Океан и атмосфера

Особенно велика отражательная способность облаков — в среднем около 80 %. В последние годы наблюдения над отражением солнечной радиации на больших участках Земли и от облаков ведутся с искусственных спутников. Зная отражение радиации от облаков, можно определить их вертикальную мощность, а над океанами рассчитать высоту волн. Различное отражение от поверхности облаков морей, лесов, степей и т. д. позволяет судить о естественных ресурсах Земли.

Поверхность Земли (почва, вода, снег, растительность и т. д.), которую не совсем точно называют деятельной поверхностью, излучает энергию в окружающее пространство.

Для всего земного шара в среднем за год, как показывают наблюдения, температура деятельной поверхности равна примерно 15 °C.

В метеорологии земное излучение принято считать длинноволновым, так как наибольшая энергия в этом излучении примерно в 20 раз длиннее волны, несущей наибольшую энергию в спектре солнечной радиации. Наибольшая излучательная способность — у снега, благодаря его рыхлой структуре. Атмосфера излучает невидимую инфракрасную радиацию.

Существенно также влияние ледяного покрова. Так, большие колебания площади ледяного покрова в Арктике в 1971–1973 гг. вызвали заметные изменения температуры воздуха в тропосфере. Наблюдения со спутников в последние годы показали, что облачность обширной тропической зоны (преимущественно над океанами) относительно невелика по сравнению с прежними наблюдениями, произведенными на континентах и в океане. Это дало возможность подсчитать, что отражение Землей тепла по сравнению с его приходом в целом невелико — меньше, чем полагали прежде, — и составляет около 30 %.

Широтные различия и большая отражательная способность Антарктиды усиливает различия в температурах тропических и полярных областей и как следствие этого циркуляцию атмосферы.

Около 40 % тепла уходит вверх в мировое пространство (так называемое уходящее излучение), а остальная часть направлена к Земле (встречное излучение). Таким образом, потери тепла на излучение в какой-то мере компенсируются поглощением части встречного излучения.

Излучение деятельной поверхности связано с ее температурой и влажностью воздуха. Чем выше температура поверхности, тем излучение больше; чем больше влажность воздуха, тем эффективное излучение меньше.

Сильно влияет на излучение и облачность: чем больше количество и плотность облаков, тем излучение меньше. Водяной пар (и отчасти углекислый газ и озон) в атмосфере также сильно задерживают излучение. Это относится к длинноволновой радиации, в то время как атмосфера довольно свободно пропускает коротковолновую солнечную радиацию. Таким образом, атмосфера превращается как бы в оранжерею — солнечные лучи проходят в глубь через это «стекло», а длинноволновое излучение назад не выходит. Не будь атмосферы, на Земле было бы очень холодно — не 15° (в среднем) как есть в действительности, а —23°.

В заключение следует отметить, что процесс отражения солнечной радиации имеет очень сложную природу. В поверхностном слое моря (в толще 10–50 м) теплообмен зависит от турбулентности и, в меньшей степени, от теплопроводности воды.

В процессах взаимодействия океана и атмосферы особенно велика роль ледяного покрова, изменяющего радиацию и другие явления, особенно в полярных областях планеты. При образовании и таянии льда затрачивается большое количество тепла, лед препятствует образованию волн, брызг и т. д. Лед в море пресный и, следовательно, сравнительно легкий. Тепло океана, однако, просачивается и сквозь лед, даже очень мощный, и обогревает Арктический бассейн. Лед покрывает зимой не только Арктику, но отчасти и другие моря.

Нагревание почвы солнечными лучами зависит от географической широты места, сезона и др. Почва поглощает тепло и нагревается летом, отдает тепло и охлаждается зимой. Аналогичный теплооборот, но в меньшем масштабе, происходит днем и ночью. Для атмосферных явлений, в том числе для климата, температура поверхности почвы (так же, как и океанов) очень важна, ибо зависит от нагревания подстилающей поверхности.

