stringtranslate.com

Рассеянное небесное излучение

В атмосфере Земли доминирующая эффективность рассеивания синего света сравнивается с красным или зеленым светом. Рассеивание и поглощение являются основными причинами ослабления солнечного излучения атмосферой. В светлое время суток небо голубое из-за рэлеевского рассеяния , в то время как около восхода или заката, и особенно в сумерках , поглощение излучения озоном помогает поддерживать синий цвет вечернего неба. На восходе или закате касательно падающие солнечные лучи освещают облака оранжевыми или красными оттенками.
Видимый спектр, приблизительно от 380 до 740 нанометров (нм), [1] показывает полосу поглощения атмосферной воды и солнечные линии Фраунгофера . Спектр голубого неба содержит свет на всех видимых длинах волн с широким максимумом около 450–485 нм, длинах волн синего цвета.

Рассеянное небесное излучение — это солнечное излучение , достигающее поверхности Земли после того, как оно было рассеяно от прямого солнечного луча молекулами или частицами в атмосфере . Его также называют небесным излучением , определяющим процессом изменения цветов неба . Примерно 23% прямого падающего излучения от общего солнечного света удаляется из прямого солнечного луча путем рассеивания в атмосфере; из этого количества (падающего излучения) около двух третей в конечном итоге достигает Земли в виде рассеянного фотонами небесного излучения. [ требуется ссылка ]

Основными процессами рассеяния излучения в атмосфере являются рэлеевское рассеяние и рассеяние Ми ; они являются упругими , что означает, что фотон света может отклоняться от своего пути, не поглощаясь и не изменяя длину волны.

Под пасмурным небом нет прямого солнечного света, и весь свет исходит от рассеянного излучения небесного света.

Исходя из анализа последствий извержения филиппинского вулкана Пинатубо (в июне 1991 г.) и других исследований: [2] [3] Рассеянный небесный свет, благодаря своей внутренней структуре и поведению, может освещать листья под пологом, обеспечивая более эффективный фотосинтез всего растения, чем это было бы в противном случае; это резко контрастирует с эффектом абсолютно чистого неба с прямым солнечным светом, который отбрасывает тени на листья подлеска и тем самым ограничивает фотосинтез растений верхним слоем полога (см. ниже).

Цвет

Ясное дневное небо, вид в зенит

Атмосфера Земли рассеивает коротковолновый свет более эффективно, чем длинноволновый. Поскольку его длины волн короче, синий свет рассеивается сильнее, чем длинноволновый свет, красный или зеленый. Отсюда следует, что при взгляде на небо вдали от прямого попадания солнечного света человеческий глаз воспринимает небо как синее. [4] Воспринимаемый цвет похож на тот, который представлен монохроматическим синим цветом (на длине волны 474–476 нм ), смешанным с белым светом, то есть ненасыщенным синим светом. [5] Объяснение синего цвета Рэлеем в 1871 году является известным примером применения размерного анализа к решению задач в физике. [6]

Рассеивание и поглощение являются основными причинами ослабления солнечного излучения атмосферой. Рассеивание изменяется в зависимости от отношения диаметров частиц ( частиц в атмосфере) к длине волны падающего излучения. Когда это отношение меньше примерно одной десятой, происходит рэлеевское рассеяние . (В этом случае коэффициент рассеяния изменяется обратно пропорционально четвертой степени длины волны. При больших отношениях рассеяние изменяется более сложным образом, как описано для сферических частиц теорией Ми .) Законы геометрической оптики начинают применяться при больших отношениях.

Ежедневно в любом месте в мире, где происходит восход или закат , большая часть видимого солнечного луча достигает поверхности Земли почти по касательной. Здесь путь солнечного света через атмосферу вытянут , так что большая часть синего или зеленого света рассеивается вдали от линии воспринимаемого видимого света. Это явление оставляет солнечные лучи и облака, которые они освещают, в изобилии оранжево-красными цветами, которые можно увидеть, глядя на закат или восход солнца.

Например, Солнце находится в зените , при ярком дневном свете небо голубое из-за рэлеевского рассеяния, в котором также участвуют двухатомные газы N2и О2. Вблизи заката и особенно во время сумерек поглощение озоном ( O
3) вносит значительный вклад в поддержание синего цвета вечернего неба.

Под пасмурным небом

По сути, под пасмурным небом нет прямого солнечного света , поэтому весь свет представляет собой рассеянное небесное излучение. Поток света не сильно зависит от длины волны, поскольку капли облаков больше длины волны света и рассеивают все цвета примерно одинаково. Свет проходит через полупрозрачные облака подобно матовому стеклу . Интенсивность колеблется (примерно) от 1 ⁄ 6 прямого солнечного света для относительно тонких облаков до 1 ⁄ 1000 прямого солнечного света под экстремально толстыми грозовыми облаками. [ необходима цитата ]

Как часть общей радиации

Одно из уравнений для суммарного солнечного излучения имеет вид: [7]

где H b — энергетическая освещенность пучка, R b — коэффициент наклона для энергетического пучка, H d — энергетическая освещенность диффузного излучения, R d — коэффициент наклона для диффузного излучения, а R r — коэффициент наклона для отраженного излучения.

