Применение
• Библиотека

Теплообмен в атмосфере и на поверхности земли при солнечном излучении

Теплотехника. Под ред. Луканина В.Н.

Солнечное излучение представляет собой колоссальный источник энергии с плотностью порядка 7,4×10¹¹Вт/м². Солнце можно представить в виде абсолютно черного круглого диска, излучающего при температуре ~6000К. Максимальная интенсивность солнечного излучения соответствует, согласно закону Вина, длине волны l_max=2.9/6000»0.5мкм и равна E_max»2908Вт/(м²×м). Солнечное излечение распределяется примерно поровну на видимую часть спектра (l=0,4…0,8мкм) и инфракрасную (l»0,4…3,0мкм). Поэтому излучение Солнца называют коротковолновым. Количество солнечной энергии, падающей в единицу времени на единицу нормальной к лучам поверхности (находящейся за пределами атмосферы), называют солнечной постоянной Сs. Значение последней зависит от расстояния между Землей и Солнцем и составляет 1280…1368 (в среднем 1325) Вт/м².

Количество поступающей радиации переменно и зависит от географической широты местности, времен года, состояния атмосферы, закрытости горизонта, особенностей рельефа и т.п. (табл. 8)

Таблица 8. Радиационное облучение горизонтальной поверхности, % от максимального в зависимости от географической широты

Месяцы	Широта
	45°с.ш.	60°с.ш.	70°с.ш.
I	43	8	–
II	56	23	20
III	70	41	35
IV	84	55	48
V	91	72	65
VI	94	81	70
VII	93	87	76
VIII	87	79	56
IX	76	67	40
X	62	50	21
XI	47	31	10
XII	40	18	–

До поверхности Земли доходит значительно меньше энергии, так как часть ее поглощается атмосферой (главным образом озоном и водяными парами), часть не попадает на землю вследствие преломления в воздухе и отражению от облаков. В среднем из 100% солнечного излучения поглощается поверхностью земли ~43%, отражается от поверхности или в атмосфере ~42%; поглощается атмосферой ~15%.

На характеристики прямого или отраженного солнечного излучения влияют находящиеся в атмосфере аэрозольные частицы: минеральная пыль, зола, сажевые частицы и капли серной кислоты и др.

Плотность теплового потока, Вт/м², из атмосферы к поверхности земли q_sa может быть приблизительно оценена по соотношению:

где C₀ – коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела; T_a – температура атмосферы, К; Р_п – парциальное давление паров воды при относительной влажности воздуха j=0,71, мбар.

Так, при температуре атмосферы T_a=288К, давление насыщенных паров воды Р_s=0,01227бар, парциальное давление паров воды P_п при j=0,71 Р_п=8,71×10^-3бар=8,71 мбар и плотность теплового потока из атмосферы к поверхности земли равна:

Поглощательная способность поверхности зависит от спектра падающего на нее излучения. Поэтому способность тел поглощать солнечное излучение может отличаться от поглощательной способности для инфракрасного теплового излучения (степени чистоты поверхности), например, для полированной меди поглощательная способность солнечного излучения А_s=0,26, а для обычного излучения å=0.023. Белая краска имеет А_s=0,12–0,26, тогда как для длинноволнового инфракрасного излучения å>0.9.

Для защиты тела от солнечного излучения надо покрывать поверхность белым неметаллическим материалом с малыми значениями А_s (например, белой краской). Для максимального поглощения солнечного излучения поверхность должна иметь большое значение А_s, но степень черноты тела должна быть минимальной, чтобы уменьшить потери теплоты из-за собственного излучения поверхности в длинноволновом (тепловом) диапазоне.

Плотность излучения поверхности Земли складывается из собственного излучения Земли (~8%) и отраженного солнечного излучения поверхности (~3%) и облаками (~27%). Общее излучение Земли и атмосферы, отнесенное к единице поверхности Земли ~209Вт/м².

Отражательная способность поверхности может меняться в широком диапазоне в зависимости от вида покрытия (табл. 9).

Таблица 9. Отражательная способность поверхности

Поверхность	Коэффициент отражения		Поверхность	Коэффициент отражения
Асфальтобетонное покрытие	4,4…4,5		Скальные породы	6,5…10,2
Цементобетонное покрытие	3,4…5,8		Травяной покров - светло-зеленый - темно-зеленый	25 20
Почва оголенная - темная сухая - влажная - свежевспаханная - светлая	15 10 5 35		Кустарник (заросли) - лиственный - еловый	10 20 10…15
Песок кварцевый - сухой - влажный	8,6 6,4		Снег в зависимости от загрязненности и наличия воды	8,5…40

Если отражательная способность примыкающих к дороге участков больше, чем у дорожного покрытия, возникает горизонтальный поток теплоты и влаги (адвекация), направленный к этому покрытию. Так, травяная растительность, характерная для примыкающих к дороге участков, отражает на 20…30% больше, чем обычные дорожные бетоны, а снежный покров на 60…80% при свежевыпавшем снеге и на 40…50% при средней его загрязненности. Адвекация будет охлаждать поверхность дорожного покрытия и дополнительно увлажнять воздух над ним, что ведет к созданию определенного микроклимата в зависимости от рельефа местности, наличия водоемов, отражательной способности различных участков поверхности и типа дорожных покрытий.

Наличие в городах асфальтированных территорий большой площади и загазованности городской атмосферы ведет к увеличению тепловых потоков у поверхности и образованию «островов тепла». В результате температура поверхностного слоя воздуха оказывается выше в городе, чем в сельской местности на величину Dt_г, которую рекомендуют оценивать по приближенному соотношению:

где N_г– численность городского населения. Так, в городе с населением 10млн. чел. Dt_г=2,25°С.

Радиационный теплообмен Солнца с поверхностью и атмосферой Земли зависит в равной степени как от естественных (природных), так и антропогенных (связанных с жизнедеятельностью человека) факторов. Так, к антропогенным факторам относится увеличение в атмосфере концентрации «парниковых» газов (углекислого газа СО₂, метана СН₄, закиси азота N₂О, хлорофторсодержащих углеводородов и др.) и увеличение в тропосфере (нижних слоях атмосферы) концентрации сульфатного аэрозоля за счет выбросов серы. В первом случае тепловой поток у поверхности увеличивается, что способствует усилению «парникового эффекта):

где С_с, С_ос – концентрация углерода в текущий период и период, принятый за начальный.

Так, по опубликованным данным изменение концентрации СО₂ в атмосфере с 1950 по 1990 гг. изменилось с 310 до 350 чнм. Тогда изменение теплового потока будет:

Во втором случае тепловой поток к поверхности уменьшается на величину Dq_s, Вт/м², за счет увеличения отражательной способности тропосферы:

где М_s – выбросы серы, Мт/год.

Так, при выбросе серы М_s=83Мт/год (примерно соответствует уровню 1990г) Dq_s=0,75Вт/м².

К естественным факторам относятся солнечная активность (по прогнозам после 2000г ожидается ее снижение и наступление к концу XXI в. минимума солнечного излучения), выбросы серосодержащих газов в атмосферу в результате вулканической деятельности (в XXIв. прогнозируется ее возрастание), температурные аномалии в системе «атмосфера – океан» в результате автоколебаний давлений над Индийским и Тихим океанами и периодического перераспределения воздушных масс в Южном полушарии (Южное колебание Эль-Ниньо) приведут к росту тепловых потоков у поверхности.

В результате взаимодействия природных и антропогенных факторов формируется сложная тенденция изменения температуры и тепловых потоков у поверхности и в атмосфере Земли, что вызывает в течение последнего времени эффект потепления.