Вода Альбедо. Ефект альбедо та глобальне потепління

Сумарна радіація, що досягла земної поверхні, частково поглинається ґрунтом і водоймищами і переходить у тепло, на океанах і морях витрачається на випаровування, частково відбивається в атмосферу (відбита радіація). Співвідношення засвоєної та відбитої променистої енергії залежить від характеру суші, від кута падіння променів на водну поверхню. Так як поглинену енергію виміряти практично неможливо, то визначають величину відбитої.

Відбивна здатність наземних та водних поверхонь називається їх альбедо. Воно обчислюється в % відбитому радіації від впала на дану поверхню, яльоедо ряду з кутом (точніше синусом кута) падіння променів і кількістю оптичних мас атмосфери, ними прохідних, є одним з найважливіших планетарних факторів кліматоутворення.

На суші альбедо визначається кольором природних поверхонь. Всю радіацію здатне засвоїти чорне тіло. Дзеркальна поверхня відбиває 100% променів і не здатна нагрітися. З реальних поверхонь найбільшим альбедо має чистий сніг. Нижче наведено альбедо поверхонь суші за зонами природи.

Кліматоутворююче значення відбивної здатності різних поверхонь винятково велике. У льодових зонах високих широт сонячна радіація, що вже ослаблена при проходженні великої кількості оптичних мас атмосфери і впала на поверхню під гострим кутом, відбивається вічними снігами.

Альбедо водяної поверхні для прямої радіації залежить від цього, під яким утлом на неї падають сонячні промені. Вертикальні промені проникають у воду глибоко, і вона засвоює їхнє тепло. Похилі промені від води відбиваються, як від дзеркала, і її не нагрівають: альбедо водної поверхні при висоті Сонця 90″ дорівнює 2%, при висоті Сонця 20° - 78%.

Види поверхні та зональні ландшафти Альбедо

Свіжий сухий сніг…………………………………………… 80-95

Вологий сніг………………………………………………….. 60-70

Морський лід…………………………………………………….. 30-40

Тундра без снігового покриву………………………….. 18

Стійкий сніговий покрив у помірних широтах 70

Те саме нестійкий……………………………………….. 38

Хвойний ліс влітку…………………………………………. 10-15

Те саме, при стійкому сніговому покриві……….. 45

Листяний ліс влітку……………………………………. 15-20

Те саме, з жовтим листям восени……………….. 30-40

Луг…………………………………………………………………… 15-25

Степ влітку…………………………………………………….. 18

Пісок різних забарвлень…………………………………….. 25-35

Пустеля………………………………………………………….. 28

Саваннав сухий сезон……………………………………… 24

Те саме, у сезон дощів………………………………………. 18

Вся тропосфера………………………………………………… 33

Земля загалом (планета)………………………………….. 45

Для розсіяної радіації альбедо дещо менше.
Так як 2 / з площі земної кулі зайняті океаном, то засвоєння сонячної енергії водною поверхнею виступає як важливий кліматоутворювальний фактор.

Океани в субполярних широтах засвоюють лише малу частку того тепла Сонця, яке до них сягає. Тропічні моря, навпаки, поглинають майже всю сонячну енергію. Альбедо водяної поверхні, як і сніговий покрив полярних країн, поглиблює зональну диференціацію кліматів.

У помірному поясі відбивна здатність поверхонь посилює різницю між сезонами року. У вересні та березні Сонце стоїть на однаковій висоті над горизонтом, але березень холодніше вересня, оскільки сонячні промені відбиваються від снігового покриву. Поява восени спочатку жовтого листя, а потім інею та тимчасового снігу збільшує альбедо та знижує температуру повітря. Стійкий сніговий покрив, спричинений низькою температурою, прискорює вихолоджування та подальше зниження зимових температур.

Довгостроковий тренд альбедо спрямований у бік похолодання. Останніми роками супутникові виміри показують незначний тренд.

Зміна альбедо Землі потенційно є сильним впливом на клімат. Коли альбедо, або здатність, що відображає, зростає, більше сонячного світла відбивається назад в космос. Це надає охолоджувальну дію на глобальні температури. Навпаки, зниження альбедо нагріває планету. Зміна альбедо всього на 1% дає радіаційний ефект 3,4 Вт/м2, який можна порівняти з ефектом подвоєння СО2. Як же альбедо вплинуло на глобальні температури в останні десятиліття?

