Форма, руху Землі та їх наслідки. Сонячна радіація в атмосфері

Практична робота № 1

Форма, руху Землі та їх наслідки. Сонячна радіація в атмосфері

Думка про те, що Земля має форму кулі, вперше висловив в VI ст. до н.е. давньогрецький вчений Піфагор, а довів це і визначив радіус Землі єгипетський математик Ератосфен жив в III столітті до н.е.
Як і всі планети Сонячної системи, Земля має кулясту форму. Перш ніж говорити про її точні розміри, введемо кілька важливих географічних понять.

Земля обертається навколо уявної прямої - так званої земної осі. Точки перетину земної осі з земною поверхнею називаються полюсами. Їх два: Північний і Південний. Лінія перетину поверхні земної кулі площиною, що проходить через центр Землі перпендикулярно земної осі, називається екватором. Площині, що перетинають земну поверхню паралельно площині екватора, утворюють паралелі, а площини, що проходять через два полюси, - меридіани (рис. 1).

Мал. 1. Градусная мережу Землі

Через обертання навколо своєї осі і виникає при цьому відцентрової сили, Земля трохи сплюснута біля полюсів і її велика піввісь (екваторіальний радіус (а)) майже на 21,4 км більше, ніж відстань від центру Землі до полюсів. Такий сплюснутий біля полюсів куля називається сфероїдом або еліпсоїдом обертання (рис. 2а) .Земной еліпсоїд з певними розмірами і орієнтований певним чином для частини Землі називають референц-еліпсоїдом. У нашій країні його розміри були отримані під керівництвом видатного геодезиста Ф. Н. Красовський. Його параметри:

• екваторіальний радіус (а) - 6378245 м,
• полярний радіус (b) - 6356863м
• довжина меридіана - 40008500 м,
• довжина екватора - 40075700 м,
• площа поверхні Землі - 510 млн. км2.

Рис.2. Форма Землі: а) еліпсоїд обертання; б) геоид

Насправді фігура Землі ще складніше. Вона відхиляється від правильної форми сфероида через неоднорідного будови надр і нерівномірного розподілу маси. Справжня геометрична фігура Землі називається геоидом ( "землеподібну"). Геоид - це фігура, поверхня якої усюди перпендикулярна напрямку сили тяжіння, тобто схилу.

Геоид - умовна поверхню рівного потенціалу (поверхню рівноваги), що збігається з поверхнею вільно спочиває води у відкритому океані. Підняття геоїда над еліпсоїдом не перевищують 136 м, опускання - 162 м.

Земля робить багато різних рухів, з яких важливе значення мають - осьовий і рух навколо Сонця.

Осьовий рух Землі. Кутова швидкість обертання Землі (тобто кут, на який повертається якась точка на поверхні Земля за певний відрізок часу) однакова для всіх широт. За одну годину точка пробігає 150 (3600: 24 год). Лінійна ж швидкість залежить від широти місця. На екваторі вона дорівнює 464 м / с.

Наслідки руху Землі навколо своєї осі:

1. При обертанні Землі виникає відцентрова сила, яка відіграє важливу роль у формуванні фігури планети і тим самим зменшує силу тяжіння.

2. Відбувається зміна дня і ночі.

3. З'являється відхилення тел від напрямку їх руху, цей процес був названий сила Коріоліса (на честь французького вченого Гюстава Коріоліса, який відкрив її в 1833 році). Дана сила проявляється у багатьох процесах: вона змінює рух повітряних мас, морських течій. З цієї причини відбувається підмив правих берегів в північній півкулі і лівих берегів в південній півкулі.

4. З осьовим рухом пов'язані явища добової ритмічності і біоритми. Добовий ритм пов'язаний зі світловими і температурними умовами.

Рух Землі навколо Сонця. Земля, обертаючись навколо своєї осі, в той же час рухається навколо Сонця зі швидкістю близько 30 км / с. При такій великій швидкості вона робить повний оборот протягом 365 діб. 5 ч 48 хв 46 с, проходячи шлях 937 млн. Км. Цей шлях називається орбітою.

Шлях Землі навколо Сонця називається орбітою. Орбіта Землі - це еліпс, близький до кола. Її довжина становить понад 930 млн. Км. Вісь обертання Землі нахилена до орбіти під кутом 66,5 градусів, це явище сприяє зміні пір року. Нахил земної осі до площини орбіти і збереження її орієнтування в просторі обумовлює різний кут падіння сонячних променів і відповідно відмінності в надходженні тепла на земну поверхню, а також впливає на неоднакову тривалість дня і ночі протягом року на всіх широтах, крім екватора.