R b определяется по формуле:

где δ — солнечное склонение , Φ — широта, β — угол от горизонтали, а h — солнечный часовой угол .

R d определяется по формуле:

и R r по:

где ρ — отражательная способность поверхности.

Сельское хозяйство и извержение вулкана Пинатубо

Фотография Земли над Южной Америкой, сделанная 8 августа 1991 года с космического челнока (миссия STS-43 ) , на которой запечатлен двойной слой аэрозольных облаков Пинатубо (темные полосы) над нижними вершинами облаков.

Извержение вулкана Пинатубо на Филиппинах в июне 1991 года выбросило в воздух около 10 км 3 (2,4 кубических миль) магмы и «17 000 000 метрических тонн » (17 тераграммов ) диоксида серы SO 2 , что в десять раз больше общего количества SO 2 , чем пожары в Кувейте 1991 года [8] в основном во время взрывного плинианского/ультраплинианского события 15 июня 1991 года, создав глобальный стратосферный слой дымки SO 2 , который сохранялся в течение многих лет. Это привело к падению глобальной средней температуры примерно на 0,5 °C (0,9 °F). [9] Поскольку вулканический пепел быстро выпадает из атмосферы, [10] негативные сельскохозяйственные последствия извержения были в значительной степени немедленными и локализованы на относительно небольшой территории в непосредственной близости от извержения, вызванные образовавшимся толстым слоем пепла. [11] [12] Однако в глобальном масштабе, несмотря на падение общего солнечного излучения на 5% в течение нескольких месяцев и сокращение прямого солнечного света на 30%, [13], не было отмечено отрицательного влияния на мировое сельское хозяйство. [2] [14] Удивительно, но наблюдалось 3-4-летнее [15] увеличение глобальной производительности сельского хозяйства и роста лесного хозяйства, за исключением регионов бореальных лесов . [16]

При более или менее прямом солнечном свете темные тени , которые ограничивают фотосинтез, отбрасываются на листья подлеска . В чащу проникает очень мало прямого солнечного света.

Средством открытия было то, что изначально наблюдалось загадочное падение скорости, с которой углекислый газ (CO2 ) заполнял атмосферу, что отображено на так называемой « кривой Килинга ». [17] Это привело многих ученых к предположению, что это снижение было вызвано понижением температуры Земли, а вместе с этим и замедлением дыхания растений и почвы , что указывает на пагубное воздействие слоя вулканической дымки на мировое сельское хозяйство. [2] [14] Однако после расследования снижение скорости, с которой углекислый газ заполнял атмосферу, не совпало с гипотезой о том, что скорость дыхания растений снизилась. [18] [19] Вместо этого благоприятная аномалия была относительно прочно [20] связана с беспрецедентным увеличением роста/ чистой первичной продукции [ 21] мировой растительной жизни, что привело к увеличению эффекта поглощения углерода глобальным фотосинтезом. [2] [14] Механизм, благодаря которому стало возможным увеличение роста растений, заключался в том, что 30%-ное сокращение прямого солнечного света также можно выразить как увеличение или «усиление» количества рассеянного солнечного света. [2] [18] [22] [14]

Эффект рассеянного светового люка

Хорошо освещенные участки подлеска благодаря облачности , создающей рассеянный/ мягкий солнечный свет , что позволяет листьям под пологом деревьев проходить фотосинтезу.