Тренди альбедо до 2000 року

Альбедо Землі визначається кількома чинниками. Сніг і лід добре відбивають світло, тому коли вони тануть, альбедо знижується. Ліси мають нижче альбедо, ніж відкриті простори, тому зведення лісів підвищує альбедо (обмовимося, що знищення всіх лісів не зупинить глобальне потепління). Аерозолі мають прямий та опосередкований вплив на альбедо. Прямим впливом є віддзеркалення сонячного світла у космос. Непрямий ефект полягає у дії частинок аерозолів як центри конденсації вологи, що зачіпає формування та час життя хмар. Хмари, своєю чергою, впливають на глобальні температури кількома способами. Вони охолоджують клімат за рахунок відбиття сонячного світла, але також можуть давати ефект нагріву, утримуючи вихідне інфрачервоне випромінювання.

Всі ці фактори слід враховувати під час підсумовування різних радіаційних впливів, що визначають клімат. Зміни у землекористуванні обчислюються виходячи з історичних реконструкцій зміни складу орних земель та пасовищ. Спостереження із супутників та із землі дозволяють визначати тренди рівня аерозолів та альбедо хмар. Можна бачити, що альбедо хмар є найсильнішим чинником із різних видів альбедо. Довгостроковий тренд спрямований у бік похолодання, дія -0,7Вт/м2 з 1850 по 2000р.

Рис.1 Середньорічні загальні радіаційні дії(Chapter 2 of the IPCC AR4).

Тренди альбедо після 2000 року.

Одним із способів вимірювання альбедо Землі є попелясте світло Місяця. Це сонячне світло, спочатку відбите Землею, а потім відбите Місяцем назад до Землі в нічний час. Попелясте світло Місяця вимірюється сонячною обсерваторією Big Bear з листопада 1998 року (було також зроблено низку вимірювань у 1994 та 1995 роках). Рис.2 показує зміни альбедо щодо реконструкції супутникових даних (чорна лінія) та вимірювань попелястого світла Місяця (синя лінія) (Palle 2004).

Рис.2 Зміни альбедо, реконструйовані за супутниковими даними ISCCP (чорна лінія) та змін попелястого світла Місяця (снішня лінія). Права вертикальна шкала показує негативну радіаційну дію (тобто на охолодження) (Palle 2004).

Дані на Рис.2 проблематичні. Чорна лінія, реконструкція супутникових даних ISCCP є чисто статистичним параметром і має мало фізичного сенсу, оскільки вона не враховує нелінійних відносин між властивостями хмар і поверхні і планетарним альбедо, а також не включає аерозольних змін альбедо, наприклад, пов'язаних з вулканом Пінатубо або антропогенною емісією сульфатів(Real Climate).

Ще більш проблематичним є пік альбедо близько 2003 року, помітний на синій лінії попелястого світла Місяця. Він сильно суперечить супутниковим даним, що в цей час показує незначний тренд. Для порівняння можна згадати виверження Пінатубо у 1991 році, що заповнило атмосферу аерозолями. Ці аерозолі відбивали сонячне світло, створивши негативний радіаційний вплив 2,5 Вт/м2. Це різко понизило глобальну температуру. Дані попелястого світла тоді показували вплив майже -6 Вт/м2, що мало означати ще більше падіння температури. Жодних схожих подій не сталося у 2003 році. (Wielicki 2007).

У 2008 році було виявлено причину невідповідності. Обсерваторія Big Bear встановила новий телескоп для вимірювання попелястого світла Місяця у 2004 році. З новими покращеними даними вони наново відкалібрували свої старі дані та переглянули свої оцінки альбедо (Palle 2008). Рис. 3 показує старі (чорна лінія) та оновлені (синя лінія) значення альбедо. Аномальний пік 2003 року зник. Втім, тренд підвищення альбедо з 1999 до 2003 року зберігся.