Зміна пір року. Влітку Північна півкуля як би повернуто до Сонця, а взимку - навпаки. 23 вересня і 21 березня - дні осіннього і весняного рівнодення, коли Сонце однаково висвітлює обидві півкулі Землі. У цей день і в Північному і в Південній півкулі день дорівнює ночі. 22 грудня - день зимового сонцестояння: найкоротший день і найдовша ніч у Північній півкулі. Земля звернена до Сонця своїм Південним півкулею. Там літо. У нас зима (рис. 3, 4).

Тропіки (від грец. Tropicos - коло повороту) - географічні паралелі, віддалені на північ і на південь від екватора на 23 ° 27 '.

22 грудня, в день зимового сонцестояння, Сонце знаходиться в полудень в зеніті для місць, що лежать на Південному тропіку (тропік Козерога).

Мал. 3. Падіння сонячних променів на земну поверхню і освітлення Землі

22 червня - день літнього сонцестояння, коли найдовший день і найкоротша ніч в Північній півкулі. У цей день Сонце в зеніті спостерігають жителі місць, розташованих на Північному тропіку (тропік Рака). У Південній півкулі в цей час зима.

Перигелій (від пери ... і грец. Hélios - Сонце), найближча до Сонця точка орбіти небесного тіла, що рухається навколо Сонця по одному з конічних перерізів - еліпсу, параболі або гіперболі.

Афелій (від грец. Аро - далеко від і helios - Сонце), точка орбіти планети, комети або будь-якого іншого тіла, що обертається навколо Сонця, найбільш віддалена від Сонця

Зеніт - кут падіння сонячних променів до земної поверхні 90 °.

Полярні кола - географічні паралелі, віддалені на північ і на південь від екватора на 66 ° 33 '. Вони є межами зон полярних ночей і полярних днів.

Полярна ніч може тривати в полярних поясах від 1 доби на широті Північного або Південного полярних кіл до 178 діб на Північному або Південному полюсах. Під час полярної ночі Сонці не з'являється над горизонтом. У Північній півкулі на широті Північного полярного кола цей період починається 22 грудня, а в більш високих широтах - раніше.

Полярний день - це період, коли Сонці не спускається за горизонт. Чим далі від полярного кола до полюса, тим довше полярний день. На широті полярного кола він триває 1 добу, а на полюсі - 189 діб. У Північній півкулі на широті Північного полярного кола полярний день починається 22 червня. Аналогічне явище спостерігається в Південній півкулі, але в інше півріччя.

Внаслідок нахилу осі обертання Землі до площини орбіти і обумовлених цим відмінностей в освітленості її поверхні Сонцем, на нашій планеті утворилися п'ять поясів освітленості, обмежених тропіками і полярними колами. Вони відрізняються тривалістю дня і тепловими умовами.

Жаркий пояс лежить між тропіками, по обидва боки від екватора, і займає близько 40% земної поверхні. У цьому поясі Сонце по одному разу в рік (в дні сонцестояння) буває в зеніті над кожним з тропіків. На екваторі день завжди дорівнює ночі.

Два помірних пояса розташовані між тропіками і полярними колами. Сонце в них ніколи не буває в зеніті. Протягом доби обов'язково відбувається зміна дня і ночі, причому тривалість їх залежить від широти і пори року. Помірні пояси займають 52% земної поверхні.

Два холодних пояса - на північ від Північного полярного кола і на південь від Південного полярного кола - характеризуються наявністю полярних днів і ночі. Їх площа - 8% земної поверхні. Пояси освітленості складають основу кліматичної зональності Землі і природної зональності взагалі.

Завдання 1. Визначте за допомогою малюнка «Відхилення поверхні геоїда від еліпсоїда» ділянки Землі з «провалами» і «підняттям» над рівневої поверхнею геоїда »(рис. 5).

Мал. 4. Рух Землі навколо Сонця

Завдання 2. Розрахуйте і порівняйте лінійну швидкість обертання точок в різних широтах і заповніть таблицю 1. Опишіть слідства обертання Землі навколо своєї осі. Лінійна швидкість обертання точок Землі можна обчислити за формулою: V = V1 * cos φ, де

V1 - швидкість на екваторі;

φ - широта

Таблиця 1

Лінійна швидкість точок в різних широтах при осьовому обертанні Землі

Широта, 0

0

10

20

30

40

50

60

Швидкість, м / с

Завдання 3. Зобразіть відстань між Землею і Сонцем на малюнку. Охарактеризуйте зв'язок між змінами місць сходу і заходу Сонця і тривалістю дня протягом року. Поясніть зміну пір року. охарактеризуйте пояса освітленості.

