Излучение коротковолновое

Коротковолновые лучи, глубоко проникая в ткани и клетки, вызывают значительные изменения в них и ионизацию. Процесс ионизации в клетке состоит в том, что некоторые атомы, под влиянием излучения, поглощая энергию, испускают электроны и становятся положительно заряженными ионами. Возникший свободный электрон присоединяется к незаряженному атому и последний, получая заряд, превращается в отрицательно заряженный ион; создаются пары ионов. Изменение электронной структуры атомов нарушает химические связи, вследствие чего разрушаются молекулярные структуры клетки. Более других повреждаются ядерные элементы клетки, особенно носители генетических свойств — нуклеиновые кислоты; цитоплазма также претерпевает различные нарушения. Результаты воздействия на наследственные свойства клеток стойки и необратимы.[ …]

Излучение, которое достигает почву или растительный покров, подразделяется на коротковолновое (300—4000 нм) и длинноволновое (более 4000 нм). Ультрафиолетовые лучи короче 290 нм, губительные для живых организмов, поглощаются озоновым слоем и до поверхности планеты практически не доходят. [ …]

Коротковолновый спектр электромагнитного излучения (свет) беспокоит в ночное время диких животных, вызывает гибель большого количества насекомых, которые летят на свет фар сельскохозяйственных агрегатов и гибнут, попадая с током воздуха в радиатор трактора, комбайна или автомобиля.[ …]

Коротковолновое ультрафиолетовое излучение (КУФ-излучение) обладает бактерицидным свойством, которое было открыто в конце XIX в., хотя еще древние люди освещали раны солнцем для быстрейшего их заживления. Максимум бактерицидного действия приходится на 250—260 нм. КУФ-излучение губительно действует на все виды микроорганизмов (бактерии, вирусы, споровые формы). Поглощение лучистой энергии бактериальной клеткой ведет к необратимой коагуляции протеиновой фракции протоплазмы, следствием чего является гибель клетки.[ …]

В более коротковолновой части спектра УФ излучений используются специальные маложелатиновые фотослои. Широко применяются фотоэлектрические приемники, использующие явления фотоэффекта, ионизации и вторичной электронной эмиссии: фотоэлементы, фотоэлектронные умножители (ф. э.у.), ионизационные камеры, счетчики фотонов и т. п. [1, 8, 16].[ …]

Озон как фильтр коротковолнового излучения. Химические процессы, происходящие в атмосфере, в слоях, которые расположены ниже 90 км, кроме фотодиссоциации 02, существенным образом отличаются от тех процессов, что наблюдаются на больших высотах. В мезо- и стратосфере, в отличие от более высоких слоев, концентрация 02 увеличивается, поэтому вероятность столкновения О2 с О, которое ведет к образованию 03, резко возрастает.[ …]

Около 50 % солнечного излучения достигает поверхности суши и океанов. Часть этого излучения сразу отражается и направляется обратно в космическое пространство. Это коротковолновое излучение не меняет в процессе отражения своей длины волны. Остальное излучение поглощается поверхностью Земли и океаническими водами и распространяется вглубь, превращаясь в тепловую энергию, затрачивается на испарение воды. Глубина, на которую это тепло может распространяться, зависит от свойств поглощающей поверхности. В океане толщина прогретого слоя иногда превышает 100 м. Перенос энергии в земной коре происходит за счет молекулярной теплопроводности и представляет собой более медленный процесс. На глубине 0,5 м суточные изменения температуры едва заметны. Поток энергии, достигающей поверхности Земли и поглощенный ею, в конце концов, излучается обратно в виде длинных инфракрасных волн. Соотношение между этими двумя потоками зависит от характера поверхности, ее отражательной способности, высоты Солнца над горизонтом и т.д.[ …]

Основным источником УФ излучения естественного происхождения является Солнце. Из всего спектра УФ излучения Солнца только небольшая длинноволновая часть (рис. 8.1) достигает земной поверхности (А >0,29 мкм). Остальная часть всего УФ спектра, в особенности, коротковолновая, поглощается атмосферой, что оказывает сильное влияние на атмосферные процессы.[ …]

Механизм воздействия УФ излучения на живые организмы до конца не изучен, тем более невозможно предсказать последствия выживаемости разных биообъектов при увеличении интенсивности УФ излучения и смещению его спектра в сторону коротких волн. Этот процесс крайне нежелателен. Человечеству нужно позаботиться, чтобы атмосфера и озоновый слой оставались надежной защитой от губительного коротковолнового УФ излучения.[ …]

