Летний приток радиации на юге Казахстана

КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМ. АЛЬ-ФАРАБИ

Географический факультет

Кафедра метеорологии

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

ЛЕТНИЙ ПРИТОК РАДИАЦИИ НА ЮГЕ КАЗАХСТАНА

Исполнитель:

студентка 5 курса Н. В. Савоста

Научный руководитель,

к. г. н., доцент С. Е. Полякова

Нормоконтролер Т. П. Шишкина

Допущена к защите

зав. кафедрой В. С. Чередниченко

Алматы, 2006

РЕФЕРАТ

Дипломная работа общим объемом 59 страниц машинописного текста содержит 11 рисунков, 6 таблиц. Список используемых источников состоит из 31 наименования.

Ключевые слова: солнечная радиация, атмосфера, солнечная постоянная, радиационный баланс, лучистая энергия, коэффициент прозрачности, фактор мутности, ультрафиолетовая радиация (УФР) .

В данной работе изучены особенности притока радиации при различных условиях облачности на станциях Айдарлы, Алматы и Балхаш в летние месяцы за период с 1998 по 2000 года. Рассчитаны фактические суточные суммы прямой солнечной радиации для каждого года. Рассчитан коэффициент прозрачности атмосферы. Проведен статистический анализ данных и выявлены синоптические условия, приводящие к аномальному распределению притока солнечной радиации на юге Казахстана.

Для написания работы были использованы данные научно-прикладного справочника по климату СССР за многолетний период и актинометрические наблюдения за 1998-2000 гг. Для выявления синоптических условий были рассмотрены среднемесячные приземные поля и поля Н ₅₀₀ .

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Проблема исследования в области использования солнечной энергии упоминается в межгосударственных и многосторонних соглашениях по научно-техническому сотрудничеству. Во многих странах разразился энергетический кризис, человечество впервые реально почувствовало, что запасы ископаемого топлива, и прежде всего жидкого (нефти), не беспредельны. Такие динамично развивающиеся страны, как Китай и Индия, уже ощущают дефицит энергоресурсов, сдерживающий развитие их экономик. В области энергетических ресурсов угроза истощения запасов топлива объективно существует, что заставляет заблаговременно изыскивать новые, достаточно мощные источники энергии.

Кроме того, в последние годы весьма остро встал вопрос о защите окружающей среды, поскольку промышленность ведет к необратимым нарушениям существующего в природе равновесия. Современная топливная энергетика играет не последнюю роль в загрязнении воздушного и водного бассейнов вредными выбросами, а также в “тепловом загрязнении” окружающей среды. Таким образом, энергоисточник, призванный заменить ископаемое топливо и обеспечить энергетические потребности, должен быть не только достаточно мощным, но в определенной степени экологически “чистым”.

Нефть, уголь, уран, природные энергоресурсы - основные источники энергии, имеющие, за исключением последних, практически более или менее временные границы своего использования. Предстоящие десятилетия будут связаны со значительными инвестициями, направленными на рост добычи всех видов энергоресурсов и их доставку к местам использования.

Ожидается, что к концу 21 века солнечная энергетика станет доминирующей, доля ее достигнет 86 % от общего объема. Актуальность этой задачи обуславливается и необходимостью изъятия части поступающей на Землю солнечной энергии с целью недопущения ее перегрева.

Оценивая перспективы будущего, мы должны отметить три основные проблемы, стоящие перед человечеством: обеспечение населения пищей, энергией и сохранение природных условий, пригодных для жизни. Решение этих трех задач в значительной степени может быть связано с использованием солнечной энергии. Что касается обеспечения человечества энергией, то солнечное излучение по своим энергетическим ресурсам вполне способно удовлетворить энергетические потребности будущих поколений /1/.

По мнению специалистов, отставание кремниевого производства от уранового связано с многомиллиардными вложениями в долларовом исчислении в развитие атомной энергетики по военным программам, в то время как из-за недостаточности средств кремниевая технология, оставаясь на первоначально низком уровне, сохраняет свои отрицательные черты - высокую энергоемкость, низкую рентабельность, растущие экологические риски.

Казахстан, обладая достаточным сырьевым, производственным, научно-техническим потенциалом, имеет хорошие перспективы для создания собственной кремниевой программы и организации полноценной гелиоэнергетической отрасли.