Розгляньте і замалюйте схеми положення Землі по відношенню до сонячних променів в дні: весняного і осіннього рівнодення; зимового і літнього сонцестояння.

Рис.5. Відхилення поверхні геоїда від еліпсоїда (в метрах)

Сонячна радіація в атмосфері

Потрапляючи в атмосферу, сонячна радіація зазнає різні зміни (рис. 1). Частина її приходить до земної поверхні у вигляді пучка паралельних променів через атмосферу і називається прямий радіацією. Приплив прямий радіації характеризується інтенсивністю радіації (або потоком радіації, або щільністю потоку радіації). Інтенсивність радіації (I) - це кількість променевої енергії, що надходить до поверхні, перпендикулярної до сонячних променів, в одиницю часу на одиницю площі.

Малюнок 1 - Розподіл сонячної енергії в атмосфері Землі

Розсіяна радіація утворюється при зіткненні сонячних променів з молекулами повітря і домішками, коли пряма сонячна радіація перетворюється в радіацію, що йде в усіх напрямках.

Пряма і розсіяна радіації складають сумарну сонячну радіацію, що визначає тепловий режим тропосфери. З розсіяною радіацією пов'язаний ряд особливостей атмосфери - сутінки, зоря, розсіяне світло, видимість.

Сутінки - період плавного переходу від денного світла до темряві ночі після заходу і назад - перед сходом Сонця. Тривалість сутінків залежить від географічної широти, чим ближче до екватора, тим вони коротші. Якщо Сонце опускається за горизонт менш ніж на 18º, то повної темряви не настає і вечірні сутінки зливаються з ранковими. Це явище називається білі ночі.

Зоря - розсіювання, дефракція і переломлення сонячних променів в найдрібніших атмосферних аерозолях і на більших частках в різних шарах атмосфери. Характерні для зорі кольору - пурпурний і жовтий, в залежності від домішок в повітрі, можуть змінюватися в широких межах, даючи сукупність барвистих світлових явищ до заходу і після сходу сонця.

Розсіяне світло - це розсіяна радіація в денний час, внаслідок чого світло навіть там, куди сонячні промені безпосередньо не потрапляють, і коли сонце приховано за хмарами.

Видимість - відстань, в межах якого стають помітні обриси об'єкта, що спостерігається. Величина його залежить від розсіювання і поглинання світла атмосферним повітрям і домішками в ньому. В тумані значення відстані може спадати до декількох метрів, а в слабо запиленому сухому повітрі (особливо арктичному) - досягати десятків і сотень кілометрів.

Потрапляючи на земну поверхню, сумарна радіація здебільшого поглинається верхнім шаром суші і води і переходить в тепло, а частково відбивається. При цьому відношення кількості відбитої радіації до загальної кількості радіації називається альбедо поверхні і виражається у відсотках. Ця величина залежить від характеру рельєфу, від наявності рослинності, від якісного стану поверхні. Альбедо поверхні води, снігу, льоду залежать від висоти Сонця над горизонтом.

Найбільш високе альбедо характерно для полярних областей (близько 70-80%) і викликано сніговим покривом. Зменшення значень альбедо в середніх широтах (до 40-60%) пов'язано з тим, що це райони великий хмарності через шторми на фронтах повітряних мас. Мінімальна альбедо (20-30%) для низьких широт обумовлено тим, що в субтропічному поясі високого атмосферного тиску хмари майже не формуються, лише у внутрішньотропічній зоні конвергенції (ВЗК) зі збільшенням хмарності альбедо дещо зростає. Частка сонячної радіації, відображена земною поверхнею і атмосферою в цілому, називається планетарним альбедо. Планетарне альбедо Землі оцінюється величиною в 35-40%, велику частку якого становить відображення хмарами.

Будь-яке тіло, випускає енергію, в тому числі і Земля. Різниця між випромінюванням землі і випромінювання атмосфери називають ефективним випромінюванням (Ееф):

Ееф = Еземлі - Еатмосфери

У хмарну погоду Ееф менше ніж в ясну, а значить менше охолоджується Земля.

Різниця між поглинутою сумарною радіацією і ефективним випромінюванням називається радіаційним балансом (R).

Розподіл сумарної радіації і радіаційного балансу по планеті формує закон географічної (широтной) зональності. В цілому названі параметри зменшуються від низьких широт (екватор, тропіки) до високих (помірні, арктичні).

