Determinarea intensitatii fluxurilor de radiatii din atmosfera

Determinarea intensitatii fluxurilor de radiatii din atmosfera

In atmosfera terestra se individualizeaza numeroase fluxuri de energie radianta, a caror sursa primara este Soarele . Aceasta energie radianta emisa de Soare catre suprafata Pamantului traverseaza atmosfera , suferind o serie de modificari calitative si cantitative ,astfel incat ea apare sub forma unor fluxuri radiative distincte . La randul ei, suprafata terestra , emite o parte din radiatiile solare incidente si absoarbe o alta, emitand un flux de radiatii cu lungimi mari de unda . Acest flux este absorbit de atmosfera in proportii variabile , iar , prin incalzire , emite la randul sau radiatii de unda lunga in toate directiile .

Radiometria este ramura meteorologiei care studiaza toate fluxurile radiative , inclusiv bilantul radiadiv al atmosferei terestre . Aceasta denumire a fost pusa in urma unei hotarari a Organzatiei Meteorologice Mondiale ,ea numindu-se in trecut actinometrie sau actinologie ( de la cuvantul grecesc "actinos" care inseamna raza ) .

Toate fluxurile de energie radianta pot fi exprimate in unitati de masura energetice sau calorice . In meteorologie se utilizeaza aproape exclusiv unitatile de masura calorice , deoarece cantitatea de caldura pe care o produc fluxurile radiative ce strabat atmosfera poate fi mai usor determinata decat energia lor . In acelasi timp, unitatile de masura calorice raspund mult mai bine cerintelor meteorologiei si climatologiei , pentru ca de caldura primita sau cedata de scoarta terestra , prin mijlocirea fluxurilor energetice , depind toate elementele meteorologice ce caracterizeaza un punct sau o regiune oarecare .

Unitatile    de masura calorimetrice sunt caloria si kilocaloria , iar 1 cal = 4,188 x 10⁷ ergi .

In practica meteorologica se urmareste determinarea cantitatii de energie radianta ( F ) ce cade pe o suprafata oarecare ( S ) , intr-o unitate de timp . Aceasta se exprima in cal / min .

Raportand cantitatea de energie ( F) a unui flux radiativ la suprafata (S) , pe care acesta cade , se obtine intensitatea ( I ) a fluxului respectiv , exprimata in cal /cm ² min :

I =F / S ( cal / cm² min ) .

Linke a propus ca intensitatea radiatiilor sa se masoare printr-o unitate de masura numita langley (ly) , care este echivalenta cu cal / cm² ( 1 ly =1 cm²).

Ca urmare a adoptarii acestei noi unitati de masura , intensitatea fluxurilor radiative ce strabat atmosfera poate fi exprimata nu numai in cal/cm² min ,ci si in ly/min ( 1 ly = 0,6976 10⁶ erg/cm² s = 0,0697 watt / cm² ) .

Insusirile si variatiile de intensitate ale energiei radiante se supun unor legi . Acestea sunt :

a) Legea Kirchhoff , care se refera la insusirile emisive si absorbante proprii tuturor corpurilor materiale din natura . "La o temperatura data (T) , in conditiile echilibrului termodinamic , raportul dintre capacitatea de energie (e) si cea de absorbtie (a) ale unui corp oarecare este o valoare constanta , egala cu capacitatea de emisie a corpului absolut negru (E) , atat in cazul radiatiei cu o anumita lungime de unda ( l ), cat si in cazul radiatiei totale , cu lungimi de unda diferite .

In cazul radiatiei cu o anumita lungime de unda , ea poate fi scrisa :

E_l,T = e_l,T / e _l,T , iar marimea E_l,T depinde de lungimea de unda a radiatiei si de temperatura absoluta a corpului radiant.

In cazul radiatiei totale , ea se poate scrie : E_T = e_T / e_T , iar marimea E_T depinde numai de temperatura .

Legea Kirchhoff conduce la urmatoarele doua concluzii : pentru o temperatura data (T) , un corp care emite radiatii cu o anumita lungime de unda (l) absoarbe concomitent radiatiile cu aceeasi lungime de unda provenite din surse exterioare ; un corp bun absorbant este in acelasi timp si un bun radiant si invers .

Corpul absolut negru este corpul (ideal) care absoarbe toata cantitatea de energie radianta ce cade pe suprafata sa .Capacitatea lui de absorbtie este egala cu 1.

