Выпускная квалификационная работа. Тема: Определение поглощаемого теплового излучения, падающего на произвольно ориентированную площадку в стратосфере Земли (стр. 4 )

Таблица.1.4

ц	0	10	20	30	40	50	60	70	75	80	85
	0,38	0,40	0,37	0,36	0,38	0,40	0,36	0,18	0,16	0,15	0,14

Итоговая формула для суммарного потока СИ, приходящего снизу на единичную приемную площадку:

(1.26)

В данной формуле и - потоки СИ, отраженного от поверхности Земли и от облаков соответственно, -коэффициент облачности, отражающий количество облаков, находящихся ниже высоты z, а - коэффициент общей облачности.

Излучение Земли и Атмосферы

Энергия, излучаемая Землей, приходится на ИК-спектр (4 - 120 мкм). Земная поверхность близка по оптическим свойствам к абсолютно черному телу, однако им не является. Поэтому при записи закона Стефана-Больцмана необходимо учитывать коэффициент поглощения, который  можно выразить через коэффициент отражения, тогда формула для плотности потока излучения земной поверхности примет вид [4]:

(1.27)

Здесь - постоянная Стефана-Больцмана, а  - температуру поверхности Земли, среднее значение которой 287 К, – альбедо подстилающей поверхности в ИК диапазоне, которое близко к нулю, например, для песка равно 0,05, для травы или хвойного леса 0,03, для свежего снега 0,014, а не территории Великобритании вообще принимает нулевое значение.[3]

Если мы рассматриваем излучение Земли на некоторой высоте z, то следует учесть коэффициент пропускания атмосферы , где – отношение давления вычисленного по барометрической формуле для высоты z к давлению на поверхности.

Теперь  рассмотрим излучение атмосферы , где – температура на высоте z, - излучающая способность, зависящая главным образом от содержания водяных паров в атмосфере.

Запишем эмпирическую формулу для теплового излучения атмосферы.

(1.28)

- давление водяного пара на высоте z в гПа.

Итоговая формула для освещенности  наклонной приемной площадки примет вид ИК излучением примет вид[5]:

(1.29)

Поглощение

Для того, что бы определить поглощаемое тепловое излучения необходимо знать площадь приёмной площадки , а так же коэффициенты поглощения. Пусть - коэффициент поглощения в длинноволновой области спектра.

(1.30)

Кроме того, зная температуру приемной площадки можно записать уравнение теплового баланса в ИК спектре:

(1.31)

Для солнечного излучения соответствующая формула имеет вид

(1.32)

где - соответствующий коэффициент поглощения.

1. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Программная реализация

Для проведения численных расчетов по описанной в теоретической части методики, была составлена программа состоящая из следующих модулей:

integral radius time1 solar widget

В подпрограмме integral вычисляется давление на высоте z по барометрической формуле (). Для интегрирования применяется метод Симпсон. Данный метод выбран, потому что достаточно просто реализуется, и при этом является более точным, чем методы прямоугольников и трапеции.[6]

Сначала необходимо разбить область интернирования точками с некоторым шагом , причем, чем меньше , тем точнее результат. После того, как задана сетка интегрирования, можно записать итоговую формулу для метода Симпсона:

Подпрограмма radius вычисляет значение плотности потока солнечного излучения , поступающего на границу атмосферы, в зависимости от номера дня в году, по описанному в теоретической части алгоритму.

Подпрорамма time1 содержит класс My_Time, который обеспечивает возможность работы со времен в привычном виде и позволяет совершать алгебраические операции необходимые для реализации вычисления часового угла.

Основная часть вычислений производится в подпрограмме solar. Именно в ней прописан весь алгоритм вычисления поглощаемого наклонной площадкой потока теплового излучения.

Подпрограмма widget обеспечивает работу графического интерфейса, здесь описана реакция кнопок в интерфейсе программы, осуществляется обработка входных данных, вызов функций из подпрограммы solar и печать результатов их работы. Тут например градусы переводятся в кельвины, а в функции n_wr() дата введенная в формате дд. мм. гггг переводится в номер дня в году и т. д.

Интерфейс программы

Программа имеет простой графический интерфейс. В левой половине содержится поля ввода данных, а справой поле вывода результатов. Для выполнения программы достаточно нажать кнопку «решить» или же обновить какое либо из входных значений. 

Поле ввода параметров содержит три вкладки. Первая называется «Дата/Место» рис.2.1 , в ней вводится Время суток, часовой пояс, дата, а так же координаты расположения приемной площадки, необходимые для расчета часового угла и угла склонения. Благодаря этим двум углам вычисляются высота солнца и азимут, значение которых выводится первой строчкой в поле с результатами. Кроме того в первой вкладке так же можно ввести температуру поверхности Земли, которая используется для расчета потока ИК излучения Земли, и свойства подстилающей поверхности. Альбедо можно ввести двумя способами, выбрав необходимый тип подстилающее поверхности или же вручную введя коэффициент, для чего в список подстилающих поверхностей нужно выбрать «Ручной ввод».