Рис. 3 Зміна альбедо Землі за даними вимірів попелястого світла Місяця. Чорна лінія – зміни альбедо за публікацією 2004 року (Palle 2004). Синя лінія – оновлені зміни альбедо після покращення процедури аналізу даних, також включені дані за більший період часу (Palle 2008).

Наскільки точно визначається альбедо по попільному світлу Місяця? Метод не є глобальним за охопленням. Він торкається приблизно третини Землі в кожному спостереженні, деякі області завжди залишаються "невидимими" з місця спостережень. Крім того, вимірювання нечасті, вони робляться у вузькому діапазоні довжин хвиль 0,4-0,7 µm (Bender 2006).

На відміну від цього, супутникові дані, такі як CERES, є глобальним виміром короткохвильового випромінювання Землі, включають всі ефекти властивостей поверхні та атмосфери. Порівняно з вимірами попелястого світла, вони покривають ширший діапазон (0.3-5.0 µm). Аналіз даних CERES показує відсутність довгострокового тренду альбедо з березня 2000 року по червень 2005 року. Порівняння з трьома незалежними наборами даних (MODIS, MISR та SeaWiFS) демонструє "чудову відповідність" всіх 4-х результатів (Loeb 2007a).

Рис. 4 Місячні зміни середніх значень CERES SW TOA flux and MODIS cloud fraction ().

Альбедо впливало на глобальні температури - переважно у бік похолодання у довгостроковій тенденції. Що стосується недавніх трендів, дані попелястого світла показують зростання альбедо з 1999 по 2003 рік із незначними змінами після 2003 року. Супутники показують незначні зміни із 2000 року. Радіаційний вплив від змін альбедо останніми роками мінімальний.

Для розуміння процесів, що впливають на клімат нашої планети, згадаймо деякі терміни.

Парниковий ефект- Це підвищення температури нижніх шарів атмосфери в порівнянні з температурою теплового випромінювання планети. Суть явища полягає в тому, що поверхня планети поглинає сонячне випромінювання, в основному, у видимому діапазоні і, нагріваючись, випромінює його назад у простір, але вже в інфрачервоному діапазоні. Значна частина інфрачервоного випромінювання Землі поглинається атмосферою і частково знову випромінюється Землю. Цей ефект взаємного променевого теплообміну в нижніх шарах атмосфери називається парниковим. Парниковий ефект – це природний елемент теплового балансу Землі. Без парникового ефекту середня температура поверхні планети становила б — 19° замість реальних +14°С. Протягом останніх кількох десятків років різні національні та міжнародні організації відстоюють гіпотезу про те, що людська діяльність призводить до посилення парникового ефекту, а отже, до додаткового нагрівання атмосфери. При цьому існують і альтернативні точки зору, наприклад, що пов'язують зміну температури в атмосфері Землі з природними циклами сонячної активності.

У п'ятій оціночній доповіді Міжурядової групи експертів зі зміни клімату (2013-2014 рр.) констатується, що, з ймовірністю понад 95%, вплив людини був домінуючою причиною потепління, яке спостерігалося з середини ХХ ст. Узгодженість спостережуваних і розрахункових змін у всій кліматичній системі вказує на те, що зміни клімату, що спостерігаються, викликані в першу чергу збільшенням атмосферних концентрацій парникових газів, що відбувається внаслідок господарської діяльності людини.

Поточне зміна клімату Росії загалом слід охарактеризувати як потепління зі швидкістю, що триває, більш ніж у два з половиною рази перевищує середню швидкість глобального потепління.(2)

Дифузне відображення- це відображення світлового потоку, що падає на поверхню, при якому відображення відбувається під кутом, що відрізняється від падаючого. Дифузним відображення стає в тому випадку, якщо нерівності поверхні мають порядок довжини хвилі (або перевищують її) і розташовані безладно. (3)

Альбедо Землі(А.З.) - Відсоткове ставлення сонячної радіації, відданої земною кулею (разом з атмосферою) назад у світовий простір, до сонячної радіації, що надійшла на межу атмосфери. Віддача сонячної радіації Землею складається з відбиття від земної поверхні, розсіювання прямої радіації атмосферою у світовий простір (зворотного розсіювання) та відбиття від верхньої поверхні хмар. А. 3. у видимій частині спектра (візуальне)-близько 40%. Для інтегрального потоку сонячної радіації інтегральне (енергетичне) А. 3. близько 35%. У відсутність хмар візуальне А. 3. було б близько 15%. (4)