Для практического использования солнечной энергии благоприятными факторами являются высокая интенсивность прямой солнечной радиации, большая продолжительность солнечного сияния и высокая температура воздуха. Оценка этих ресурсов солнечной энергии позволяет выделить районы, в которых наиболее целесообразно применять гелиоустановки. Применительно для территории Казахстана наибольшая продолжительность солнечного сияния и приток прямой радиации приходится на юго-восточные районы республики (Айдарлы, Балхаш) .

Широкое использование солнечной энергии позволит экономить топливо и уменьшить загрязнение окружающей среды. При этом имеется в виду использовать простейшие низкопотенциальные солнечные установки для хозяйственных нужд (горячего водоснабжения, охлаждения зданий, опреснения воды, сушки сельскохозяйственных продуктов, отопления культивированных сельскохозяйственных сооружений) практически на всей территории Казахстана /2/.

В данной дипломной работе были изучены особенности притока солнечной радиации при различных условиях облачности на станциях Айдарлы, Алматы и Балхаш в летние месяцы за период с 1998 по 2000 года. Рассчитан коэффициент прозрачности атмосферы. Проведен статистический анализ данных и выявлены синоптические условия, приводящие к аномальному распределению притока солнечной радиации.

1 ЛУЧИСТАЯ ЭНЕРГИЯ СОЛНЦА

Лучистая энергия Солнца является практически единственным источником энергии, за счет которой совершаются атмосферные движения и происходят многие разнообразные процессы в атмосфере и поверхностных слоях земной коры. Коротко упомянем основные характеристики Солнца как источника радиации.

Солнце представляет собой сферическое тело (диаметром 1. 39·10 ⁶ км) из раскаленного газообразного вещества, отстоящее от Земли на расстоянии ~ 1, 5·10 ⁸ км. По наблюдениям с Земли, Солнце делает один оборот вокруг своей оси примерно за четыре недели. Однако оно вращается не как твердое тело: экваториальная область совершает каждый оборот за 27 суток, а полярные районы - за 30 суток.

Поверхность Солнца имеет эффективную температуру ~ 5762 К. Температура центральных внутренних областей, по разным оценкам, составляет 8·10 ⁶ - 40·10 ⁶ К, а их плотность примерно в 80-100 раз превышает плотность воды. Солнце представляет собой непрерывно действующий термоядерный реактор, котлом которого являются составляющие его газы, удерживаемые гравитационными силами /3/.

Предполагается, что поверхность Солнца образована гранулами, или нерегулярными конвективными ячейками, с размерами 1000-3000 км и временем существования, исчисляемым несколькими минутами. Верхний слой конвективной зоны называется фотосферой. Она существенно не прозрачна, поскольку составляющие ее газы сильно ионизированы и способны поглощать и испускать излучение в непрерывном спектре. Фотосфера является источником большей части солнечного излучения.

За пределами фотосферы атмосфера Солнца более или менее прозрачна и ее можно наблюдать во время полного солнечного затмения или с помощью приспособлений, заслоняющих солнечный диск. Над фотосферой находится слой более холодных газов толщиной в несколько сотен км, называемый обращающим слоем. Выше расположен слой толщиной ~ 10 000 км, называемый хромосферой. Это - газообразный слой с температурой несколько более высокой, чем в фотосфере, и с более низкой плотностью. Еще дальше от центра находится корона с очень низкой плотностью и очень высокой (10 ⁶ К) температурой. Рост температуры в хромосфере и короне принято объяснять рассеянием энергии звуковых и других волн, которые возникают в конвективной зоне.

Скорость истечения плазмы вблизи Солнца относительно мала, а затем она растет и вблизи орбиты Земли достигает нескольких сотен км в секунду. Поток заряженных частиц - корпускул, летящих от Солнца во всех направлениях, получил название солнечного ветра.

Солнечная атмосфера, и в частности фотосфера, весьма неоднородна и неспокойна. В ней наблюдаются факелы, флоккулы, хромосферные вспышки и другие процессы, являющиеся источниками корпускулярных потоков, более сильных, чем солнечный ветер. Особенно резко возрастает корпускулярное и электромагнитное излучение Солнца при хромосферных вспышках продолжительностью от нескольких минут до нескольких часов.

