В соответствии с законом сохранения энергии он должен быть равен нулю. Смысл равенства нулю означает постоянство на достаточно длинных периодах времени (столетия, тысячелетия) средних за год температур на Земле. Если бы Земля поглощала солнечную радиацию без потери тепла, ее температура непрерывно бы повышалась, но этого не происходит, потому что Земля отдает в пространство электромагнитное излучение. Если взять среднегодовые значения и пренебречь любыми изменениями средних годовых температур Земли для разных лет, то можно получить баланс между приходящей солнечной радиацией и уходящей радиацией Земли.
Солнечная радиация, которая достигает земной поверхности, может поглощаться ею, может также передаваться в глубь Земли, если на пути встретится прозрачный по отношению к ней материал, или же может отразиться от нее.
Отражательная способность поверхности зависит от слагающего ее вещества и его текстуры, угла падения приходящего излучения, а также от его длины волн.
A=r/Q x100
R – плотность потока отраженной радиации
Величины альбедо большей части поверхности суши имеют значения 10-30%. Альбедо спокойной поверхности воды составляет менее 5%, если Солнце отклоняется от зенита не более чем на 50°. Но если Солнце опускается и угол между ним и зенитом составляет 80°, альбедо водной поверхности резко возрастает и может превысить 50%. Среднее планетарное альбедо земного шара, включая его облачный покров, близко к 35%.
На единичную горизонтальную поверхность в единицу времени приходит прямая радиация I', рассеянная радиация і, излучение атмосферы Еa, уходит отраженная коротковолновая радиация, отраженная длинноволновая радиация и излучение Земли Ез
|
|
R=(I'+ і) (1-A)+δΕа-Ез
δΕа –излучение атмосферы (часть излучения, которое направлено вниз, к поверхности Земли);
Ез – излучение Земли.
Единственная часть поверхности Земли, которая в значительной мере прозрачна для солнечной радиации, это вода. Та часть радиации, которая достигла поверхности воды и не отразилась от нее, проникает в водную толщу, преломляясь на границе двух сред. Затем она поглощается и рассеивается, главным образом взвешенными частицами. В очищенной от примесей морской воде около 40% поступившей величины радиации достигает глубины 1 м и 22%-глубины 10 м. В обычной океанской воде соответствующие цифры равны 35 и 10%. В прибрежных мутных водах они будут составлять 23 и 0,5%. Скорость поглощения и рассеяния солнечной радиации в разных частях спектра существенно различается. Инфракрасный и красный свет проникает на меньшую глубину. В чистых океанских водах глубже проникает голубой свет, в то время как в мутных прибрежных водах зеленый и желтый свет.
При поглощении солнечной радиации поверхностью твердой земли и водой океана начинается их нагревание. Тепло может передаваться дальше или кондуктивным путем, или же в жидкости - конвекцией. Кондуктивный перенос осуществляется сравнительно медленно, и твердая земная поверхность в течение дня не прогревается глубже чем на 0,5 м. В океане основным процессом, приводящим к передаче тепла вниз, является конвекция. Помимо термической конвекции (которая образуется в результате охлаждения поверхности океана), вертикальное перемешивание возникает под воздействием ветровых волн и турбулентных течений, и днем в открытом океане обычно прогревается слой на глубину 10 и более метров.
|
|
Поглощение тепла приводит к повышению температуры, величина которого обратно пропорциональна удельной теплоемкости вещества, или к изменению его состояния, как в случае с водой. Удельная теплоемкость воды примерно в пять раз больше, чем у твердых пород или сухой почвы, но из-за того, что вода обладает меньшей плотностью, ее теплоемкость только в два раза выше, чем теплоемкость такого же объема пород. Таким образом, если одинаковые объемы воды и породы получат одинаковое количество тепла, то, даже если не будет происходить испарения воды и тепло распределится равномерно, температура воды повысится на величину, примерно в два раза меньшую, чем для горных пород. Различия будут еще больше, если вместо горных пород взять сухую почву.
Если бы на Земле отсутствовали океан и атмосфера, то поступающая от Солнца энергия нагревала бы Землю до температуры, при которой обратное излучение стало бы равным приходящей радиации. Согласно закону Стефана-Больцмана, средняя температура абсолютно черного тела для Земли, которая нужна, чтобы достичь этого равновесия, составляет 250 °К (-23°С). Она называется планетарной температурой Земли. Эта температура значительно ниже, чем средняя температура поверхности Земли (288 °К). Это достигается по той причине, что заметная часть энергии, излучаемая земной поверхностью, поглощается или отражается атмосферой обратно к поверхности Земли.