Спектральний діапазон електромагнітного випромінювання Сонця- тягнеться від радіохвиль до рентгенівських променів. Однак максимум його інтенсивності посідає видиму (жовто-зелену) частину спектра. На межі земної атмосфери ультрафіолетова частина сонячного спектру становить 5%, видима частина – 52% та інфрачервона частина – 43%, у поверхні Землі ультрафіолетова частина становить 1%, видима – 40% та інфрачервона частина сонячного спектру – 59%. (5)

Сонячна постійна- сумарна потужність сонячного випромінювання, що проходить через одиничний майданчик, орієнтований перпендикулярно потоку, на відстані однієї астрономічної одиниці від Сонця поза земною атмосферою. За даними позаатмосферних вимірювань сонячна стала становить 1367 Вт/м².

Площа поверхні Землі- 510 072 000 км2.

1. Основна частина.

Зміни у сучасному кліматі (у бік потепління) називають глобальним потеплінням.

Найпростіший механізм глобального потепління має такий вигляд.

Сонячна радіація, надходячи в атмосферу нашої планети, в середньому відбивається на 35%, що є інтегральним альбедо Землі. Велика з частини, що залишилася, поглинається поверхнею, яка нагрівається. Решта засвоюється рослинами у процесі фотосинтезу.

Нагріта поверхня Землі починає випромінювати в інфрачервоному діапазоні, але це випромінювання не сягає космосу, а затримується парниковими газами. Види парникових газів ми не розглядатимемо. Що більше парникових газів, то більше вписувалося ними на Землю випромінюється тепла, і тим вище, відповідно, стає середня температура поверхні Землі.

Паризька угода - угода в рамках Рамкової конвенції ООН про зміну клімату, розглядає необхідність «тримати зростання глобальної середньої температури «набагато нижче» 2 °C та «докласти зусиль» для обмеження зростання температури завбільшки 1,5 °C». Але в ньому, окрім скорочення викидів парникових газів, немає алгоритму розв'язання цієї проблеми.

Враховуючи, що США вийшли з цієї угоди 01 червня 2017 року, потрібен новий міжнародний проект. І Росія може його запропонувати.

Головною перевагою нової угоди має бути – ясний та ефективний механізм пом'якшення впливу парникових газів на клімат Землі.

Найцікавішим способом зменшення впливу парникових газів на клімат може стати збільшення середнього альбедо Землі.

Давайте детальніше розглянемо його.

У Росії близько 625 000 км доріг, покритих асфальтом, у Китаї та США – сумарно значно більше.

Навіть якщо припустити, що всі дороги в Росії односмугові та 4-ої категорії (що саме по собі абсурдно), то мінімальна ширина складе 3м (відповідно до СНиП 2.07.01-89). Площа доріг буде 1875 км2. Або 1875000000 м2.

Сонячна стала поза атмосферою, як ми пам'ятаємо 1.37 кВт/м2.

Для спрощення візьмемо середню смугу, де сонячна енергія біля землі (усереднене значення протягом року) дорівнюватиме 0.5 кВт/м2.

Отримуємо, що на дороги РФ падає потужність сонячної радіації 937,5 млн Ватт.

Тепер ділимо це число на 2. Т.к. Земля крутиться. Виходить 468750000 Вт.

Середнє інтегральне альбедо асфальту 20%.

За допомогою додавання пігменту або битого скла, альбедо видимого діапазону асфальту можна збільшити до 40%. Пігмент має спектрально співпадати з діапазоном випромінювання нашої зірки. Тобто. мати жовто-зелені кольори. Але, одночасно – не погіршувати фізичні характеристики асфальтобетону та бути максимально дешевим та легким у синтезі.

При поступовій заміні старого асфальтобетону на новий, у процесі природного зношування першого – сумарне збільшення відбитої потужності випромінювання становитиме 469 МВт х 0.4 (видима частина Сонячного спектру) х0.2 (різниця між старим та новим альбедо) 37.5 МВт.