В фотосфере возникают относительно холодные образования (температура ~ 4600 К) неправильной формы с очень сильными магнитными полями, получившие название солнечных пятен. Они обычно появляются группами в широтных зонах от 35 до 5 ° по обе стороны от солнечного экватора и существуют от нескольких часов до нескольких месяцев.

Весь комплекс кратко описанных нестационарных явлений в солнечной атмосфере называют солнечной активностью. Для ее количественной характеристики используются различные индексы. Наиболее распространенный среди них - число Вольфа W, пропорциональное сумме общего числа пятен f и удесятеренного числа их групп g:

(1)

где

k - эмпирический коэффициент.

Числа Вольфа во время минимума солнечной активности изменяются от 0 до 11, а во время максимума - от 40 до 240 /4/.

Весь спектр излучения Солнца принято делить на ряд областей (в скобках указаны граничные длины волн λ) :

1. гамма-лучи (λ < 10-5мкм),
2. рентгеновское излучение (10-5< λ < 10-2мкм),
3. УФР (0, 01 < λ < 0, 39 мкм),
4. видимое излучение спектра, или видимый свет (0, 39 < λ < 0, 76 мкм), который в свою очередь подразделяется на семь цветов (табл. 1),

Таблица 1 Длины волн, соответствующие различным цветам

5. инфракрасная радиация (0, 76 < λ < 3000 мкм),
6. радиоволновое излучение (λ > 0, 3 см) .

Выделяют также близкий ультрафиолетовый (0, 29-0, 39 мкм) и близкий и близкий инфракрасный (0, 76-2, 4 мкм) участки спектра.

Излучательная способность Солнца близка к излучательной способности абсолютно черного тела с температурой ~ 6000 К. Однако излучение Солнца близко к излучению абсолютно черного тела только в видимой и близких инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра /5/.

Считая Солнце по своим свойствам близким к абсолютно черному телу, можно оценить температуру Солнца. При этом разные методы дают несколько различные результаты. Максимум излучательной способности Солнца приходится на видимый участок спектра, на длину волны λ _m = 0, 4738 мкм. На основании закона Вина получаем так называемую яркостную температуру Солнца: T _c = 6116 К.

Второй метод определения температуры Солнца основан на формуле для потока излучения и на понятии солнечной постоянной. Количество солнечной радиации, поступающее на верхней границе земной атмосферы в единицу времени на единичную поверхность, перпендикулярную солнечным лучам, при среднем расстоянии Земли от Солнца, называется солнечной постоянной. Обозначим ее через I ₀ ^* .

Международная комиссия по радиации рекомендовала принять в качестве стандартного значения солнечной постоянной I ₀ ^* = 1, 98 кал/(см ² ·мин) или I ₀ ^* = 1, 38 кВт/м ² .

Количество энергии, излучаемой Солнцем, распределяется между различными участками спектра следующим образом: ультрафиолетовая область - около 9 %, видимый участок спектра - 47 %, инфракрасная область - 44 %. Однако свыше 99 % этой энергии приходится на участок спектра, заключенный между 0, 10 и 4 мкм. Солнечную радиацию по этой причине часто называют коротковолновой, в отличие от инфракрасной (длинноволновой) радиации Земли и атмосферы, свыше 99 % которой приходится на интервал длин волн от 3-4 до 80-120 мкм.

Распределение солнечной радиации по земному шару при отсутствии атмосферы или, что практически одно и то же, на верхней границе атмосферы и изменение ее во времени определяются чисто астрономическими факторами: вращением Земли вокруг Солнца, наклоном оси вращения Земли по отношению к плоскости орбиты Земли (эклиптике), суточным вращением Земли.

Поток солнечной радиации на горизонтальную поверхность I' ₀ называют инсоляцией. Определим количество солнечной радиации Q, получаемой 1 см ² горизонтальной поверхности в течение суток при отсутствии атмосферы, то есть суточную инсоляцию. Очевидно, оно равно:

(2)

где

±t ₀ - моменты восхода и захода Солнца, определяемые из условия sin h _c = 0.

Среднее значение суточной инсоляции (мДж/м ² ) при I ₀ ^* = 1, 37 кВт/ м ² . Суточная инсоляция зависит от широты места и склонения солнца (от времени года) . Инсоляция достигает максимума над северным полюсом. В день зимнего солнцестояния δ = -23, 5 ° суточная инсоляция равна нулю на всех широтах, расположенных севернее полярного круга φ > 66, 5 °. С приближением к экватору инсоляция монотонно растет /6/.

