Курс «Физика и химия атмосферы» Тема: Оптика и спектроскопия атмосферы (ослабление радиации в атмосфере, поглощение, излучение, рассеяние) Лекция 5 КОМФ УрГУ

Общая схема среднегодового теплового баланса планеты. Приведенные величины потоков имеют размерность Вт/м 2

Поглощение E v=0, j E v=1, j h h = E v=1, j - E v=0, j - закон сохранения энергии j - j = +-1 – закон сохранения момента количества движения

Контур линии поглощения - Лоренцевский контур линии поглощения атмосферных газов (столкновительное уширение -уширение давлением) - полуширина линии - Допплеровское полуширина линии - естественное уширение. Радиационный (Лоренцевский) контур линии - радиационная ширина линии Допплеровский контур линии Лоренцевский контур линии - нормировка

Контур Фойгта - свертка Лоренцевского и Доплеровского контуров - условие нормировки - нормировочный множитель

Излучение. Уравнение переноса теплового излучения в молекулярной атмосфере Граничные условия Нисходящий поток теплового излучения атмосферы (1) - на верхней границе атмосферы

Граничные условия у поверхности Восходящий поток теплового излучения атмосферы (2)

Модельный спектр противоизлучения безоблачной атмосферы в спектральном диапазоне см -1, модель стандартной атмосферы US standard. Огибающая – Планковское излучение поверхности при температуре 288.2К.

Модельный спектр уходящего в космос теплового излучения Земли для безоблачной атмосферы, рассчитанный на основе данных из базы спектроскопической информации по атмосферным молекулам HITRAN и модели стандартной атмосферы (US standard). Огибающая – Планковское излучение поверхности с температурой 288.2K. Видна сильная полоса поглощения СО 2 в интервале ~ см -1, полоса поглощения О 3 в интервале см -1 и полосы Н 2 О в интервале см -1 и СН 4 в интервале см -1

Спектр уходящего теплового излучения Земли – левый острый пик и отраженного Землей солнечного излучения – правый пологий пик.

Стандартный спектр солнечного излучения. Гладкая кривая – его аппроксимация Планковской функцией излучения абсолютно черного тела с эффективной температурой около 5800K.

Дистанционное зондирование атмосферы в тепловом диапазоне с высоким спектральным разрешением: со спутников и с поверхности Земли. измерения ИК спектров атмосферы глобальное распределение атмосферных параметров временные ряды

Мониторинг параметров атмосферы со спутников на полярных орбитах

Схема спутникового сканирования атмосферы и подстилающей поверхности с полярной орбиты (гиперспектральный сенсор AIRS на спутнике AQUA)

Типичный спектр уходящего в космос теплового излучения Земли регистрируемый спектрометром IMG со спутника ADEOS в безоблачной атмосфере современными спектрометрами спутникового базирования.

Радиационный баланс на верхней границе атмосферы S – доля площади Земли покрытая облачностью - поток уходящего в Космос теплового излучения с верхней границы атмосферы - среднегодовой баланс потоков излучения на верхней границе атмосферы (1) (2)

Баланс тепловых потоков у поверхности Земли Нисходящие к поверхности тепловые (радиационные) потоки Восходящие тепловые потоки у поверхности - тепловое излучение поверхности - поток уходящего с поверхности скрытого тепла из-за испарения - поток уходящего с поверхности явного тепла - поток солнечного излучения, поглощаемый поверхностью - поток теплового излучения атмосферы поглощаемый поверхностью

Модель глобального среднегодового теплового баланса поверхности Земли и парниковый эффект приходящий к поверхности тепловой поток уходящий с поверхности тепловой поток - нисходящее тепловое излучение атмосферы - возросший парниковый эффект из-за накопления СО 2 и СН 4 в атмосфере - необходимое увеличение солнечной постоянной для дополнительного нагрева поверхности эквивалентного возросшему парниковому эффекту

Согласно палеоклиматическим данным за примерно 800 тыс. лет., приведенным на Рис.1, на Земле происходило чередование циклов оледенения и потепления. На графике приведены также данные по содержанию пыли во льду Антарктиды. Согласно этим данным пыль откладывается в основном в периоды оледенений. Вопрос: Почему в Антарктиде пыль откладывается в периоды оледенений? Задание

Рис.1 Динамика различных показателей климата Антарктиды за примерно 800 тыс. лет (по абсциссе тысячи лет до настоящего момента): a рассчитанная по параметрам орбиты инсоляция на широте 65 о С.Ш. (июль) и 75 о Ю.Ш. (средняя за год); b относительное содержание дейтерия δD во льду (верхняя линия купол «С», нижняя станция «Восток»). Чем больше дейтерия, тем теплее был климат; c содержание тяжелого изотопа кислорода δ 18 O в донных осадках (разными линиями показаны данные, относящиеся к разным районам океана). При потеплении климата содержание δ 18 O в океанической воде снижается. d содержание пыли во льду на куполе «С». Пыль откладывается в основном в период оледенений. (рисунок из статьи: EPICA community members Eight glacial cycles from an Antarctic ice core в журнале Nature).