Інфрачервону складову діапазону до розрахунку не беремо, т.к. вона поглинеться парниковими газами.

Загалом у світі ця величина становитиме понад 500МВт. Це 0.00039% від загальної потужності випромінювання на Землю, що надходить. А для усунення парникового ефекту необхідно відобразити потужність на 3 порядки більше.

Погіршать ситуацію на планеті танення льодовиків, т.к. їхнє альбедо дуже високо.

Сумарна радіація, що досягає земної поверхні, не поглинається нею повністю, а частково відбивається від землі. Тому при розрахунках приходу сонячної енергії для якогось місця необхідно брати до уваги відбивну здатність земної поверхні. Віддзеркалення радіації походить також і від поверхні хмар. Відношення величини всього потоку короткохвильової радіації Rк, відбитого даною поверхнею по всіх напрямках, до потоку радіації Q, що падає на цю поверхню, називається альбедо(А) даної поверхні. Ця величина

показує, яка частина падаючої поверхню променистої енергії відбивається від неї. Часто величину альбедо виражають у відсотках. Тоді

(1.3)

У табл. № 1.5 наводяться величини альбедо різних видів земної поверхні. З даних табл. № 1.5 видно, що найбільшу відбивну здатність має свіжий сніг. У окремих випадках спостерігалася величина альбедо снігу до 87%, а умовах Арктики і Антарктики навіть до 95%. Сніг, що підлежав і тим більше забруднений сніг відбиває вже набагато менше. Альбедо різних грунтів та рослинного покриву, як випливає з табл. № 4 відрізняються порівняно незначно. Численні дослідження показали, що величина альбедо часто змінюється протягом доби.

При цьому найбільші значення альбедо відзначаються вранці та ввечері. Пояснюється це тим, що відбивна здатність шорстких поверхонь залежить від кута падіння сонячних променів. При прямовисному падінні сонячні промені проникають глибше в рослинний покрив і там поглинаються. При малій висоті сонця промені менше проникають всередину рослинності і більшою мірою відбиваються від її поверхні. Альбедо водних поверхонь у середньому менше, ніж альбедо поверхні суші. Пояснюється це тим, що сонячні промені (короткохвильова зелено-блакитна частина сонячного спектру) значною мірою проникають у прозорі для них верхні шари води, де розсіюються та поглинаються. У зв'язку з цим на відбивну здатність води впливає ступінь її каламутності.

Таблиця №1.5

Для забрудненої та каламутної води величини альбедо помітно зростає. Для розсіяної радіації води альбедо в середньому близько 8-10%. Для прямої сонячної радіації альбедо водяної поверхні залежить від висоти сонця: із зменшенням висоти сонця величина альбедо збільшується. Так, при прямовисному падінні променів відбивається лише близько 2-5%. При низькому становищі сонця над горизонтом відбивається 30-70%. Дуже велика відбивна здатність хмар. У середньому альбедо хмар близько 80%. Знаючи величину альбедо поверхні та значення сумарної радіації, можна визначити кількість радіації, поглиненої цією поверхнею. Якщо А - альбедо, то величина а = (1-А) є коефіцієнт поглинання даної поверхні, що показує, яка частина падаючої на цю поверхню радіації нею поглинається.

Наприклад, якщо на поверхню зеленої трави (А = 26%) падає потік сумарної радіації Q = 1,2 кал/см 2 хв, то відсоток поглиненої радіації буде

Q = 1-А = 1 - 0,26 = 0,74, або а = 74%,

а величина поглиненої радіації

У погл = Q (1 - А) = 1,2 · 0,74 = 0,89 кал \ см2 · хв.

Альбедо поверхні води великою мірою залежить від кута падіння сонячних променів, оскільки чиста вода відбиває світло за законом Френеля.

де Z п – зенітний кут Сонця, Z 0 – кут заломлення сонячних променів.

