Радиационный теплообмен в атмосфере
Основы радиационного теплообмена
Радиационный теплообмен — это процесс передачи энергии в форме электромагнитного излучения без участия вещества как переносчика. В атмосфере он осуществляется в широком диапазоне длин волн и охватывает как солнечную (коротковолновую), так и земную (длинноволновую) радиацию. Отличительной чертой радиационного теплообмена является его возможность происходить в вакууме, что делает его ключевым механизмом передачи энергии между Солнцем, Землёй и атмосферой.
Рассмотрение теплообмена радиацией требует знания фундаментальных физических законов: закона Стефана–Больцмана, закона Кирхгофа, закона Планка, закона Бугера–Ламберта–Бера и уравнения переноса излучения.
Спектральные характеристики излучения
Каждое тело с температурой выше абсолютного нуля излучает энергию в виде электромагнитных волн. Спектральное распределение интенсивности излучения описывается законом Планка:
$$ B_{\lambda}(T) = \frac{2hc^2}{\lambda^5} \cdot \frac{1}{e^{hc / \lambda kT} - 1} $$
где:
Излучение Солнца сосредоточено в диапазоне 0,2–4 мкм, а излучение Земли — в диапазоне 4–100 мкм, что определяет классификацию на коротковолновое и длинноволновое излучение соответственно.
Закон Стефана–Больцмана и излучательная способность
Интеграция закона Планка по всем длинам волн приводит к закону Стефана–Больцмана:
E = σT4
где:
Реальные тела обладают эмиссией, меньшей, чем у абсолютно чёрного тела. Это учитывается через коэффициент излучательной способности ε:
E = εσT4
где 0 ≤ ε ≤ 1. Атмосферные газы, водяной пар, углекислый газ, озон и аэрозоли обладают различной спектральной избирательностью, что критически влияет на радиационный баланс.
Закон Кирхгофа
Закон Кирхгофа устанавливает равенство между коэффициентами поглощения и испускания при термодинамическом равновесии:
ελ = αλ
где:
Этот закон играет ключевую роль в расчетах атмосферной радиации, поскольку позволяет определять энергетические характеристики на основе измерений поглощательной способности.
Поглощение и излучение в атмосфере
Атмосфера — неравномерная, оптически неоднородная и динамически изменяющаяся среда. Поглощение и излучение зависят от содержания водяного пара, углекислого газа, озона, аэрозолей и облаков. Поглощение происходит по отдельным полосам и линиям, характерным для каждого газа, создавая спектральные окна и полосы насыщения.
Особое значение имеют:
Поглощённая энергия переходит в тепло, увеличивая внутреннюю энергию атмосферы, и может быть переизлучена в виде инфракрасного теплового излучения.
Уравнение переноса излучения
Количественное описание распространения излучения в атмосфере осуществляется с помощью уравнения радиационного переноса:
$$ \frac{dI_{\lambda}}{ds} = -\kappa_{\lambda} I_{\lambda} + j_{\lambda} $$
где:
Это уравнение выражает изменение интенсивности излучения на бесконечно малом отрезке пути вследствие поглощения и собственного излучения среды. При необходимости учитываются также рассеяние и отражение.
Энергетический баланс атмосферы
Радиационный теплообмен — ключевой компонент энергетического баланса атмосферы. Он взаимодействует с другими видами теплообмена: конвекцией и теплопроводностью, но в атмосфере именно радиация играет главную роль в глобальном перераспределении энергии.
Пример глобального баланса:
Поглощённая солнечная энергия переизлучается в ИК-диапазоне, и часть её задерживается атмосферой за счёт парникового эффекта, вызываемого обратным поглощением и переизлучением длинноволнового излучения.
Вертикальное распределение радиационного обмена
В верхней атмосфере (стратосфера, мезосфера) радиационный теплообмен происходит преимущественно с космосом и характеризуется небольшим числом участвующих компонентов (CO₂, O₃). В нижней атмосфере (тропосфера) картина усложняется за счёт облаков, аэрозолей, водяного пара. Вертикальные профили температуры и влажности формируют условия для эффективного обмена между слоями, в том числе с участием радиации.
Разность в радиационном охлаждении и нагревании по вертикали приводит к формированию устойчивых и неустойчивых стратификаций, что определяет динамическое состояние атмосферы — конвекцию, турбулентность, образование облаков.
Роль облаков в радиационном теплообмене
Облака — мощный фактор, влияющий на радиационный режим атмосферы. Они одновременно:
Высокие перистые облака (циррусы) в большей степени участвуют в парниковом эффекте, а низкие слоистые облака отражают значительную часть солнечной энергии.
Моделирование радиационного теплообмена
Современные численные модели атмосферы используют параметризации радиационного переноса для учета энергетического баланса на глобальном и локальном уровнях. Применяются методы:
Вычисления учитывают сотни тысяч спектральных линий, влияние давления, температуры, ширины линий, непрерывного поглощения и рассеяния. Модели радиационного обмена критичны для прогноза погоды, оценки климатических изменений и диагностики состояния атмосферы.
Переход к стационарному режиму
Радиативные процессы обладают значительной временной инерционностью. Выход атмосферы на радиационно-термическое равновесие занимает от часов (при изменении освещения в суточном цикле) до десятилетий и веков (при климатических изменениях). Это связано с накоплением и перераспределением энергии в океане, ледниках и биосфере.
Радиационный теплообмен и климат
Изменение состава атмосферы, особенно увеличение содержания CO₂, CH₄, N₂O и других парниковых газов, нарушает баланс радиационного теплообмена, приводя к потеплению нижних слоёв атмосферы. Точные оценки радиационных форсингов и их вклада в климатические тренды возможны только при учёте детализированного радиационного обмена между атмосферными слоями, поверхностью и космосом.