На температуру почвы заметное влияние оказывает снежный покров. Наблюдения, проведенные в Антарктиде в январе 1958 г. на станции Восток (расположенной на 78° ю. ш., на 3,5 км выше уровня моря), показали, что температура снега на глубине 8 м была —57,9°, а на глубине 12 м —57,3°. Последняя, видимо, близка к средней годовой, так как колебания здесь уже должны затухнуть;

Большое значение имеет солнечная радиация для здоровья людей. Необходимо располагать данными о суточном и годовом ходе радиации в том или ином районе, о максимальных и средних значениях и т. д. С этой целью на курортах оборудуются специальные актинометрические станции, ведущие постоянные наблюдения.

Существенно важно также знать радиационный режим при строительстве городов. Необходимо так размещать и ориентировать здания, чтобы они хорошо освещались Солнцем. Однако это совсем не простая задача: максимальные суммы радиации не всегда совпадают с летними месяцами.

Солнечная энергия используется в народном хозяйстве непосредственно. Можно без преувеличения сказать, что с тех пор как существует человечество, существует и идея использования солнечной энергии. В последнее время эта проблема становится все более актуальной и конкретной. Естественно, что солнечные установки имеет смысл ставить там, где велик приход солнечной энергии и много безоблачных дней. Суть использования солнечной энергии состоит в преобразовании ее в тепловую и электрическую. Самый простой способ преобразования солнечной энергии в тепловую — это создание так называемого горячего ящика, в основе которого лежит оранжерейный эффект стекла.

Ящик из дерева или бетона покрывают сверху стеклом — одним или в несколько слоев, а металлическое дно закрашивают черной краской. Солнечная радиация проходит почти без поглощения через стекло и нагревает дно примерно до 70–90°. Когда стекло многослойно, температура воздуха в ящике может достигать 200°. Но в этом случае возрастают и потери тепла. Существует и другой метод, основанный на концентрации солнечной энергии с помощью зеркальных отражателей, собирающих лучи в фокус. Разработано несколько видов конструкций в зависимости от формы отражателя — чаши, корыта. Тело, помещаемое в фокусе зеркала, может нагреваться до 3000–4000 °C. В таких установках, называемых солнечными печами, проводятся физико-химические исследования тугоплавких материалов.

В электрическую энергию солнечная преобразуется получением термоэлектричества и фотоэлектричества. При этом эффективно используются батареи из полупроводников. Солнечные фотоэлектрические батареи нашли большое применение на искусственных спутниках Земли. На третьем советском искусственном спутнике Земли впервые были установлены такие батареи. Когда спутник проходил в солнечных лучах, питание радиопередатчика шло от солнечных батарей. Одновременно происходила подзарядка электрохимических батарей для снабжения спутника электроэнергией во время его движения в земной тени. Они оказались вполне надежными источниками электроэнергии. Использование солнечной энергии будет особенно успешным на орбитальных обсерваториях и в будущем при изучении других планет.

Облака

Процесс перехода пара в жидкое состояние в атмосфере и на земной поверхности называется конденсацией, а превращение пара непосредственно в твердое состояние (без жидкой фазы) — сублимацией. По-разному идет процесс конденсации в очищенном от примесей воздухе и при их наличии. Лабораторные опыты показали, что в чистом воздухе капельки воды начинают образовываться только при 6—8-кратном пересыщении паром в результате объединения молекул водяного пара. Атмосфера Земли всегда содержит множество гигроскопических частиц, которые и становятся ядрами конденсации. На них активно сгущается водяной пар при относительной влажности около 100 % и менее. Для того чтобы водяной пар в атмосфере начал конденсироваться, необходим ряд условий: существование ядер конденсации, понижение температуры воздуха до определенных значений, обусловленное охлаждением деятельной поверхности и прибегающих слоев воздуха, соприкосновение теплого воздуха с холодной деятельной поверхностью, смещение двух масс воздуха с разной температурой и поднятие воздуха.