Альбедо - Albedo


Из Википедии, свободной энциклопедии

Процент диффузно отраженного солнечного света по отношению к различным условиям поверхностных

Альбедо ( / æ л б я д / ) ( латинская : альбедо , что означает «белизну») является мерой диффузного отражения от солнечной радиации из общей солнечной радиации , полученной с помощью астрономического тела (например, планета , как Земли ) , Это безразмерное и измеряется по шкале от 0 ( что соответствует черному телу , которое поглощает все падающее излучение) до 1 (соответствующего органа , который отражает все падающее излучение).

Альбедо поверхности определяется как отношение излучательности к облученности (потока на единицу площади) , полученной поверхности. Доля отраженного определяется не только свойствами самой поверхности, но и с помощью спектрального и углового распределения солнечной радиации , достигающей поверхности Земли. Эти факторы меняются в зависимости от состава атмосферы, географического местоположения и времени (см положение Солнца ). В то время как би-полусферический коэффициент отражения рассчитывается для одного угла падения (то есть, для данного положения Солнца), альбедо направленная интеграция отражательной над всеми солнечными углами в данный период. Временное разрешение может находиться в диапазоне от секунд (как получено из измерений потока) , чтобы ежедневно, ежемесячно или годовые средние.

Если не дано для определенной длины волны (спектральная альбедо), альбедо относится ко всему спектру солнечного излучения. Из - за ограничения измерений, он часто даются для спектра , в котором большая солнечная энергия достигает поверхность (от 0,3 до 3 мкм). Этот спектр включает видимый свет (0.39-0.7 мкм), что объясняет , почему поверхности с низким альбедо появляются темные (например, деревья поглощают большую часть излучения), в то время как поверхности с высоким альбедо кажутся яркими (например, снег отражает большую часть излучения).

Альбедо является важным понятием в климатологии , астрономии и управления окружающей средой (например, в рамках Лидерство в энергетическом и экологическом проектировании ) программы (LEED для устойчивого рейтинга зданий). Среднее альбедо Земли из верхних слоев атмосферы, ее планетарного альбедо , составляет 30-35% из - за облачности , но варьируется в широких пределах локально по всей поверхности из - за различные геологические и экологические характеристики.

Термин альбедо был введен в оптике Иоганн Генрих Ламберт в его 1760 работы Photometria .

Наземное альбедо

Примеры альбедо
поверхность Типичный
альбедо
Свежий асфальт 0.04
Открытый океан 0,06
Изношенный асфальт 0,12
Хвойные леса
(лето)
0,08, 0,09 до 0,15
Лиственные деревья От 0,15 до 0,18
Голая почва 0,17
Зеленая трава 0,25
Песок пустыни 0,40
Новый бетон 0,55
Море льда 0,5-0,7
Свежий снег 0,80

Любое альбедо в видимом свете находится в пределах диапазона от около 0,9 для свежего снега до около 0,04 для угля, один из самых темных веществ. Глубоко затененные полости можно добиться эффективного альбедо приближающегося нуля в черном теле . Если смотреть с расстояния, поверхность океана имеет низкое альбедо, как и большинство лесов, в то время как пустынные районы имеют одни из самых высоких альбедо среди очертаний суши. Большинство участков суши находятся в диапазоне альбедо от 0,1 до 0,4. Среднее альбедо Земли составляет около 0,3. Это гораздо выше , чем в океане , прежде всего , из - за вклада облаков.

2003-2004 среднегодового ясное небо и полное небо альбедо

Альбедо поверхности Земли регулярно оценивается с помощью наблюдения Земли спутниковых датчиков , таких как НАСА «s MODIS инструментов на борту Terra и аква спутников, а также инструмент CERES на Suomi АЭС и JPSS . По мере того как количество отраженного излучения измеряется только для одного направления с помощью спутников, а не всех направлениях, математическая модель используется для перевода примерный набор измерений спутника отражения в оценках направленного полусферической отражательной способности и би-полусферической отражательной способности (например,) , Эти расчеты основаны на двунаправленную функцию распределения коэффициента отражения (BRDF) , который описывает , как отражательная способность данной поверхности зависит от угла зрения наблюдателя и угла Солнца. BDRF может облегчить перевод наблюдений отражения в альбедо.