Этот рассеянный световой поток, благодаря своей внутренней природе, может освещать листья под пологом леса , обеспечивая более эффективный фотосинтез всего растения, чем это было бы в противном случае, [2] [14] , а также увеличивая испарительное охлаждение с растительных поверхностей. [23] В резком контрасте, при абсолютно ясном небе и прямом солнечном свете, который возникает из-за него, тени отбрасываются на листья подлеска , ограничивая фотосинтез растений верхним слоем полога. [2] [14] Этот рост мирового сельского хозяйства из слоя вулканической дымки также естественным образом является результатом других аэрозолей, которые не выбрасываются вулканами, таких как загрязнение «умеренно густой дымовой нагрузкой», поскольку за обоими стоит тот же механизм, «прямой радиационный эффект аэрозоля». [16] [24] [25]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Starr, Cecie (2006). Биология: Концепции и приложения . Thomson Brooks/Cole. стр. 94. ISBN 978-0-534-46226-0.
  2. ^ abcdefg "Крупные извержения вулканов помогают растениям поглощать больше углекислого газа из атмосферы: новости". 16 марта 2010 г. Архивировано из оригинала 16 марта 2010 г. Получено 4 апреля 2018 г.
  3. ^ Янг, Дональд; Смит, Уильям (1983). «Влияние облачности на фотосинтез и транспирацию в субальпийском подлеске вида Arnica Latifolia». Экология . 64 (4): 681–687. Bibcode : 1983Ecol...64..681Y. doi : 10.2307/1937189. JSTOR  1937189.
  4. ^ "Рэлеевское рассеяние". Encyclopaedia Britannica . 2007. Encyclopaedia Britannica Online. получено 16 ноября 2007 г.
  5. ^ Гленн С. Смит (июль 2005 г.). «Цветовое зрение человека и ненасыщенный синий цвет дневного неба» (PDF) . American Journal of Physics . 73 (7): 590–597. Bibcode : 2005AmJPh..73..590S. doi : 10.1119/1.1858479.
  6. ^ "Крейг Ф. Борен, "Атмосферная оптика", Wiley-VCH Verlag GmbH, стр. 56" (PDF) . wiley-vch.de . Получено 4 апреля 2018 г. .
  7. ^ Мукерджи, Д.; Чакрабарти, С. (2004). Основы систем возобновляемой энергии. New Age International. стр. 22. ISBN 978-81-224-1540-7.
  8. ^ Джон С. Маккейн; Мухаммад Садик; М. Садик (1993). Последствия войны в Персидском заливе: экологическая трагедия . Springer. стр. 60. ISBN 978-0-792-32278-8.
  9. ^ "Облака горы Пинатубо затеняют глобальный климат". Science News . Получено 7 марта 2010 г.
  10. ^ Программа, Опасности вулканов. "Гавайская вулканическая обсерватория". hvo.wr.usgs.gov . Получено 4 апреля 2018 г. .
  11. ^ "Mercado". pubs.usgs.gov . Получено 4 апреля 2018 г. .
  12. ^ "Гора Пинатубо (LK): Биосфера - ESS" . сайты.google.com . Проверено 4 апреля 2018 г.
  13. ^ «Охлаждение после крупных вулканических извержений с поправкой на влияние рассеянного излучения на годичные кольца деревьев. Алан Робок, 2005. На рисунке 1 представлена ​​диаграмма зарегистрированного изменения солнечной радиации» (PDF) . rutgers.edu . Получено 4 апреля 2018 г.
  14. ^ abcdef КРУПНЫЕ ВУЛКАНИЧЕСКИЕ ИЗВЕРЖЕНИЯ ПОМОГАЮТ РАСТЕНИЯМ ПОГЛОЩАТЬ БОЛЬШЕ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА ИЗ АТМОСФЕРЫ
  15. ↑ Self, S. (15 августа 2006 г.). «Эффекты и последствия очень крупных взрывных вулканических извержений». Philosophical Transactions of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences . 364 (1845): 2073–2097. Bibcode : 2006RSPTA.364.2073S. doi : 10.1098/rsta.2006.1814. PMID  16844649. S2CID  28228518.
  16. ^ ab Оценка прямого радиационного воздействия аэрозолей на динамику углерода в глобальной наземной экосистеме с 2003 по 2010 год. Чен и др., Теллус Б. 2014; 66, 21808, Опубликовано Международным метеорологическим институтом в Стокгольме.
  17. ^ «Охлаждение после крупных вулканических извержений с поправкой на влияние рассеянного излучения на годичные кольца деревьев. Алан Робок, 2005. См. рисунок 2 для записи об этом» (PDF) . rutgers.edu . Получено 4 апреля 2018 г. .
  18. ^ ab L., Gu; D., Baldocchi (1 декабря 2001 г.). «Роль вулканических извержений, аэрозолей и облаков в глобальном углеродном цикле». AGU Fall Meeting Abstracts . 2001 : B51A–0194. Bibcode : 2001AGUFM.B51A0194G.
  19. ^ "Ответ лиственного леса на извержение вулкана Пинатубо: усиленный фотосинтез. Гу и др., 28 марта 2003 г., Журнал науки, том 299" (PDF) . utoledo.edu . Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 г. . Получено 4 апреля 2018 г. .
  20. ^ "CO2 Science". www.co2science.org . Получено 4 апреля 2018 г. .
  21. ^ http://earthobservatory.nasa.gov/Features/GlobalGarden/ Глобальный сад становится зеленее. NASA 2003
  22. ^ "Охлаждение после крупных вулканических извержений с поправкой на влияние рассеянного излучения на годичные кольца деревьев. Алан Робок, 2005. Рисунок 1" (PDF) . rutgers.edu . Получено 4 апреля 2018 г. .
  23. ^ Чакраборти, TC; Ли, Сюхуэй; Лоуренс, Дэвид М. (2021). «Сильное локальное испарительное охлаждение над сушей из-за атмосферных аэрозолей». Журнал достижений в моделировании земных систем . 13 (5). Bibcode : 2021JAMES..1302491C. doi : 10.1029/2021ms002491 . ISSN  1942-2466. S2CID  236541532.
  24. ^ Влияние рассеяния и поглощения света атмосферным аэрозолем на чистую первичную продуктивность суши, Кохан и др. ГЛОБАЛЬНЫЕ БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ 2002 ТОМ 16, № 4, 1090, doi :10.1029/2001GB001441
  25. ^ Прямые наблюдения за эффектами аэрозольной нагрузки на чистый обмен CO2 в экосистемах над различными ландшафтами. Niyogi et al. Geophysical Research Letters Volume 31, Issue 20, October 2004 doi :10.1029/2004GL020915

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки