Расчеты потоков собственного излучения с высоким спектральным разрешением в безоблачной атмосфере на средних широтах Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 535.23

Е. А. Федотова, И. В. Мингалев

РАСЧЕТЫ ПОТОКОВ СОБСТВЕННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЫСОКИМ СПЕКТРАЛЬНЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ В БЕЗОБЛАЧНОЙ АТМОСФЕРЕ НА СРЕДНИХ ШИРОТАХ

Аннотация

Изложены результаты эталонных расчетов потоков собственного излучения в дальнем, среднем и ближнем ИК-диапазонах в безоблачной атмосфере Земли на средних широтах, выполненные с высоким разрешением по частоте. Ключевые слова:

эталонные расчеты потоков излучения, собственное излучение атмосферы.

E. A. Fedotova, I. V. Mingalev

CALCULATION OF RADIATION FLUXES WITH HIGH SPECTRAL RESOLUTION IN THE CLOUDLESS ATMOSPHERE AT THE MIDDLE LATITUDES

Abstract

The results of reference calculations of streams intrinsic radiation in the infrared bands in the cloudless atmosphere of the Earth at the middle latitudes with high frequency resolution, are presented.

Keywords:

reference calculations of radiation fluxes, intrinsic radiation of the atmosphere.

В данной работе изложены результаты эталонных расчетов потоков собственного излучения в дальнем, среднем и ближнем ИК-диапазонах в безоблачной атмосфере Земли на средних широтах. Расчеты выполнены с разрешением по частоте излучения 0.001 см-1. При расчетах использовалось приближение горизонтальной однородной атмосферы и учитывалось молекулярное рассеяние [1-6]. Для численного решения 1-мерного по пространству уравнения переноса излучения использовался новый вариант метода дискретных ординат [7]. В расчетах использовались равномерная сетка по высоте с шагом 200 м и равномерная сетка по зенитным углам с шагом менее 9 о. Коэффициенты молекулярного поглощения рассчитывались с использованием спектроскопической базы данных HITRAN 2012.

На рисунке 1 приведены вертикальные профили температуры и концентраций основных атмосферных газов, которые использовались в расчетах. Эти профили рассчитаны по эмпирической модели NRLMSISE-00 для условий июля над северной Атлантикой на широте 55о.

На рисунке 2 приведены вертикальные профили объемных долей малых газовых составляющих, которые использовались в расчетах. На рис.3-8 приведены вертикальные профили скорости нагрева-охлаждения воздуха за счет переноса собственного теплового излучения атмосферы в различных интервалах частот и вертикальные профили восходящих и нисходящих потоков энергии излучения в этих интервалах, полученные в результате проведенных расчетов при альбедо поверхности 0.1.

146

Рис.1. Вертикальный профиль температуры (слева) и вертикальные профили концентраций основных атмосферных газов (справа)

Рис.2. Вертикальные профили объемных долей малых газовых составляющих

Рис.3. Вертикальные профили скорости нагрева-охлаждения воздуха и восходящего и нисходящего потоков энергии за счет переноса собственного излучения атмосферы в интервалах частот от 100 до 550 см-1

147

Из рисунка 3 видно, что скорость нагрева-охлаждения воздуха за счет переноса собственного теплового излучения атмосферы в интервале частот от 100 до 550 см-1 существенно зависит от высоты и достигает значений -8.5 К/сут у поверхности и значений -8 К/ч на высоте 50 км (в районе стратопаузы). Видно, что поток энергии восходящего излучения в этом интервале частот слабо зависит от высоты, а поток энергии нисходящего излучения в этом интервале частот быстро убывает с увеличением высоты. Таким образом, за счет переноса собственного излучения атмосферы в этом интервале частот происходит охлаждение атмосферного газа на высотах 0-76 км.

Из рисунке 4 видно, что скорость нагрева-охлаждения воздуха за счет переноса собственного теплового излучения атмосферы в интервале частот от 550 до 1000 см-1 существенно зависит от высоты и достигает значений -1.5 К/сут у поверхности и значений -2.3 К/ч на высоте 42 км и что поток энергии восходящего излучения в этом интервале частот практически не зависит от высоты, при этом поток энергии нисходящего излучения в этом интервале частот быстро убывает с увеличением высоты.

Рис.4. Вертикальные профили скорости нагрева-охлаждения воздуха и восходящего и нисходящего потоков энергии за счет переноса собственного излучения атмосферы в интервалах частот от 550 до 1000 см-1

Из рисунка 5 видно, что скорость нагрева-охлаждения воздуха за счет переноса собственного теплового излучения атмосферы в интервале частот от 1000 до 1500 см-1 существенно зависит от высоты и достигает значений -2.3 К/сут у поверхности и значений -14 К/сут на высоте 46 км и что поток энергии восходящего излучения в этом интервале частот на высотах 0-10 км слабо убывает с ростом высоты, а выше практически не зависит от высоты, при этом поток энергии нисходящего излучения в этом интервале частот быстро убывает с увеличением высоты.

148

Рис.5. Вертикальные профили скорости нагрева-охлаждения воздуха и восходящего и нисходящего потоков энергии за счет переноса собственного излучения атмосферы в интервалах частот от 1000 до 1500 см-1

Рис.6. Вертикальные профили скорости нагрева-охлаждения воздуха и восходящего и нисходящего потоков энергии за счет переноса собственного излучения атмосферы в интервалах частот от 1 500 до 2000 см-

Из рисунка 6 видно, что скорость нагрева-охлаждения воздуха за счет переноса собственного теплового излучения атмосферы в интервале частот от 1500 до 2000 см-1 существенно зависит от высоты и достигает значений -0.4 К/сут у поверхности и значений -1.1 К/сут на высоте около 50 км. Видно, что поток энергии восходящего излучения в этом интервале частот на высотах 0-15 км убывает с ростом высоты, а выше практически не зависит от высоты, при этом поток энергии нисходящего излучения в этом интервале частот быстро убывает с увеличением высоты.

149

Рис.7. Вертикальные профили скорости нагрева-охлаждения воздуха и восходящего и нисходящего потоков энергии за счет переноса собственного излучения атмосферы в интервале частот от 2000 до 2500 см-1

Из рисунка 7 видно, что скорость нагрева-охлаждения воздуха за счет переноса собственного теплового излучения атмосферы в интервале частот от 2000 до 2500 см-1 зависит от высоты и достигает значений -0.12 К/сут у поверхности, а выше 5 км величина этой скорости не превышает значений

0.02 К/сут.

Рис.8. Вертикальные профили скорости нагрева-охлаждения воздуха и восходящего и нисходящего потоков энергии за счет переноса собственного излучения атмосферы в интервале частот от 2500 до 3 000 см-1

Из рисунка 8 видно, что скорость нагрева-охлаждения воздуха за счет переноса собственного теплового излучения атмосферы в интервале частот от 2500 до 3000 см-1 зависит от высоты и достигает значений -0.008 К/сут

150

у поверхности, на высотах от 5 до 25 км величина этой скорости не превышает значений 0.003 К/сут, а выше 25 км величина этой скорости не превышает значений 0.001 К/сут.

Выводы

Таким образом, для расчета скорости нагрева-охлаждения воздуха за счет переноса собственного теплового излучения атмосферы с точностью 1 % достаточно учитывать только излучение в интервале частот от 100 до 2000 см-1. Из рисунков 3-8 видно, что максимальные скорости выхолаживания атмосферы за счет собственного излучения получились на высотах верхней стратосферы и нижней мезосферы.

Благодарности

Авторы выражают благодарность Б. А. Фомину, А. В. Родину и

H. И. Игнатьеву за полезные обсуждения и консультации.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ №13-01-00063.

Литература

I. Ленобль Ж. Перенос радиации в рассеивающих и поглощающих атмосферах. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. 264 с.

2. Тимофеев Ю. М., Васильев А. В. Теоретические основы атмосферной оптики. СПб.: Наука, 2003. 474 с.

3. Нагирнер Д. И. Лекции по теории переноса излучения: учеб. пособие. СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2001. 284 с.

4. Fomin B. A. Effective interpolation technique for line-by-line calculations of radiation absorption in gases // J. Quant. Spectrosc. Rad. Transfer. 1995. Vol. 53. P. 663-669.

5. Franklin Evans K. The spherical harmonics discrete ordinate method for threedimensional atmospheric radiative transfer // Journal of the Atmospheric Sciences. 1998. Vol. 55. P. 429-446.

6. Stamnes K., Tsay S-Chee, Wiscombe W., Jayaweera K. Numerically stable algorithm for discrete-ordinate-method radiative transfer in multiple scattering and emitting layered media // Applied Optics. 1988. Vol. 27, N. 12. P. 2502-2509.

7. Новый вариант метода дискретных ординат для расчета собственного излучения в горизонтально-однородной атмосфере / Н. И. Игнатьев, И. В. Мингалев, А. В. Родин, Е. А. Федотова // ЖВМ и МФ. 2015. Т. 55, № 10.С. 109-123.

Сведения об авторах

Федотова Екатерина Алфеевна,

младший научный сотрудник, Полярный геофизический институт, г. Апатиты, [email protected]

Мингалев Игорь Викторович,

к.физ.-мат.н., старший научный сотрудник, Полярный геофизический институт, г. Апатиты, [email protected]

151