1. Основные законы излучения

Изменение теплового состояния тела при наличии одного лишь лучистого теплообмена определяется разностью между излучаемой и поглощаемой энергией. Простейшими свойствами обладает так называемое равновесное тепловое излучение, при котором тело излучает столько же энергии, сколько и поглощает. Лучистую энергию в метеорологии обычно измеряют в тепловых единицах - калориях (1 кал = 4, 1868 Дж) .

Количество энергии, излучаемой телом через единичную поверхность в единицу времени во всех направлениях (в пределах полусферы), носит название поверхностной плотности потока излучения. В дальнейшем эту величину будем называть более кратко - потоком излучения или потоком радиации. Обозначив поток излучения через F, получим:

(3)

Под потоком радиации будем понимать также количество энергии, которое проходит через единичную поверхность в единицу времени, хотя эта энергия поступила от других тел (не связанных с рассматриваемой поверхностью) . Для полной энергетической характеристики потока лучистой энергии необходимо указать распределение энергии по длинам волн. Для этого выделим в общем, потоке элементарный участок в интервале длин волн от λ до λ + dλ. Количество энергии dФ _λ в интервале от λ до λ + dλ, излучаемой с поверхности dS, пропорционально dS и dλ:

(4)

Величина F _λ представляет собой спектральную плотность потока излучения вблизи данной длины волны λ; она носит название монохроматического потока радиации или излучательной способности тела и измеряется в кал/(см ² ·мин·мкм) .

Полный поток излучения всех длин волн F, очевидно, выразится интегралом:

(5)

На тело падает монохроматический поток радиации F _λ , часть которого поглощается телом F _λ ^' , часть отражается (F ^'' _λ ) и часть проходит сквозь него (F ^''' _λ ) . Тогда,

F _λ ^' + F ^'' _λ + F ^''' _λ = F _λ (6)

Разделив обе части этого равенства на F _λ , получим:

(7)

Первый член в левой части этого соотношения называют поглощательной способностью тела или относительным коэффициентом поглощения (α _λ = F _λ ^' / F _λ ), второй - отражательной способностью или альбедо (r _λ = F ^'' _λ /F _λ ) и третий - относительным коэффициентом пропускания (dλ = F ^''' _λ /F _λ ) . Следовательно,

(8)

Эти величины безразмерны и изменяются от 0 до 1. Если для всех длин волн α _λ = 1, то r _λ = d _λ = 0; это значит, что вся падающая лучистая энергия полностью поглощается телом. Такие тела называются абсолютно черными или просто черными.

Если r _λ = 1, то α _λ = d _λ = 0, то есть вся падающая лучистая энергия отражается. При этом если отражение правильное (то есть подчиняется законам геометрической оптики), тела называются зеркальными, если же отражение диффузное - абсолютно белыми.

Введенные коэффициенты α _λ , r _λ и d _λ характеризуют свойства поглощения, отражения и пропускания тела в целом. Наряду с ними необходимо ввести также характеристики, которые определяли бы свойства поглощения (ослабления) и пропускания в слое некоторой конечной толщины /7/.

Пусть в слой, содержащий поглощающее радиацию вещество массой m, входит монохроматический поток F _λ (0) . Поток, вышедший из слоя, обозначим через F _λ (m) . Тогда функция поглощения (ослабления) определяется как безразмерное отношение:

(9)

функция пропускания - как отношение:

(10)

Из соотношений (8) и (9) вытекает, что для функций поглощения и пропускания всегда выполняется равенство:

(11)

Опыт показал, что между излучательной F _λ и поглощательной α _λ способностями тела имеется вполне определенная связь. Отношение излучательной способности к поглощательной не зависит от природы тела; оно является для всех тел одной и той же функцией В (λ, Т) длины волны λ и температуры Т (закон Кирхгофа) :

(12)

Для черного тела α _λ = 1. Излучательная способность такого тела, согласно (11), равна В (λ, Т), то есть:

(13)

Таким образом, функция В (λ, Т) в законе Кирхгофа представляет собой излучательную способность абсолютно черного тела. Но в природе абсолютно черных тел не существует. Для всех реальных тел α _λ < 1. Согласно закону Кирхгофа, это означает, что все реальные тела излучают энергии меньше, чем абсолютно черное тело (при той же температуре) .

