МОНИТОРИНГ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСА ЗЕМЛИ ИЗ ТОЧКИ ЛАГРАНЖА L
УДК 551.511.13
МОНИТОРИНГ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСА ЗЕМЛИ ИЗ ТОЧКИ ЛАГРАНЖА L1
© 2014 г. Х. И Абдусаматов, доктор физ.-мат. наук; Е. В. Лаповок, канд. техн. наук; С. И. Ханков, доктор техн. наук
Главная астрономическая обсерватория Российской академии наук, Санкт-Петербург
Е-mail: leva0007@rambler.ru, abduss@gao.spb.ru
Исследован метод мониторинга вариаций энергетического баланса Земли из точки Лагранжа L1. Метод основан на измерениях вариации солнечной постоянной в полном спектральном диапазоне и радиационного потока Земли в спектральных диапазонах 0,2100 мкм, 813 мкм и в ряде других диапазонов. Пороговая чувствительность телескопа с диаметром входного зрачка 400 мм должна быть равна 107 Вт при динамическом диапазоне четыре порядка. Метод позволяет регистрировать вариации альбедо Бонда на уровне 0,1%, что соответствует изменению температуры Земли на 0,03 K при учете вариации солнечной постоянной. Определены зависимости приращений альбедо Бонда, поглощаемой планетой удельной мощности солнечного излучения, а также планетарной температуры от вариации альбедо атмосферы и земной поверхности и пропускания атмосферой солнечного излучения.
Ключевые слова: точка Лагранжа, энергетический баланс Земли, солнечная постоянная, альбедо Бонда.
Коды OCIS: 120.4640, 120.0280, 350.1246, 350.6050, 350.6090
Поступила в редакцию 26.12.2012
Введение
Энергетический баланс Земли определяет ее эффективную Te и планетарную Tp термодинамические температуры. При этом эффективная температура характеризует излучательную способность Земли как абсолютно черного излучателя, а планетарная требует учета эффективной излучательной способности (степени черноты) планеты в целом (как земной поверхности, главным образом – океана, так и атмосферы). Излучение земной поверхности и атмосферы, строго говоря, не описывается законом Стефана–Больцмана. Для описания энергетического баланса планеты вблизи положения теплового равновесия и для определения на этой основе планетарной температуры необходимо введение и определение эффективной степени черноты системы океан–атмосфера. Величина Tp является результатом усреднения по всей поверхности температурного поля планеты (земной поверхности и атмосферы), и, также как Te является эквивалентом поверхностной температуры изотермического шара с радиу-
сом, равным радиусу верхней границы атмосферы. Альбедо Бонда Земли, солнечная постоянная и тепловое излучение планеты являются главными факторами, определяющими энергетический баланс и климат Земли [1], что требует непрерывной информации о вариациях этих величин.
Целью данного исследования является определение возможностей надежной диагностики тенденций изменения климата на основе мониторинга энергетического баланса из точки Лагранжа L1 в системе Солнце–Земля.
Задачи исследований состояли в определении структуры альбедо Бонда, оценке достоверности получаемой информации о его изменении с учетом вариаций солнечной постоянной, а также определении требований к пороговой чувствительности и динамическому диапазону измерительной аппаратуры. В задачи исследований также входило сопоставление эффективности мониторинга в интегральном спектре излучения и в окне прозрачности атмосферы 813 мкм.
Для решения этих задач исследованы возможности наиболее эффективного метода глобального
25 “Оптический журнал”, 81, 1, 2014
синоптического обзора и мониторинга долговременных вариаций альбедо Бонда из точки Лагранжа L1, который прорабатывался ранее, но не был осуществлен [2, 3]. При этом основное внимание уделено спектральному диапазону солнечного излучения и интегрального излучения Земли во всем спектре – от 0,2 до 100 мкм.
