Понятие альбедо и его физическая природа
Альбедо — это безразмерная величина, характеризующая отражательную способность поверхности или системы, выраженная как отношение отражённого излучения к падающему. В контексте атмосферы и климатических процессов альбедо играет ключевую роль в формировании радиационного баланса Земли и модулирует величину поглощаемой солнечной энергии.
Альбедо обозначается символом A или α и изменяется в пределах от 0 до 1 (или от 0% до 100%), где 0 соответствует абсолютно чёрному телу, поглощающему всё падающее излучение, а 1 — идеально белой поверхности, отражающей всё излучение. Величина альбедо зависит от множества факторов: угла падения солнечных лучей, спектрального состава излучения, свойств материала поверхности и состояния атмосферы.
Альбедо поверхности Земли
Альбедо различных природных и антропогенных поверхностей существенно различается. Например:
Таким образом, альбедо сильно варьирует как в пространстве, так и во времени. Наиболее высокое альбедо наблюдается у снежного покрова, особенно при низком положении солнца. В противоположность этому, лесные массивы и водные поверхности характеризуются низким альбедо.
Угловая зависимость альбедо
Альбедо является не только функцией свойств поверхности, но и угла падения солнечных лучей. Например, поверхность воды при высоком положении Солнца поглощает большую часть излучения (альбедо около 0,03–0,05), но при низком положении Солнца отражение резко возрастает, достигая 0,50 и выше. Это связано с законами геометрической оптики и спецификой отражения от гладкой поверхности: при малых углах падения возрастает доля зеркального отражения.
Спектральное альбедо
Поскольку отражательная способность зависит от длины волны, различают интегральное (суммарное) альбедо и спектральное альбедо. Поверхности по-разному отражают коротковолновое (видимое и ультрафиолетовое) и длинноволновое (инфракрасное) излучение. Например, свежий снег обладает высоким спектральным альбедо в видимом диапазоне, но может быть относительно тёплым, поскольку поглощает значительную часть инфракрасного излучения.
Альбедо атмосферы
Атмосферное альбедо — это доля солнечного излучения, отражённого атмосферой обратно в космос без достижения земной поверхности. Оно складывается из следующих компонентов:
Среднее глобальное альбедо атмосферы составляет около 0,23–0,25, из которых основная доля приходится на облака (примерно 0,20), и около 0,03 приходится на рассеяние в молекулярной и аэрозольной составляющих.
Общее планетарное альбедо
Планетарное альбедо Земли — это интегральная характеристика, определяющая долю отражённого солнечного излучения всей системой Земля–атмосфера. Его среднее значение составляет около 0,30 (или 30%), что означает, что примерно треть солнечной энергии отражается обратно в космос, а две трети — поглощаются системой, участвуя в тепловом и климатическом регулировании.
Изменения планетарного альбедо оказывают сильное влияние на климат. Повышение альбедо ведёт к снижению поглощаемой энергии и охлаждению системы (например, в случае обширного оледенения), тогда как уменьшение альбедо (например, вследствие таяния льдов) приводит к усилению поглощения и, соответственно, потеплению — механизм положительной обратной связи.
Влияние облачности на альбедо
Облачность — один из наиболее мощных регуляторов альбедо. Высокие, перистые облака имеют низкое альбедо (около 0,2–0,3), в то время как мощные кучево-дождевые облака могут отражать до 90% солнечного излучения. Тип, структура, вертикальная протяжённость, водность и микрофизика облаков определяют их отражательные свойства.
При этом облака одновременно поглощают и излучают в инфракрасном диапазоне, что делает их вклад в радиационный баланс двойственным: они повышают альбедо (охлаждающий эффект) и одновременно увеличивают парниковый эффект (нагревающий вклад).
Альбедо и обратные связи в климатической системе
Изменения альбедо могут инициировать и поддерживать климатические изменения. Например, при потеплении происходит таяние снежного покрова и морского льда, что снижает альбедо, увеличивает поглощение солнечного излучения и, тем самым, ещё больше усиливает потепление — положительная обратная связь.
Такие механизмы лежат в основе полярного усиления, при котором Арктика и Антарктика нагреваются быстрее остальных регионов планеты. Точно так же изменение растительности (например, вследствие обезлесения или опустынивания) изменяет альбедо и локальный радиационный режим.
Измерение альбедо
Измерение альбедо осуществляется как с поверхности, так и с использованием спутниковых методов. Наземные измерения используют радиометры и альбедометры, которые регистрируют восходящий и нисходящий поток излучения. Спутниковые сенсоры, такие как MODIS, CERES, AVHRR, позволяют получать глобальные карты альбедо с высокой пространственной и временной разрешающей способностью.
Точность измерений зависит от корректного учёта угловой зависимости отражения, атмосферных условий, угла наблюдения и других факторов. Для описания отражения используется не только альбедо, но и более детализированные характеристики, такие как фазовая функция рассеяния и двунаправленная функция отражения (BRDF).
Специфика альбедо в разных географических условиях
Антропогенное влияние на альбедо
Человеческая деятельность значительно влияет на альбедо через:
Эти изменения могут как снижать, так и повышать альбедо, в зависимости от локальных условий и характера вмешательства.
Роль альбедо в моделировании климата
Альбедо является критическим параметром в численных моделях общего циркуляции атмосферы и климатических системах. Небольшие ошибки в его определении могут приводить к значительным отклонениям в прогнозах температур, осадков и радиационного баланса.
Моделирование требует учёта как пространственного распределения альбедо, так и его сезонных и межгодовых изменений. Современные модели всё чаще используют динамически изменяющееся альбедо, связанное с модулями растительности, снега и льда, а также воздействием аэрозолей и облаков.
Ключевые выводы по теме альбедо