При прикладанні Сонця в зеніті альбедо поверхні спокійного моря дорівнює0,02. При зростанні зенітного кута Сонця Z п альбедо збільшується і досягає 0,35 при Z п=85.Хвилювання моря призводить до зміни Z п , і суттєво зменшує діапазон значень альбедо, оскільки воно збільшується при великих Z nзавдяки збільшенню ймовірності попадання променів на нахили хвильову поверхню. Хвилювання впливає на відбивають здатність не тільки з-за нахилу поверхні хвилі щодо сонячних променів, але і за рахунок утворенням бульбашок повітря у воді. Ці бульбашки значною мірою розсіюють світло, збільшуючи розсіяну радіацію що виходить із моря. Тому при великих хвилюваннях моря, коли виникає піна і баранчики, альбедо під впливом обох факторів збільшується. Розсіяна радіація надходить до поверхні води під різними кутами. безхмарного неба. Вона також залежить від розподілу хмар на небі. Тому альбедо поверхні моря для розсіяної радіації перестав бути постійним. Але межі його коливання більш вузькі 1 від 0,05 до 0,11. Отже, альбедо поверхні води для сумарної радіації змінюється в залежності від висоти Сонця, співвідношення між прямою і розсіяною радіацією, хвилювання поверхні моря. Треба мати на увазі, що північні частини океанів великою мірою вкриті морським льодом. У такому разі треба враховувати й альбедо льоду. Як відомо, значні простори земної поверхні, особливо у середніх та високих широтах, покриті хмарами, що дуже відбивають сонячну радіацію. Тому знання про альбедо хмарності викликають великий інтерес. Були проведені спеціальні вимірювання альбедо хмар за допомогою літаків та аеростатів. Вони показали, що альбедо хмар залежить від їх форми і товщини. Найбільші значення має альбедо високо-купчастих і шарувато-купчастих хмар. хмар Сu - Sс - близько 50%.

Найбільш повні дані про альбедо хмар отримані в Україні. Залежність альбедо та функції пропускання р від товщини хмар, є результатом систематизації даних вимірювань, наводиться у табл. 1.6. Як видно, зростання товщини хмар призводить до збільшення альбедо та зменшення функції пропускання.

Середнє значення альбедо для хмар Stпри середній товщині 430 м дорівнює 73%, для хмар Sзпри середній товщині 350м - 66%, а функції пропускання для зазначених хмар рівні відповідно 21 і 26%.

Альбедо хмар залежить від альбедо земної поверхні r 3 над яким розташовується хмара. З фізичної точки зору зрозуміло, що чим більше r 3 , тим більше потік відбитої радіації, що проходить вгору через верхню межухмари. Оскільки альбедо - це відношення цього потоку до вступника, то збільшення альбедо земної поверхні призводить до збільшення альбедо хмар. Дослідження властивостей хмар відбивати сонячну радіацію проводилися за допомогою штучних супутників Землі шляхом вимірювання яскравості хмар. табл.1.7.

Таблиця 1.7 – Середні значення альбедо хмар різних форм

За цими даними альбедо хмар коливається від 29 до 86%. Звертає увагу те що, що перисті хмари мають невелике альбедо проти іншими формами хмар (крім купових). Тільки перисто-шарові хмари, які мають велику товщину, значною мірою відбивають сонячну радіацію (r=74%).

Проблема астероїдно-кометної небезпеки, тобто загрози зіткнення Землі з малими тілами Сонячної системи, усвідомлюється в наші дні як комплексна глобальна проблема, яка постає перед людством. У цій колективній монографії вперше узагальнено дані щодо всіх аспектів проблеми. Розглянуто сучасні уявлення про властивості малих тіл Сонячної системи та еволюцію їхнього ансамблю, проблеми виявлення та моніторингу малих тіл. Обговорюються питання оцінки рівня загрози та можливих наслідків падіння тіл на Землю, способи захисту та зменшення збитків, а також шляхи розвитку внутрішньоросійського та міжнародного співробітництва з цієї глобальної проблеми.

Книга розрахована на широке коло читачів. Науковці, викладачі, аспіранти та студенти різних спеціальностей, включаючи, насамперед, астрономію, фізику, науки про Землю, технічні фахівці зі сфери космічної діяльності та, звичайно, читачі, які цікавляться наукою, знайдуть для себе багато цікавого.