Средняя температура поверхности Земли из - за его альбедо и парниковый эффект в настоящее время около 15 ° С. Если Земли были заморожены полностью (и , следовательно , быть более отражающим), средняя температура планеты будет опускаться ниже -40 ° C. Если только континентальные массы суши покрылись ледниками, средняя температура на планете снизится до 0 ° C. В противоположность этому , если вся земля была покрыта водой - так называемый aquaplanet - средняя температура на планете поднимется почти до 27 ° C.

Бело-небо и черно-небо альбедо

Для поверхностей земли, было показано , что альбедо при определенном угле солнечного зенита θ я может быть аппроксимирована с помощью пропорциональной суммы двух членов: направленное-полусферической отражательной способности в то солнечного зенитного угла, и би-полусферической отражательной способности , , с будучи долей прямого излучения от заданного угла Солнца и быть долей диффузного освещения.

Таким образом, фактическое альбедо (называемые также голубое небо альбедо) , то может быть дано как:

Направленный-полусферической отражательной иногда называют черным небом альбедо и би-полусферической отражательной в виде белого неба альбедо. Эти условия являются важными , поскольку они позволяют альбедо рассчитываться для любых заданных условий освещения от познания внутренних свойств поверхности.

астрономическое альбедо

В альбедо планет , спутников и малых планет , таких как астероиды можно использовать , чтобы вывести много об их свойствах. Исследование альбедо, их зависимость от длины волны, угол освещения ( «фазовый угол»), и изменение во время включает в себя основную часть астрономической области фотометрии . Для небольших и отдаленных объектов , которые не могут быть решены с помощью телескопов, многое из того, что мы знаем , происходит от изучения их альбедо. Например, абсолютное альбедо может указывать на содержание поверхности льда внешних Солнечных системы объектов, изменение альбедо с фазовым углом дает информацию о реголите свойствах, в то время как необычно высокое радиолокационное альбедо свидетельствует о высоком содержании металла в астероидах .

Энцелад , луна Сатурна, имеет один из самых высоких известных альбедо любого тела в Солнечной системе, с 99% от электромагнитного излучения отражается. Другой важный орган высокого альбедо Эрис , с альбедо 0,96. Многие небольшие объекты во внешней Солнечной системе и поясе астероидов имеют низкое альбедо примерно до 0,05. Типичное ядро кометы имеет альбедо 0,04. Такая темная поверхность считается признаком примитивного и в большой степени пространства выветривания поверхности , содержащей некоторые органические соединения .

Общий альбедо Луны измеряется быть около 0,136, но это сильно направленный и не Lambertian, показывая также сильное оппозиционное эффект . Хотя такие отражательные свойства отличаются от любых наземных ландшафтов, они характерны для реголита поверхностей безвоздушных тел Солнечной системы.

Два распространенных альбедо, которые используются в астрономии , являются (V-полосы) геометрическая альбедо (измерения яркости при освещенности происходит от непосредственно позади наблюдателя) и альбедо Бонд (измерение общей доли электромагнитной энергии , отраженная). Их значения могут существенно отличаться, который является общим источником путаницы.

планета геометрический облигация
Меркурий 0,142 0,088
Венера 0,689 0,76
земной шар 0,434 0,306
Марс 0,170 0,25
Юпитер 0,538 0,503
Сатурн 0,499 0,342
Уран 0,488 0,300
Нептун 0,442 0,290

В подробных исследованиях, направленное отражательное свойство астрономических тел часто выражается в терминах пяти параметров Hapke , которые частично эмпирический описывают изменение альбедо с фазовым углом , в том числе характеристики оппозиции эффекта реголита поверхностей.

Корреляция между астрономическим (геометрическим) альбедо, по абсолютной величине и диаметром: ,

где это астрономические альбедо, представляет собой диаметр в километрах, и это абсолютная величина.

