Курс «Физика и химия атмосферы» Тема: Оптика и спектроскопия атмосферы

1. Лекция №5 Курс «Физика и химия атмосферы» Тема: Оптика и спектроскопия атмосферы (ослабление радиации в атмосфере, поглощение, излучение, рассеяние) КОМФ УрГУ

2. Общая схема среднегодовоготеплового баланса планеты. Приведенные величины потоков имеют размерность Вт/м2

3. Поглощение hn = E v=1, j’ - E v=0, j - закон сохранения энергии j - j’ = +-1 – закон сохранения момента количества движения E v=1, j’ hn E v=0, j

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

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

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

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

8. Модельный спектр противоизлучения безоблачной атмосферы в спектральном диапазоне 0-2500 см-1, модель стандартной атмосферы US standard. Огибающая – Планковское излучение поверхности при температуре 288.2К.

9. 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 СО2 в интервале ~ 500-800 см-1, полоса поглощения О3 в интервале 1000-1050 см-1 и полосы Н2О в интервале 1210-2000 см-1 и СН4 в интервале 1250-1350 см-1

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

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

12. 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

13. Мониторинг параметров атмосферы со спутников на полярных орбитах

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

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

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

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

18. Модель глобального среднегодового теплового баланса поверхности Землии парниковый эффект приходящий к поверхности тепловой поток уходящий с поверхности тепловой поток - нисходящее тепловое излучение атмосферы • возросший парниковый эффект • из-за накопления СО2 и СН4 в атмосфере - необходимое увеличение солнечной постоянной для дополнительного нагрева поверхности эквивалентного возросшему парниковому эффекту

19. Задание 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?

20. 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 65о С.Ш. (июль) и 75о 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 δ18O в донных осадках (разными линиями показаны данные, относящиеся к разным районам океана). При потеплении климата содержание δ18O 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).