🗊Презентация Инструментальные методы ландшафтных исследований

Измерение параметров радиационного режима атмосферы, земной поверхности и объектов окружающей среды Солнечная радиация Единицы измерения потока радиации Спектральный состав солнечной радиации Ослабление солнечной радиации в атмосфере Метеорологические методы и приборы измерения солнечной радиации Измерение освещенности, спектра излучения, цветности, спектральной температуры

Солнечная радиация - прежде всего электромагнитное излучение Солнечная радиация - прежде всего электромагнитное излучение Электромагнитная составляющая солнечной радиации распространяется со скоростью света и проникает в земную атмосферу. Земля получает от Солнца менее одной двухмиллиардной его излучения энергетический вклад корпускулярной составляющей солнечной радиации в её общую интенсивность невелик по сравнению с электромагнитной (это протоны, движущихся со скоростями 300—1500 км/с, так называемый «Солнечный ветер»), однако ее экологическая роль может быть ощутимой Солнечная радиация — главный источник энергии для всех физических процессов, происходящих на земной поверхности, в ландшафтах и в атмосфере. Без солнечной радиации невозможен фотосинтез Поэтому лучистую энергию Солнца, поступающую в атмосферу и на поверхность Земли, изучают не только метеорологи.

Единицы измерения радиации: (Вт/м2) Единица поверхностной плотности потока радиации (интенсивности радиации) в Международной системе единиц (СИ)- это поверхностная плотность потока радиации, при которой через поверхность площадью 1 м2 проходит поток излучения, равный 1 Вт. Т.е. за время 1 секунду переносится через эту поверхность энергия, равная 1 Дж. Применяется также к потокам тепла и звуковой энергии.

Солнечная постоянная - это интенсивность солнечного излучения, приходящего на верхнюю границу атмосферы. По данным прямых измерений (в т. ч. с космических аппаратов) солнечная постоянная составляет 1367 Вт/м², или 1,959 кал / (см² *мин) Солнечная постоянная не является неизменной во времени величиной, известно, что на её величину влияет солнечная активность за счет изменения числа и суммарной площади солнечных пятен. Прямые измерения солнечной постоянной показали, что её изменения на протяжении 11-летнтего цикла солнечной активности, не превышают ~ 10−3.

Спектральный диапазон электромагнитного излучения Солнца В зависимости от длины электромагнитных волн спектр солнечной радиации делиться на три области: УФР с длиной волны от 0,01 до 0,39 мкм Видимая часть спектра - от 0, 391 до 0,76 мкм ИКР – от 0,761 до 3000 мкм 1 микрометр (мкм, μm) =10-6 м = 1000 нанометров (нм, nm) Рентгеновское излучение с длиной волн от 0, 00001 до 0, 01 мкм Радиоволны - от 3 мм до километров Максимум интенсивности приходится на видимую (жёлто-зелёную) часть спектра.

Максимум интенсивности приходится на видимую (жёлто-зелёную) часть спектра. Максимум интенсивности приходится на видимую (жёлто-зелёную) часть спектра.

Лучи с длиной волны менее 0,29 мкм (ультрафиолетовая часть спектра) до земной поверхности не доходят, т.к поглощаются озоновым слоем в верхних слоях атмосферы. Лучи с длиной волны менее 0,29 мкм (ультрафиолетовая часть спектра) до земной поверхности не доходят, т.к поглощаются озоновым слоем в верхних слоях атмосферы.

В атмосфере солнечная радиация поглощается: водяным паром, углекислым газом, озоном, аэрозолями – 15-20% от приходящей на верхнюю границу атмосферы.

В метеорологии выделяют коротковолновую и длинноволновую радиацию Коротковолновая радиация - от 0,1 до 4 мкм: включает видимый свет, ближняя УФР и ближняя ИКР. Солнечная радиация на 99% является коротковолновой радиацией. длинноволновая радиация – от 4 до 120 мкм.

К земной поверхности солнечная радиация доходит в виде прямой и рассеянной радиации Суммарная радиация Совокупность прямой S′ и рассеянной солнечной радиации D, поступающей в естественных условиях на горизонтальную земную поверхность. Q = S′ + D где S′ — интенсивность прямой радиации на горизонтальную поверхность, D — интенсивность рассеянной радиации.

Прямая солнечная радиация единица площади, расположенной перпендикулярно к солнечным лучам, получит максимально возможное количество радиации. На единицу горизонтальной площади придется меньшее количество лучистой энергии на горизонтальную площадку s' приходится количество радиации I's', равное количеству радиации Is, приходящему на перпендикулярную к лучам площадку s: Но площадь s относится к площади s', как АВ к АС, s=s′sinh; отсюда I' = I только тогда, когда Солнце в зените, а во всех остальных случаях I' меньше I. Приток прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность называют инсоляцией.

Рассеяние солнечной радиации: Рассеяние радиации происходит молекулами атмосферных газов и аэрозольными частицами. При рассеянии солнечная радиация не поглощается воздухом и аэрозолями и не переходит в тепловую энергию, но она отклоняется от прямолинейного пути и рассеивается во все стороны. Около 25% энергии общего потока солнечной радиации превращается в атмосфере в рассеянную радиацию. Значительная доля рассеянной радиации (60%) приходит к земной поверхности со всего небесного свода - это особый вид радиации, существенно отличный от прямой радиации.

При безоблачном небе суммарная радиация имеет суточный ход с максимумом около полудня и годовой ход с максимумом летом. Суточный и годовой ход Q пропорционален высоте солнца. Полуденные значения суммарной радиации в летние месяцы под Москвой при безоблачном небе в среднем 0,6-0,9 кВт/м2. В среднем облачность уменьшает суммарную радиацию на 20-30%.

Отражение и поглощение солнечной радиации. Падая на земную поверхность суммарная радиация частично отражается. Величина отраженной солнечной радиации (R) земной поверхностью зависит от характера этой поверхности. Отношение количества отраженной радиации к общему количеству радиации, падающей на данную поверхность, называется альбедо поверхности. Это отношение выражается в процентах A=R/Q Большая части падающей на земную поверхность суммарной радиации поглощается в верхнем тонком слое почвы или воды и переходит в тепло, =Q (1- А)

Длинноволновое излучение земной поверхности Верхние слои почвы и воды, снежный покров и растительность, поглощая радиацию, нагреваются, а затем сами излучают длинноволновую радиацию - собственное излучение земной поверхности Es

Эффективное излучение Встречное излучение Еа всегда несколько меньше собственного земного излучения Ез Поэтому ночью, когда солнечной радиации нет и к земной поверхности приходит только встречное излучение, земная поверхность теряет тепло за счет положительной разности между собственным и встречным излучением. Эту разность между собственным излучением земной поверхности и встречным излучением атмосферы называют эффективным излучением или длинноволновым балансом радиации Еэф = Ез - Еа

Радиационный баланс земной поверхности Это разность между поглощенной радиацией (суммарная радиация минус отраженная) и эффективным излучением (излучение земной поверхности минус встречное излучение) B=S′ +D – R + Eа – Ез В=Q(1-A)-Eэф Ночью коротковолновый баланс =0 Поэтому В= - Eэф

Методы измерения радиации Для измерения интенсивности прямой и рассеянной солнечной радиации и эффективного излучения (а также альбедо, освещенности и пр.) существует много приборов как с визуальными отсчетами, так и с автоматической регистрацией. Приборы для измерения: прямой солнечной радиации - пиргелиометры и актинометры рассеянной радиации — пиранометры, отраженной радиации – альбедометры, радиационного баланса — балансомеры. Названия самопишущих приборов оканчиваются на «граф» (актинограф, пиранограф). Современные приборы, как правило, имеют цифровой выход, внутреннюю память и разъемы подключения компьютера или флешпамяти

Общий вид компенсационного пиргелиометра Онгстрёма. Абсолютный прибор предназначен для измерений прямой солнечной радиации, падающей на перпендикулярную к солнечным лучам поверхность. Общий вид компенсационного пиргелиометра Онгстрёма. Абсолютный прибор предназначен для измерений прямой солнечной радиации, падающей на перпендикулярную к солнечным лучам поверхность.

Спектрорадиометр ТКА-ВД/УФ позволяет получить интегральные значения УФИ в любой заданной спектральной области, а также выполнить расчет приведения к функции любой эффективной величины

Фотосинтетически активная радиация (ФАР) Лучистая энергия ФАР - часть потока суммарной радиации Q, которая может использоваться зелеными растениями в процессе фотосинтеза, источник всех фотохимических процессов в растениях при фотосинтезе и фитофизиологических процессов. ФАР составляет: 50% от суммарной радиации Q 60% от рассеянной радиации 40% от прямой радиации

Поток ФАР Частично поглощается листьями растений – 80% энергии идет на нагревание листьев (превращается в тепло) и расходуется на испарение и транспирацию, и теплообмен Отражается от листовой поверхности и проходит насквозь – до 12%. На фотосинтез используется несколько процентов лучистой энергии(1-4%) КПД растительности: отношение ФАР, использованной в фотосинтезе ко всему потоку ФАР: КПД обычно мал: 1-2%, для агроценозов 1-3% Для лесов 2-4%