Примеры наземных эффектов альбедо

освещение

Альбедо не напрямую зависит от освещения, потому что изменение количества поступающего света пропорционально изменяет количество отраженного света, за исключением случаев, когда изменение освещенности вызывает изменение поверхности Земли в этом месте (например, через обратную связь альбедо-температуру). Тем не менее, альбедо и освещение как варьироваться в зависимости от широты. Альбедо является самым высоким вблизи полюсами и самым низким в субтропиках, с локальным максимумом в тропиках.

инсоляции эффекты

Интенсивность альбедо температурных эффектов зависит от количества альбедо и уровня местного солнечного излучения (солнечная радиация); высокие альбедо области в арктических и антарктических районах холодные из - за низкой инсоляции, где такие области, как в пустыне Сахара , которые также имеют относительно высокую альбедо, будет теплее из - за высокой солнечной радиации. Тропическая и субтропическая тропические леса область имеет низкое альбедо, и гораздо сильнее , чем их умеренные лесные коллеги, которые имеют более низкую инсоляцию. Из - за солнечное излучение играет такую большую роль в нагреве и охлаждение эффектов альбедо, высокая инсоляции области , как тропики будут , как правило, демонстрируют более выраженное колебание местной температуры , когда локальные изменения альбедо.

Арктические регионы особенно выделяют больше тепла обратно в пространство , чем то , что они поглощают, эффективно охлаждая Землю . Это была проблема , так как арктический лед и снег был плавления при более высоких скоростях из - за более высокие температуры, создавая регионы в Арктике , что заметно темнее (будучи вод или почва , которая является более темным цветом) и отражает меньше тепло обратно в космос. Эта петля обратной связи приводит к снижению эффекта альбедо.

Климат и погода

Альбедо влияет на климат , определяя , сколько радиации планета поглощает. Неравномерный нагрев Земли от альбедо вариаций между сушей, льдом или поверхностью океана может управлять погодой .

обратная связь альбедо-температура

Когда альбедо изменяет район из - за снегопад, снег температурной обратной связи результаты. Слой снегопада увеличивает локальное альбедо, отражая солнечный свет в сторону, что приводит к локальному охлаждению. В принципе, если не вне изменения температуры не влияет на эту область (например, теплый воздух массы ), повышенное альбедо и более низкая температура будет поддерживать текущий снег и предложить дальнейшие снегопады, углубление обратной снежно-температуры. Однако, поскольку локальная погода является динамическим из - за смены сезонов , в конечном счете , теплых воздушных масс и более прямым углом солнечного света (выше инсоляции ) вызывают плавления. Когда расплавленная зона показывает поверхность с низким альбедо, такие как травы или почвы, эффект обратные: поверхность потемнения снижает альбедо, увеличивая локальные температуры, который вызывает больше плавления и , таким образом уменьшая альбедо дальше, в результате чего еще более нагревательного.

Снег

Альбедо снега сильно варьирует, в пределах от выше , чем 0,9 для свежевыпавшего снега, до около 0,4 для плавления снега, а по цене от 0,2 для грязного снега. За Антарктиде снега альбедо в среднем чуть больше , чем 0,8. Если незначительно заснеженная площадь согревает, снег имеет тенденцию плавиться, снижение альбедо, и , следовательно , приводят к большему снеготаяния , потому что больше излучения поглощаются снежным покровом (лед-альбедо положительной обратной связи ).

Так же , как свежий снег имеет более высокое альбедо , чем делает грязный снег, альбедо заснеженной морского льда гораздо выше , чем в морской воде. Морская вода поглощает больше солнечной радиации , чем бы та же поверхность покрыта отражающим снегом. Когда морской лед тает, либо из - за повышение температуры на море или в ответ на увеличение солнечной радиации сверху, покрытый снегом поверхность уменьшается, и больше поверхности морской воды подвергаются воздействию, поэтому скорость поглощения возрастает энергию. Лишний поглощенная энергия нагревает морскую воду, которая , в свою очередь , увеличивает скорость , с которой морской лед тает. Как и в предыдущем примере снеготаяния, процесс таяния морского льда, таким образом , еще один пример положительной обратной связи. Положительные петли обратной связи уже давно признаны важными для современной теории глобального потепления .