Книга:

<<< Назад

Вперед >>>

Астероїди, як і всі тіла Сонячної системи, окрім центрального тіла, світять відбитим світлом Сонця. При спостереженні очей реєструє світловий потік, розсіяний астероїдом у бік Землю і проходить через зіницю. Характеристикою суб'єктивного відчуття світлового потоку різної інтенсивності, що надходить від астероїдів, є їхній блиск. Саме цей термін (а не яскравість) рекомендується використовувати у науковій літературі. Фактично око реагує на освітленість сітківки, т. е. на світловий потік, що припадає на одиницю площі майданчика, перпендикулярної до променю зору, на відстані Землі. Освітленість обернено пропорційна квадрату відстані астероїда від Землі. Враховуючи, що розсіяний астероїдом потік обернено пропорційний квадрату його відстані від Сонця, можна зробити висновок, що освітленість Землі назад пропорційна квадрату відстаней від астероїда до Сонця і Землі. Таким чином, якщо позначити освітленість, що створюється астероїдом, що знаходиться на відстані r від Сонця і? від Землі, за допомогою E, а за допомогою E 1 - освітленість, створювану тим самим тілом, але що знаходяться на одиничній відстані від Сонця і від Землі, то

E = E 1 r -2? -2. (3.2)

В астрономії освітленість прийнято виражати у зоряних величинах. Інтервалом освітленості в одну зіркову величину називається відношення освітленості, створюваних двома джерелами, при якому освітленість від одного з них у 2,512 рази перевищує освітленість, створювану іншим. У загальному випадку має місце формула Погсона:

E m1 /E m2 = 2,512 (m2-m1), (3.3)

де E m1 - освітленість від джерела із зірковою величиною m 1 , E m2 - освітленість від джерела із зірковою величиною m 2 (освітленість тим менша, чим більша зіркова величина). З цих формул випливає залежність блиску астероїда m, вираженого у зоряних величинах, від відстані r від Сонця та? від Землі:

m = m 0 + 5 lg(r?), (3.4)

де m 0 - так звана абсолютна зоряна величина астероїда, чисельно рівна зірковій величині, яку мав би астероїд, перебуваючи на відстані 1 а. від Сонця та Землі та при нульовому вугіллі фази (нагадаємо, що кутом фази називається кут при астероїді між напрямками на Землю та на Сонці). Вочевидь, що у природі така конфігурація трьох тіл здійснитися неспроможна.

Формула (3.4) в повному обсязі визначає зміна блиску астероїда за його орбітальному русі. Фактично блиск астероїда залежить не тільки від його відстаней від Сонця та Землі, а й від кута фази. Ця залежність пов'язана, з одного боку, з наявністю збитків (неосвітленої Сонцем частини астероїда) при спостереженні із Землі при ненульовому фазовому вугіллі, з іншого, - від мікро- та макроструктури поверхні.

Треба мати на увазі, що астероїди Головного поясу можуть спостерігатися лише за відносно невеликих фазових кутів приблизно до 30°.

До 80-х років. XX ст. вважалося, що додавання до формули (3.4) доданку, пропорційного величині фазового кута, дозволяє досить добре врахувати зміну блиску залежно від кута фази:

m = m 0 + 5 lg(r?) + k?, (3.5)

де? - Кут фази. Коефіцієнт пропорційності k, хоч і відрізняється для різних астероїдів, варіюється в основному в межах 0,01-0,05 m / °.

Зростання зоряної величини m із зростанням кута фази згідно з формулою (3.5) має лінійний характер, m 0 є ординатом точки перетину фазової кривої (фактично прямої) з вертикаллю при r = ? = 1 і? = 0 °.

Пізніші дослідження показали, що фазова крива астероїдів має складний характер. Лінійний спад блиску (збільшення зоряної величини об'єкта) зі зростанням фазового кута має місце лише в діапазоні приблизно від 7 ° до 40 °, після чого починається нелінійний спад. З іншого боку, при кутах фази менших 7° має місце так званий опозиційний ефект - нелінійне наростання блиску зі зменшенням фазового кута (рис. 3.15).