Поскольку динамика изменения альбедо Бонда наперед достоверно не известна, целесообразно ограничиться анализом конечных приращений альбедо Бонда, поглощаемых и отражаемых тепловых потоков и температуры под действием приращений исходных определяющих параметров. Для эффективной температуры как безынерционного параметра, мгновенно отслеживающего приращение поглощаемой планетой солнечной энергии, это тем более оправдано.
Энергетический баланс Земли и его вариации
Нестационарное уравнение энергетического
баланса Земли как планеты описывается урав-
нением
Ñ
dTp dτ
+
q
+
Δq
=QΣ
+
ΔQΣ
,
(1)
где С – суммарная удельная поверхностная те-
плоемкость активного слоя океана и атмосфе-
ры (полная теплоемкость, отнесенная к общей
площади поверхности планеты), q – средний
по поверхности удельный тепловой поток, из-
лучаемый Землей в космическое пространство
в состоянии теплового равновесия, Δq – его
приращение, QΣ поглощенная Землей (суммарно океаном и атмосферой) удельная мощ-
ность солнечного излучения, соответствующая
тепловому равновесию, ΔQΣ ее приращение. Удельные тепловые потоки и их прираще-
ния определяются из соотношений
q=εσTp4, QΣ =(1- A)Qin,
Qin
=
E 4
,
Δq=q(Tp +ΔTp )-q(Tp ),
ΔQΣ =QΣ (Qin +ΔQin, A +ΔA)-QΣ (Qin, A),
где ε излучательная способность (эффективная степень черноты) планеты, σ постоянная Стефана–Больцмана, А – альбедо Бонда, Qin – инсоляция верхней границы атмосферы, Е –
солнечная постоянная.
При заранее неизвестных законах изменения во времени величин ΔQin и ΔА целесообраз-
но проводить анализ влияния конечных при-
ращений удельных тепловых потоков, приняв
в выражении (1) dTp/dτ = 0. Поскольку величины q и QΣ соответствуют условию равновесного состояния и q = QΣ, уравнение (1) преобразуется к виду
Δq = ΔQΣ.
(2)
Малым приращениям ΔQin
МОНИТОРИНГ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСА ЗЕМЛИ ИЗ ТОЧКИ ЛАГРАНЖА L1
© 2014 г. Х. И Абдусаматов, доктор физ.-мат. наук; Е. В. Лаповок, канд. техн. наук; С. И. Ханков, доктор техн. наук
Главная астрономическая обсерватория Российской академии наук, Санкт-Петербург
Е-mail: leva0007@rambler.ru, abduss@gao.spb.ru
Исследован метод мониторинга вариаций энергетического баланса Земли из точки Лагранжа L1. Метод основан на измерениях вариации солнечной постоянной в полном спектральном диапазоне и радиационного потока Земли в спектральных диапазонах 0,2100 мкм, 813 мкм и в ряде других диапазонов. Пороговая чувствительность телескопа с диаметром входного зрачка 400 мм должна быть равна 107 Вт при динамическом диапазоне четыре порядка. Метод позволяет регистрировать вариации альбедо Бонда на уровне 0,1%, что соответствует изменению температуры Земли на 0,03 K при учете вариации солнечной постоянной. Определены зависимости приращений альбедо Бонда, поглощаемой планетой удельной мощности солнечного излучения, а также планетарной температуры от вариации альбедо атмосферы и земной поверхности и пропускания атмосферой солнечного излучения.
Ключевые слова: точка Лагранжа, энергетический баланс Земли, солнечная постоянная, альбедо Бонда.
