Потеря тепла земным излучением


Получая лучистую энергию от Солнца, земная поверхность, нагреваясь, становится и сама источником лучеиспускания. Но это излучение совсем другого порядка, чем солнечное.

Длина волны радиации, излучаемой нагретым телом, зависит от его температуры. А так как температура земной поверхности не превосходит нескольких десятков градусов выше нуля, то она излучает очень длинные волны — невидимые инфракрасные лучи.

Земное излучение измеряется в тех же единицах, что и солнечное — в малых калориях.

Все тела, имеющие температуру выше абсолютного нуля (—273 градуса), являются источниками излучения, причем интенсивность излучения зависит не только от температуры тела, но и от физических свойств излучающих поверхностей.

Между всеми окружающими нас телами, имеющими разную температуру, происходит непрерывный обмен лучеиспусканием.

Одновременно с потерей тепла излучением земная поверхность получает некоторое количество его от излучения самой атмосферы, то есть сверху вниз. Так как в общем случае температура поверхности Земли выше температуры атмосферы, то в результате действия этих двух потоков получается постоянный уход тепла излучением от земной поверхности в атмосферу и в мировое пространство.

Поясним это примером, изображенным на рис. 15. Предположим, что температура поверхности Земли 20 градусов, а температура небесного свода 10 градусов. Исходя из этого, можно рассчитать, что Земля излучает к небесному своду с каждого квадратного сантиметра поверхности в одну минуту 0,616 калории, а небесный свод излучает к Земле 0,536 калории. Мы видим, что в результате действия этих двух потоков радиации каждый квадратный сантиметр земной поверхности теряет в 1 минуту 0,080 калории.

Предположим, что при этой же температуре небесного свода на поверхности Земли лежит обнаженный человек, как это бывает, например, при приеме солнечных ванн. Температуру поверхности кожи можно принять равной 30 градусам. Тогда мы получим, что 1 квадратный сантиметр кожи человека в одну минуту излучает 0,704 калории. Вычитая из этого числа приход излучением от небесного свода 0,536 калории, получаем, что тело человека теряет излучением в 1 минуту с каждого квадратного сантиметра кожи 0,168 калории.

Поверхность кожи взрослого человека в среднем можно считать равной 1,6 квадратного метра, излучающая поверхность лежащего человека будет 0,8 квадратного метра, или 8000 квадратных сантиметров. Считая, что каждый квадратный сантиметр кожи теряет в 1 минуту 0,168 калории, получается, что в этих условиях в 1 минуту человек будет терять 1344 калории; если человек будет лежать полчаса, то за это время его тело потеряет 40 340 калорий.

Из сказанного ясно, что потеря излучением от земной поверхности в атмосферу идет непрерывно днем и ночью.

Кроме температуры земной поверхности, величина излучения зависит также от прозрачности атмосферы: чем прозрачнее атмосфера, тем интенсивнее потеря тепла излучением.

Установлено, что озон, находящийся в атмосфере на высотах от 20 до 50 километров, поглощает около 25 процентов величины земного излучения; водяные пары также задерживают около 25 процентов земного излучения. Таким образом, половина излучения Земли не может уйти в мировое пространство и задерживается атмосферой. Благодаря этим двум газам атмосфера оказывает на Землю значительный «оранжерейный» эффект.

Величина земного излучения обычно невелика и меняется от нескольких тысячных до 15—18 сотых калории, очень редко достигая 0,2 калории. Но несмотря на свою небольшую величину, действуя непрерывно днем и ночью, она может давать значительный тепловой эффект. Наибольшие величины земного излучения получаются при безоблачном небе и хорошей прозрачности атмосферы; высокие облака, как, например, перистые, мало влияют на величину излучения; наоборот, облака нижнего яруса сильно уменьшают излучение, часто доводят его до нуля.

Таким образом, по аналогии с человеческим телом мы можем считать, что атмосфера играет как бы роль простыни, а облака являются хорошим одеялом, предохраняющим Землю от охлаждения.

Остановимся теперь на балансе лучистой энергии. Для каждого места на земном шаре существует приход радиации в виде прямой солнечной радиации и радиации, рассеянной атмосферой и облаками, и уход радиации в виде земного излучения. Когда небо безоблачно, то налицо все три вида радиации.

Если небо полностью покрыто облаками, то прямой солнечной радиации нет; приход обусловливается только рассеянной радиацией, а земное излучение значительно уменьшено или даже отсутствует.

Облака уменьшают или совсем прекращают приток солнечной радиации, увеличивают обычно приход рассеянной радиации, сильно уменьшают земное излучение или даже полностью прекращают его.

При отсутствии облаков земное излучение с течением времени меняется мало и зависит от температуры поверхности Земли и от прозрачности атмосферы. Солнечная и рассеянная радиация меняются еще в зависимости от высоты Солнца над горизонтом, а их приход за сутки связан с продолжительностью дня.

Таким образом, чтобы получить приходо-расход лучистой энергии для какого-нибудь места, надо вести непрерывный учет всех трех видов радиации.

Учитывая баланс от дня ко дню и для различных мест земного шара, мы можем подойти к решению вопроса о балансе лучистой энергии и для земного шара в целом. Но к настоящему времени, к сожалению, мы имеем такое незначительное количество наблюдений, что определить приходо-расход для земного шара на основании непосредственных наблюдений ученые еще не могут и ограничиваются пока приближенным методом.