Cryoconite , мучнистый ветер пыль , содержащая сажу, иногда уменьшает альбедо на ледниках и ледовые щитах.

Динамическая природа альбедо в ответ на положительную обратную связь, вместе с эффектами небольших ошибок в измерении альбедо, может привести к большим ошибок в оценках энергии. Из-за этого, с тем чтобы уменьшить погрешность оценок энергии, важно, чтобы измерить альбедо заснеженных областей с помощью методов дистанционного зондирования, а не применяя одно значение для альбедо над широкими областями.

Малые эффекты

Альбедо работает в меньшем масштабе, тоже. В солнечном свете, темные одежды поглощают больше тепла и света цвета одежды отражают его лучше, позволяя, таким образом, некоторый контроль над температурой тела за счет использования альбедо эффект цвета внешней одежды.

Солнечные фотоэлектрические эффекты

Альбедо может повлиять на электрическую энергию выход солнечных фотоэлектрических устройств . Например, эффекты спектрально отзывчивого альбедо проиллюстрированы различиями между спектрально взвешенной альбедо технологии солнечной фотоэлектрической на основе гидрогенизированного аморфного кремния (а-Si: H) и кристаллический кремний (с-Si) основы по сравнению с традиционными спектральным -Комплексная альбедо предсказания. Исследования показали , воздействие более чем на 10%. Совсем недавно, анализ был расширен с эффектами спектрального смещения из - за зеркальное отражение 22 обычно встречающихся поверхностных материалов (как человек-и естественный) и анализируют эффекты альбедо на исполнении семи фотоэлектрических материалов , охватывающие три системы топологии общих фотоэлектрической : промышленные (солнечные фермы), коммерческие плоские крыши и жилые помещения стана крыши.

деревья

Поскольку леса обычно имеет низкое альбедо, (большинство из ультрафиолетовых и видимой области спектра поглощается через фотосинтез ), некоторые ученые предположили , что большее поглощение тепла от дерев может компенсировать некоторые из углеродных преимуществ облесения (или компенсировать негативные климатические воздействия вырубка леса ). В случае вечнозеленых лесов с сезонным сокращением снежного покрова альбедо может быть достаточно большим для обезлесения , чтобы вызвать чистый эффект охлаждения. Деревья также влияют на климат в чрезвычайно сложных отношениях через испаряемости . Водяной пар вызывает охлаждение на поверхности земли, вызывает нагрев , где он конденсируется, действует сильный парниковый газ, и может увеличить альбедо , когда он конденсируется в облаках ученых , как правило лечение эвапотранспирации как чистое воздействие охлаждения, а чистое воздействие климат альбедо и эвапотранспираций изменения в результате обезлесения в значительной степени зависит от местного климата

В сезонных заснеженных зонах, зимняя альбедо безлесных районах от 10% до 50% выше , чем поблизости от лесных массивов , потому что снег не покрывает деревья , как легко. Лиственные деревья имеют значение альбедо примерно от 0,15 до 0,18 , тогда как хвойные деревья имеют величину приблизительно от 0,09 до 0,15. Изменение летом альбедо на обоих типах леса коррелирует с максимальной скоростью фотосинтеза , поскольку растения с высокой способностью роста проявляют большую часть их листвы для прямого перехвата входящего излучения в верхнем пологе. Результатом является то , что длины волн света , не используемые в процессе фотосинтеза, более вероятно, отражается обратно в космос , а не поглощается другими поверхностями нижних в навесе.

Исследования, проведенные Центром Хедли исследовали относительную ( как правило , прогрев) эффект альбедо изменения и (охлаждение) , эффект поглощения углерода на посадке леса. Они обнаружили , что новые леса в тропических и умеренных широтах районов , как правило , для охлаждения; новые леса в высоких широтах (например, в Сибири) были нейтральными или , возможно потепление.

вода

Отражательная способность гладкой воды при 20 ° C (показатель преломления = 1,333)

Вода отражает свет очень отличается от типичных земных материалов. Отражательная способность поверхности воды рассчитывается с использованием уравнения Френеля (смотри график).