Conform legii Kirchhoff , corpul absolut negru este si un bun radiator integral, capacitatea sa de emisie reprezentand limita superioara posibila pentru oricare alt corp aflat la aceeasi temperatura .Corpurile din natura nu sunt absolut negre , iar capacitatea lor de absorbtie este subunitara ( s_l,T < 1) . Ele emit cantitati de radiatii mai mici decat corpul absolut negru , la aceeasi temperatura , numai capacitatea de absorbtie a negrului de fum si negrului de platina apropiindu-se de cea a corpului absolut negru (a ≈ 0,9 ).

Aceasta lege permite stabilirea unor relatii precise intre capacitatea de absorbtie si cea de emisie a unor corpuri oarecare din natura , dar si intre acestea si corpul absolut negru .

b) Legea Stephan-Boltzmann exprima dependenta direct proportionala a capacitatii totale de emisie radiativa (E) a corpului absolut negru de temperatura lui absoluta (T) la puterea a patra:

E = s ^. T⁴ ,

in care s = constanta Stephan si Boltzmann = 5,6697(29) ^. 10^-8 Wm²K^-4 = =0,826 ^.10 ^-10 cal / cm^2. min. grad.

Legea Stephan-Boltzmann perminte calcularea ,de o maniera destul de exacta, a temperaturii suprafetei Soarelui :

T= E /s k

Valoarea termenului E = 87320 a fost obtinuta prin raportarea cantitatii totale de energie emisa de Soare ( 5,316 10²⁷ cal / min ) la suprafata acestuia (4 p x²): E = 5,316 p x² = 87320 cal / cm² min .

c) Legea Wien stabileste o relatie simpla intre lungimea de unda corespunzatoare intensitatii maxime a radiatiei emise de corpul absolut negru (l_max ) si temperatura absoluta la care se produce emisia (T) ,demonstrand ca produsul dintre acestea este o valoare constanta (2884) .   

l_max T = 2884

Avand in verdere ca in spectrul radiativ solar intensitatii maxime a radiatiilor emise ii corespunde lungimea de unda de 0,475 m , s-a putut calcula temperatura suprafetei Soarelui cu o eroare care abia depaseste 1% .

0,475 T = 2884

T = 2884 / 0,475 = 6072 k

Legea Wien a mai fost numita si legea deplasarii , deoarece cresterea temperaturii absolute a suprafetei emisive determina deplasarea catre valori mai mici a lungimii de unda corespunzatoare intensitatii maxime a radiatiilor . Ea se aplica numai la determinarea temperaturii corpurilor a caror distributie spectrala a intensitatii radiatiilor emise este apropiata de cea a corpului absolut negru .

d) Legea Planck ofera posibilitatea calcularii intensitatii energiei ( E_l,T ) radiata de un corp absolut negru , in functie de lungimea de unda a radiatiilor (l) si de temperatura absoluta (T) a suprafetei emisive , pe baza relatiei :

E_l,T pc²h / l ) . ( 1/ hc / e^hc/klT

in care : c = viteza luminii ;

h = constanta Planck = 0,6256(5) 10^-34 J s ;

l = lungimea de unda a radiatiilor;

e = functie exponentiala ;

k = constanta lui Boltzmann = 1,38054(12) 10^-23 J k^-1 ;

T = temperatura absoluta .

Energia purtata de radiatiile cu lungimi extreme de unda de la ambele capete ale spectrului radiativ este foarte mica .Aceasta ofera posibilitatea stabilirii limitelor lungimilor de unda intre care se extinde spectrul radiativ al oricarui corp , pentru fiecare temperatura in parte .

Astfel , Soarele , la suprafata caruia temperatura absoluta este de cca 6000 K, are spectrul radiativ cuprins intre o si 4-5m ( cu intensitatea maxima a energiei radiante centrale de 0,475m ) ; suprafata terestra , a carei temperatura medie se ridica la cca 300 k , are spectrul radiativ intre 3 si 10 m (cu maximul corespunzand radiatiilor cu lungime de unda 10m ) , iar atmosfera,considerata la nivelul stratosferei inferioare, unde temperatura medie este in jur de 200 k , are spectrul radiativ intre 4 si 120m ( cu maximul centrat pe 14,5m

In mod conventional , se considera ca radiatiile venite de la Soare sunt radiatii de unda scurta , iar radiatiile emise de suprafata terestra si atmosfera ca fiind de unda lunga .