Лабораторная работа №10

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ПАРНИКОВОГО ЭФФЕКТА

Цель работы: определение значений равновесной температуры поверхности в условиях лучистого теплообмена при изменении коэффициента пропускания промежуточного слоя.

Общие положения

Солнце является основным источником энергии, обеспечивающим существование жизни на Земле.

Для характеристики солнечного излучения и взаимодействия его с веществом используются следующие основные величины.

Поток излучения –величина, равная энергии, переносимой электромагнитными волнами за одну секунду через произвольную поверхность. Измеряется в Дж/с=Вт.

Плотность потока излучения (энергетическая освещенность) – величина, равная отношению потока излучения к площади равномерно облучаемой им поверхности. Измеряется в Вт/м².

Плотность потока излучения от Солнца, падающего на перпеникулярную ему площадку вне земной атмосферы, называется солнечной константой S, которая равна 1367 Вт/м².

Коэффициент поглощения (поглощательная способность) тела – величина, измеряемая отношением потока излучения, заключенного в узком спектральном интервале частот, поглощаемого поверхностью тела, к потоку излучения, падающему на эту поверхность в том же спектральном интервале. Коэффициент поглощения зависит от температуры тела, частоты (или длины волны) излучения, а также от природы тела. Тело, для которого коэффициент поглощения равен единице, называется абсолютно черным телом. Оно поглощает все падающее на него излучение. Близкой по оптическим свойствам к черному телу является сажа.

Коэффициент отражения (отражательная способность) тела -величина, равная отношению потока излучения, отраженного поверхностью тела, к падающему на эту поверхность потоку. Для поверхностей, которые рассеивают падающее солнечное излучение, эту величину также называют альбедо.

Альбедо – отношение потока излучения, рассеиваемого поверхностью, к падающему на поверхность потоку излучения

Парниковый эффект – свойство атмосферы пропускать солнечную радиацию, но задерживать земное излучение и тем самым способствовать аккумуляции тепла Землей.

Закон Стефана–Больцмана: величина, численно равная полной энергии излучения тела с единицы его поверхности в единицу времени, называется энергетической светимостью или энергетической яркостью тела и представляет собой плотность потока лучистой энергии.

E 0 = s 0 T 4,

(10.1)

где s₀ = 5,67 ×10^–8 Вт/(м²×К⁴), называется постоянной Стефана-Больцмана (константа излучения абсолютно черного тела).

Т – температура тела, К.

Энергетическая светимость реальных тел при той же температуре меньше, чем абсолютно черного тела. Для не абсолютно черных («серых») тел в закон Стефана-Больцмана вводится поправочный коэффициент e, называемый интегральной излучательной способностью или степенью черноты сероготела, и этот закон записывается в виде

Е = es 0 T 4 =С 0 Т 4,Вт/м2,

(10.2)

где С ₀ = 5,67 Вт/(м²×К) – коэффициент излучения абсолютно черного тела;

Т – температура тела, К.

Для абсолютно черного тела e = 1, для «серого» тела – e < 1.

Закон смещения Вина. Тепловое излучение содержит широкий спектр длин электромагнитных волн. Однако каждому значению температуры тела соответствует определенная длина волны l_max, на которую приходится наибольшая доля переносимой энергии. Значение этой длины волны обратно пропорционально температуре тела и определяется следующим законом смещения Вина:

l max = b/T,

(10.3)

где b = 2,898×10^–3 (м×К), называется постоянной Вина.

Из этого закона видно, что с ростом температуры эта длина волны уменьшается и смещается из красной в сторону фиолетовой области спектра.

Например:

на поверхности Солнца Т = 6000 К и l_max = 0,483 мкм,

на поверхности Земли Т = 300 К и l_max = 9,66 мкм,

криогенные температуры (жидкий азот) Т = 4,2 К и l_max = 690 мкм.

Из приведенных выше цифр видно, что тепловое излучение тел с температурами, обычно достигаемыми в земных условиях, сосредоточено в инфракрасной области.

Земная атмосфера сравнительно хорошо пропускает коротковолновую солнечную радиацию, которая почти полностью поглощается земной поверхностью, т.к. альбедо земной поверхности мало.

На поверхность земного шара попадает около 1,2×10¹⁷ Вт солнечной энергии, что примерно в 20000 раз больше мощности всех электростанций планеты. Мощность солнечного излучения за пределами атмосферы составляет 1396 Вт/м², однако на земной поверхности эта величина меньше из-за поглощения атмосферой. Около 31% падающего на Землю коротковолнового излучения Солнца отражается обратно в космос, а 19% этого излучения поглощается атмосферой и вызывает ее нагрев.

Нагреваясь за счет поглощения солнечной радиации, земная поверхность становится источником земного, в основном длинноволнового излучения, прозрачность атмосферы для которого мала и которое почти полностью поглощается в атмосфере.

Особенно эффективными поглотителями солнечной радиации в атмосфере являются водяной пар, двуокись углерода, кислород и озон. Остальное количество излучения достигает поверхности земного шара в виде прямого и рассеянного излучения.

Из этого потока солнечной энергии 3% отражается от поверхности Земли, а 47% превращается в тепло. При этом происходит повышение температуры и поверхность испускает часть поглощенной энергии в виде излучения. Она переизлучает в окружающее пространство в длинноволновой области спектра (поскольку максимум излучения поверхности Земли согласно закону Вина лежит в инфракрасном диапазоне). Почти вся солнечная радиация, достигающая Земли имеет длину волны менее 4 мкм, тогда как излучение земной поверхности имеет более широкий диапазон (от 4 до 40 мкм).

Поглощение в атмосфере, которое сравнительно невелико в диапазоне 500-1000 нм, намного выше для излучения поверхности Земли из-за присутствия молекул воды, углекислого газа, кислорода и метана, имеющих сильные полосы поглощения в инфракрасной области. В диапазонах 3,0-4,5 мкм и 8,5-14 мкм земная атмосфера имеет окна прозрачности, а в остальных областях почти полностью поглощает инфракрасное излучение. Поскольку поверхность Земли находится в равновесном состоянии (т.е. отдает в космос такое же количество энергии, которое получает), то температура поверхности и атмосферы возрастает для сохранения баланса. В этом состоит явление парникового эффекта в земной атмосфере.

Температура поверхности Земли для состояния термодинамического равновесия определяется, таким образом, из баланса потоков теплового излучения в данной системе:

(1– АВ) Е0 p R 2 =s Tэфф 44 R 2,

(10.4)

где: А _В– интегральный полусферический коэффициент отражения поверхности планеты;

Е ₀–поток излучения от Солнца, Вт/м²;

s –постоянная Стефана-Больцмана; R –радиус планеты;

Т _эфф–эффективная температура планеты.

Под эффективной температурой понимается фиктивное значение, при котором расчетная энергия, излучаемая абсолютно черным телом с той же поверхностью, что и у планеты, совпадает с энергией, излучаемой планетой во всем спектре. Сравнение значений средней и эффективной температуры поверхности позволяет судить о влиянии парникового эффекта в атмосфере на тепловой режим планеты.

При использовании замкнутых светопроницаемых объемов для создания парникового эффекта в растениеводстве устраняется, кроме того, влияние конвекции на унос теплоты от поверхности грунта и температура изолированной поверхности возрастает в еще большей степени.