Сумарний річний R позитивний всюди, крім Гренландії і Антарктиди. На океанах його значення більше, ніж на суші, бо вода поглинає більше радіації, знижений R в пустелях, в районах з мусонним кліматом. У грудні R негативний на більшій частині північної півкулі - нульова изолиния проходить південніше 40º с. ш. У червні R позитивний в північній півкулі, а також в екваторіальних і тропічних районах південної півкулі, а на широтах південніше 40º ю. ш. - дорівнює нулю.

Промениста енергія Сонця є основним і практично єдиним джерелом тепла для поверхні Землі і її атмосфери. Ця енергія перетворюється в теплову частково в атмосфері, але головним чином на поверхні грунту і води. Сонячна радіація, акумульована діяльної поверхнею, витрачається на випаровування або конденсації (LE), на теплообмін між поверхнею грунту і повітрям (P), на теплообмін між поверхнею грунту і нижчого рівня шарами (A).

Зв'язок між цими величинами виражається рівнянням теплового балансу:

R = LE + P + A,

де R - радіаційний баланс діяльної поверхні; Р - витрати тепла на турбулентний теплообмін; А - теплообмін в грунті; LE - витрати тепла на випаровування.

Географічний розподіл складових теплового балансу досить складно, і в залежності від того, які їхні співвідношення, формується ландшафтний лик Землі. Наприклад, невелике значення відносини LE / P на суші означає її сухість, що сприяє формуванню пустель, сухих степів. Навпаки, високі значення параметра LE / P означають посилення процесів випаровування і характеризують більш вологий клімат.

Тепловий баланс діяльної поверхні Землі є одним з приватних виразів основного закону збереження енергії. Відповідно до перерозподілом цієї енергії між складовими теплового балансу формуються певні типи клімату, мікроклімату і метеорологічного режиму з характерними особливостями екологічної рівноваги в кожному конкретному випадку. Для всієї планети в цілому надходження та витрачання тепла рівні, т. Е. За довгий ряд років тепловий баланс системи «Земля - ​​атмосфера» дорівнює нулю, і Земля, як планета, знаходиться в тепловій рівновазі.

Нагрівається від променевої енергії Сонця, що проникає через атмосферу, не тільки земна поверхня, йде і зворотний процес, коли від поверхні суші і води нагріваються приземні шари повітря. Послідовність процесів при цьому приблизно наступна. Провідну роль відіграє сонячна радіація.

У ранкові години зі сходом сонця приплив радіації зростає, що підсилює нагрівання суші. Внаслідок турбулентного теплообміну від підстильної поверхні нагріваються спочатку нижні, а потім і вище розміщені шари повітря. Вночі, в результаті випромінювання грунтом тепла, температура її поверхні знижується, а повітря залишається теплим, але охолоджується від підстильної поверхні.

В результаті сильного радіаційного охолодження земної поверхні може виникнути інверсія температур - явище, коли нижні шари повітря холодніше верхніх. У тому випадку, коли зміна температури повітряних мас відбувається в горизонтальному напрямку, вводиться поняття адвекции. Наприклад, на місце холодних повітряних мас (ВМ) притікають теплі ВМ або навпаки.

Розподіл середніх температур в будь-якому регіоні, як і в усьому світі, представляють карти ізотерм. Ізотерми - це лінії, що з'єднують точки з однаковими значеннями температур, які спостерігаються в різних місцях.

Аналіз зміни багаторічних значень температур повітря дозволяє виділити наступні закономірності. Температура повітря, в цілому, зменшується від екватора до полюсів відповідно до зміни радіаційного балансу діяльної поверхні. Від паралелей ізотерми особливо сильно відхиляються в північній півкулі, так як велике вплив морських течій і снігового покриву, льодовиків і досить чіткою зміни рослинних формацій, екологічно обумовлених особливостями ландшафтів і гірських масивів і т. Д.

Завдання 1. Опишіть і схематично покажіть процес розподілу сонячної енергії в атмосфері Землі, використовуючи малюнок 1. Дайте відповідь на наступні питання:

1. Які якісні і кількісні зміни зазнає сонячна радіація, потрапляючи в атмосферу Землі?

2. Які явища в атмосфері пов'язані з розсіяною радіацією?

3. Розкажіть про альбедо поверхні, що воно характеризує?

Завдання 2. Охарактеризуйте радіаційний баланс земної поверхні. Користуючись картами, опишіть географічний розподіл сумарної радіації і радіаційного балансу протягом року, грудня і червня.

Завдання 3. Напишіть рівняння теплового балансу земної поверхні і перерахуйте його складові. Поясніть процес нагрівання або охолодження діяльного шару земної поверхні. Опишіть основні закономірності географічного розподілу температури повітря в земної поверхні протягом року, січні та липні.