Рис. 3.15. Залежність зоряної величини від кута фази для астероїда (1862) Apollo

З 1986 р. для обчислень видимої зоряної величини астероїдів у променях V (візуальна смуга спектру фотометричної системи UBV) застосовується складніша напівемпірична формула, яка дозволяє більш точно описати зміну блиску в діапазоні фазових кутів від 0° до 120° . Формула має вигляд

V = H + 5 lg(r?) – 2,5 lg[(1 – G)? 1+G? 2]. (3.6)

Тут H - абсолютна зоряна величина астероїда в променях V, G - так званий параметр нахилу, ? 1 та? 2 - функції кута фази, що визначаються такими виразами:

I = exp ( - A i B i ), i = 1, 2,

A 1 = 3,33, A 2 = 1,87, B 1 = 0,63, B 2 = 1,22.

Після того, як елементи орбіти визначені і, отже, r, ? і? можуть бути обчислені формула (3.6) дозволяє знайти абсолютну зоряну величину, якщо є спостереження видимої зоряної величини. Для визначення параметра G потрібні спостереження видимої зоряної величини за різних кутів фази. В даний час значення параметра G визначено зі спостережень лише для 114 астероїдів, у тому числі для кількох АСЗ. Знайдені значення G варіюються не більше від –0,12 до 0,60. Для інших астероїдів значення G приймається рівним 0,15.

Потік променистої енергії Сонця в діапазоні довжин хвиль видимого світла, що падає на поверхню астероїда, обернено пропорційний квадрату його відстані від Сонця і залежить від розмірів астероїда. Цей потік частково поглинається поверхнею астероїда, нагріваючи її, а частково розсіюється по всіх напрямках. Відношення величини розсіяного по всіх напрямках потоку до падаючого потоку називається сферичним альбедо A. Воно характеризує відбивну здатність поверхні астероїда.

Сферичне альбедо прийнято представляти як твори двох співмножників:

Перший співмножник p, званий геометричним альбедо, є відношення блиску реального небесного тіла при нульовому куті фази до блиску абсолютно білого диска того ж радіуса, що і небесне тіло, розташованого перпендикулярно до сонячних променів на тій самій відстані від Сонця та Землі, що й саме небесне тіло. Другий помножувач q, званий фазовим інтегралом, залежить від форми поверхні.

У протиріччі зі своєю назвою геометричне альбедо визначає залежність розсіювання падаючого потоку немає від геометрії тіла, як від фізичних властивостей поверхні. Значення саме геометричного альбедо наводять у таблицях і мають на увазі, коли говорять про відбивну здатність поверхонь астероїдів.

Альбедо залежить від розмірів тіла. Воно тісно пов'язане з мінералогічним складом і мікроструктурою поверхневих шарів астероїда і може бути використане для класифікації астероїдів та визначення їх розмірів. Для різних астероїдів альбедо варіюється в межах від 0,02 (дуже темні об'єкти, що відображають лише 2% падаючого світла Сонця) до 0,5 і більше (дуже світлі).

Для подальшого важливо встановити зв'язок між радіусом астероїда, його альбедо та абсолютною зоряною величиною. Очевидно, що чим більший радіус астероїда і чим більший його альбедо, тим більший світловий потік він відображає в заданому напрямку за інших рівних умов. Освітленість, яку створює астероїд на Землі, залежить також від його відстані від Сонця і Землі і потоку променистої енергії Сонця, який може бути виражений через зоряну величину Сонця.

Якщо позначити освітленість, створювану Сонцем Землі, як E ? , освітленість, створювану астероїдом, - як E, відстані від астероїда до Сонця і Землі - як r і?, а радіус астероїда (у а.е.) - як?, то для обчислення геометричного альбедо p можна використовувати наступне вираз:

Якщо прологарифмувати це співвідношення та замінити логарифм відношення E/E? за формулою Погсона (3.3), то знайдемо

lg p = 0,4(m ? - m) + 2(lg r + lg ? - lg ?),

де m? - видима зоряна величина Сонця. Замінимо тепер m за формулою (3.4), тоді

lg p = 0,4(m ? - m 0) - 2 lg ?,

або, висловлюючи діаметр D в кілометрах і вважаючи видиму зоряну величину Сонця в променях V рівної -26,77 [Герелс, 1974], отримаємо

lg D = 3,122 - 0,5 lg p - 0,2H, (3.7)

де H - абсолютна зоряна величина астероїда в променях V.

<<< Назад