Аналитический вид функции В (λ, Т) был установлен в 1900 г. известным физиком Планком. Исходя из представлений о квантовом характере процесса излучения, он для излучательной способности абсолютно черного тела нашел функцию следующего вида:

(14)

где

с ₁ = 3, 7418·10 ^-16 Вт·м ² ,

с ₂ = 1, 438786·10 ^-2 м·К - первая и вторая постоянные излучения;

Т - абсолютная температура тела.

Длина волны λ _m , на которую приходится максимум излучательной способности абсолютно черного тела, обратно пропорциональна абсолютной температуре Т (закон смещения длины волны, или закон Вина) :

(15)

Здесь с ^' = 0, 28978·10 ^-2 м·К - постоянная.

Полный поток излучения абсолютно черного тела находится с помощью интеграла:

(16)

Подставив В (λ, Т) по (13) и выполнив интегрирование, найдем:

(17)

где

σ = 5, 67032·10 ^-8 Вт/(м ² ·К ⁴ ) = 8, 1566·10 ^-11 кал/(см ² ·мин·К ⁴ ) есть постоянная Стефана-Больцмана.

Согласно формуле (16), поток излучения В абсолютно черного тела возрастает пропорционально четвертой степени абсолютной температуры тела.

Второй закон Вина устанавливает, что максимальная излучательная способность абсолютно черного тела В (λ _m , T) возрастает пропорционально пятой степени абсолютной температуры:

(18)

где

с'' = 1, 301·10 ^-5 Вт/(м ³ ·К ⁵ ) .

Наряду с понятием абсолютно черного тела вводится понятие серого тела. Серым телом называют такое тело, поглощательная способность, α _λ которого для всех длин волн одинакова: α _λ = α = const. Таким образом, излучательная способность серого тела при всех длинах волн составляет одну и ту же часть от излучательной способности абсолютно черного тела, а поток излучения серого тела F=αB /8/.

2. Поглощение солнечной радиации в атмосфере Земли

... продолжение

Климатические Особенности Казахстана: Температура, Влажность, Осадки и Ветер

Климатические условия Республики Казахстан: Формирование и Особенности

Особенности притока солнечной радиации на станциях Алматы и Астана

Гидрография Казахстана: реки, каналы, озёра и водные ресурсы республики

Уникальное разнообразие флоры и климатические условия Жамбылской области Республики Казахстан

История открыятий атмосферы Земли: от метеоров до озона

Климатические процессы и районирование на региональном уровне: исследование влияния климата на природные ресурсы и сельское хозяйство СНГ

Изменения озона в циклах циклонов и антициклонов: Эволюционный взрыв жизни на Земле от вулканической атмосферы до защитного слоя озона

Природный фон ситуаций материального риска территории Казахстана

Описание Географических и Климатических Особенностей Территории Алматинской Области Казахстана, Характеризующейся Уникальными Рельефами, Разнообразием Почв и Растительности, а также Спецификой Метеорологических Явлений

• Информатика
• Банковское дело
• Оценка бизнеса
• Бухгалтерское дело
• Валеология
• География
• Геология, Геофизика, Геодезия
• Религия
• Общая история
• Журналистика
• Таможенное дело
• История Казахстана
• Финансы
• Законодательство и Право, Криминалистика
• Маркетинг
• Культурология
• Медицина
• Менеджмент
• Нефть, Газ
• Искуство, музыка
• Педагогика
• Психология
• Страхование
• Налоги
• Политология
• Сертификация, стандартизация
• Социология, Демография
• Статистика
• Туризм
• Физика
• Философия
• Химия
• Делопроизводсто
• Экология, Охрана природы, Природопользование
• Экономика
• Литература
• Биология
• Мясо, молочно, вино-водочные продукты
• Земельный кадастр, Недвижимость
• Математика, Геометрия
• Государственное управление
• Архивное дело
• Полиграфия
• Горное дело
• Языковедение, Филология
• Исторические личности
• Автоматизация, Техника
• Экономическая география
• Международные отношения
• ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности), Защита труда