Коды OCIS: 120.4640, 120.0280, 350.1246, 350.6050, 350.6090
Поступила в редакцию 26.12.2012
Введение
Энергетический баланс Земли определяет ее эффективную Te и планетарную Tp термодинамические температуры. При этом эффективная температура характеризует излучательную способность Земли как абсолютно черного излучателя, а планетарная требует учета эффективной излучательной способности (степени черноты) планеты в целом (как земной поверхности, главным образом – океана, так и атмосферы). Излучение земной поверхности и атмосферы, строго говоря, не описывается законом Стефана–Больцмана. Для описания энергетического баланса планеты вблизи положения теплового равновесия и для определения на этой основе планетарной температуры необходимо введение и определение эффективной степени черноты системы океан–атмосфера. Величина Tp является результатом усреднения по всей поверхности температурного поля планеты (земной поверхности и атмосферы), и, также как Te является эквивалентом поверхностной температуры изотермического шара с радиу-
сом, равным радиусу верхней границы атмосферы. Альбедо Бонда Земли, солнечная постоянная и тепловое излучение планеты являются главными факторами, определяющими энергетический баланс и климат Земли [1], что требует непрерывной информации о вариациях этих величин.
Целью данного исследования является определение возможностей надежной диагностики тенденций изменения климата на основе мониторинга энергетического баланса из точки Лагранжа L1 в системе Солнце–Земля.
Задачи исследований состояли в определении структуры альбедо Бонда, оценке достоверности получаемой информации о его изменении с учетом вариаций солнечной постоянной, а также определении требований к пороговой чувствительности и динамическому диапазону измерительной аппаратуры. В задачи исследований также входило сопоставление эффективности мониторинга в интегральном спектре излучения и в окне прозрачности атмосферы 813 мкм.
Для решения этих задач исследованы возможности наиболее эффективного метода глобального
25 “Оптический журнал”, 81, 1, 2014
синоптического обзора и мониторинга долговременных вариаций альбедо Бонда из точки Лагранжа L1, который прорабатывался ранее, но не был осуществлен [2, 3]. При этом основное внимание уделено спектральному диапазону солнечного излучения и интегрального излучения Земли во всем спектре – от 0,2 до 100 мкм.
Поскольку динамика изменения альбедо Бонда наперед достоверно не известна, целесообразно ограничиться анализом конечных приращений альбедо Бонда, поглощаемых и отражаемых тепловых потоков и температуры под действием приращений исходных определяющих параметров. Для эффективной температуры как безынерционного параметра, мгновенно отслеживающего приращение поглощаемой планетой солнечной энергии, это тем более оправдано.
Энергетический баланс Земли и его вариации
Нестационарное уравнение энергетического
баланса Земли как планеты описывается урав-
нением
Ñ
dTp dτ
+
q
+
Δq
=QΣ
+
ΔQΣ
,
(1)
где С – суммарная удельная поверхностная те-
плоемкость активного слоя океана и атмосфе-
ры (полная теплоемкость, отнесенная к общей
площади поверхности планеты), q – средний
по поверхности удельный тепловой поток, из-
лучаемый Землей в космическое пространство
в состоянии теплового равновесия, Δq – его
приращение, QΣ поглощенная Землей (суммарно океаном и атмосферой) удельная мощ-
ность солнечного излучения, соответствующая
тепловому равновесию, ΔQΣ ее приращение. Удельные тепловые потоки и их прираще-
ния определяются из соотношений
q=εσTp4, QΣ =(1- A)Qin,
Qin
=
E 4
,
Δq=q(Tp +ΔTp )-q(Tp ),
ΔQΣ =QΣ (Qin +ΔQin, A +ΔA)-QΣ (Qin, A),
где ε излучательная способность (эффективная степень черноты) планеты, σ постоянная Стефана–Больцмана, А – альбедо Бонда, Qin – инсоляция верхней границы атмосферы, Е –
солнечная постоянная.
При заранее неизвестных законах изменения во времени величин ΔQin и ΔА целесообраз-
но проводить анализ влияния конечных при-
ращений удельных тепловых потоков, приняв
в выражении (1) dTp/dτ = 0. Поскольку величины q и QΣ соответствуют условию равновесного состояния и q = QΣ, уравнение (1) преобразуется к виду
Δq = ΔQΣ.
(2)
Малым приращениям ΔQin