В масштабе длины волны света даже волнистой воды всегда проходит гладко , так что свет отражается в локально зеркальным образом (не диффузно ). Отблеск света от воды является общим эффектом этого. При малых углах падающего света, волнистости приводит к снижению отражательной способности из - за крутизны кривой отражательной-против-падающего угла и локально повышенным средним углом падения.

Несмотря на то, отражательной способности воды очень низка при низких и средних углах падающего света, становится очень высокими при больших углах падающего света , таких как те , которые происходят на освещенной стороне Земли вблизи терминатора (рано утром, поздно днем, и около полюса). Однако, как упоминалось выше, волнистость вызывает заметное снижение. Потому что свет , отраженный от зеркально воды обычно не достигает зрителя, вода, как правило , считается, имеют очень низкое альбедо, несмотря на его высокой отражательной способностью при больших углах падающего света.

Обратите внимание, что барашки на волнах выглядят белыми (и имеет высокое альбедо), потому что вода вспениваются, так что есть много наложенного пузырь поверхности, которые отражают, добавляя свой отражательные. Свежие «черные» лед экспонаты отражение Френеля. Снег на вершине этого морского льда увеличивает альбедо до 0,9.

Облака

Облако альбедо имеет существенное влияние на атмосферные температуры. Различные типы облаков демонстрируют различные отражательную способность , теоретически в диапазоне альбедо от минимума около 0 до максимального приближения 0.8. «В любой день, около половины Земли покрыто облаками, которые отражают больше солнечного света , чем земли и воды. Облака держать Землю круто, отражая солнечный свет, но они также могут служить в качестве одеял в ловушку тепло.»

Альбедо и климат в некоторых районах страдают от искусственных облаков, таких как те , которые создаются с помощью инверсионных тяжелого коммерческого транспорта авиалайнера. Исследование после сжигания кувейтских нефтяных месторождений во время иракской оккупации показало , что температура под палящими нефтяные пожарами были как 10 ° C холоднее , чем температура в нескольких милях под ясным небом.

эффекты Аэрозольные

Аэрозоли (очень мелкие частицы / капли в атмосфере) имеют как прямое , так и косвенное воздействие на радиационный баланс Земли. Прямой (альбедо) эффект , как правило , для охлаждения планеты; косвенный эффект (частицы действуют как ядра конденсации облаков и таким образом изменить свойство облака) является менее определенным. В соответствии с эффектами являются:

  • Аэрозоль прямой эффект. Аэрозоли непосредственно рассеивают и поглощают излучение. Рассеяние излучения вызывает атмосферное охлаждение, тогда как поглощение может вызвать атмосферное потепление.
  • Аэрозоль косвенный эффект. Аэрозоли изменить свойство облаков через подмножество называется аэрозольным население ядер конденсации облаков . Увеличение концентрации ядер приводит к повышению концентрации количество облачных капель, которые , в свою очередь , приводит к увеличению альбедо облаков, увеличение рассеяния света и радиационного охлаждения ( первый косвенный эффект ), но и приводит к снижению эффективности осаждения и увеличения срока службы облака ( второй косвенный эффект ) ,

Сажа

Другой альбедо связанных эффект на климат из черного углерода частиц. Величина этого эффекта трудно дать количественную оценку: Межправительственная группа экспертов по изменению климата считает , что глобальное среднее радиационное воздействие на аэрозоли сажи из ископаемого топлива 0,2 Вт м -2 , с диапазоном +0,1 до +0,4 Вт м -2 , Черный углерод является большей причиной таяния полярных льдов в Арктике , чем углекислый газа из - за его влияние на альбедо.

Деятельность человека

Человеческая деятельность (например, вырубка лесов, сельское хозяйство и урбанизация) изменить альбедо различных областей по всему миру. Однако количественная оценка этого эффекта в глобальном масштабе трудно.

Другие типы альбедо

Альбедо однократного рассеяния используется для определения рассеяния электромагнитных волн на малых частицах. Это зависит от свойств материала ( показатель преломления ); размер частиц или частиц; и длина волны падающего излучения.

Получение

Альбедо может быть измерена с помощью Альбедометр .

Смотрите также

Рекомендации

внешняя ссылка