Спектр электромагнитных излучений, освоенный человечеством в настоящее время, представляется необычайно широким, простирающимся от сверхдлинных волн (несколько тысяч метров и более) до коротковолнового у-изпучения (с длиной волны менее 10-12 см).[ …]

Воздействие инфракрасного излучения на организм человека проявляется как общими, так и местными реакциями. Местная реакция сильнее при облучении длинноволновой радиацией, поэтому при одной и той же интенсивности облучения время переносимости в этом случае короче, чем при коротковолновой радиации. За счет большой глубины проникновения в ткани тела коротковолновый участок спектра инфракрасной радиации обладает более выраженным общим действием на организм человека. Так, коротковолновая радиация (0,7—2,4 мкм) вызывает повышение температуры глубоколежащих тканей, например при длительном повторном облучении глаз ведет к помутнению хрусталика (профессиональная катаракта). [ …]

ЭЛЕКТРОМАГНЙ ТНОЕ (ВОЛНОВОЕ) ИЗЛУЧЕНИЕ СблНЦА -включает весь диапазон длин волн — от низкочастотных радиоволн до гамма-излучения. Коротковолновое (ультрафиолетовое и рентгеновское) излучение, с длинами юли от нескольких ангстрем (А) до 1000 А, почти полностью поглощается в верхних слоях земной атмосферы, приводит к их ионизации, т.е. к появлению ионосферы. Основные параметры ионосферы — концентрация электронов, распределение концентрации с высотой — существенно зависят от солнечной активности. Ионосфера является естественным экраном, препятствующим проникновению к Земле радиоволн космического происхождения на частотах от нескольких герц до нескольких мегагерц. При изменении уровня солнечной активности интенсивность излучения в вышеназванном диапазоне сильно меняется (близ 10 А — 1000 раз). Текущие в ионосфере электрические токи, изменяющиеся при вариациях коротковолнового излучения Солнца, оказывают влияние на фоновые электромагнитные поля на поверхности Земли в области сверхнизких частот. [ …]

Именно озоновый слой, поглощая коротковолновое ультрафиолетовое излучение Солнца, сохраняет все живое на Земле и определяет тепловой режим, а также динамику атмосферы.[ …]

Для достаточно строгого описания излучения и поглощения атмосферными газами развит ряд сложных методов и моделей (см., например, [7] и имеющуюся там библиографию). Поглощение наблюдается в многочисленных колебательно-вращательных полосах Н2О, СО2, СО, 03, 02, СН4, Ы02, N20, N0, БОг и других газов [5]. Для длин волн больше примерно 4 мкм эти газы, исключая 02, излучают большое количество тепловой (длинноволновой) радиации Кроме селективного излучения и поглощения линиями в окнах прозрачности атмосферы имеет место континуальное излучение и поглощение, обусловленное далекими крыльями линий. Воздействие газов на солнечную (коротковолновую) и тепловую радиацию зависит от целого ряда факторов и может сильно измениться с ростом высоты. Для средних безоблачных атмосферных условий оценки нагревания и выхолаживания атмосферы, обусловленные только поглощением и излучением парниковыми газами, представлены на рис. 3.5 [12, 22]. Видно, что-доминирующим парниковым газом в тропосфере является водяной пар, тогда как озон и углекислый газ являются ответственными за тепловой баланс в более высоких слоях атмосферы.[ …]

В результате воздействия солнечного излучения на молекулы вещества в атмосфере образуются свободные электроны и положительные ионы. Такие процессы носят название фотоионизации. Для их протекания также необходимо выполнение указанных выше условий. В табл. 8 приведены некоторые из наиболее важных процессов фотоионизации, протекающих в верхних слоях атмосферы. Как следует из таблицы, фотоны, вызывающие фотоионизацию, относятся к коротковолновой (высокочасточной) ультрафиолетовой части спектра. Излучение этой части спектра не доходит до поверхности Земли, его поглощают верхние слои атмосферы.[ …]

На рис. 14.5 условно изображены два сорта излучения, одно — приходящее от Солнца, с максимумом по интенсивности в оптическом диапазоне, другое — уходящее от Земли. Уходящее излучение содержит как коротковолновое излучение, рассеянное и отраженное атмосферой и поверхностью Земли, так и длинноволновое, связанное с излучением самой планеты. Если взять за 100% излучение, которое приходит от Солнца, то примерно 31% от него отражается и рассеивается атмосферой сразу: 17% облаками, 6% поверхностью земли и 8% безоблачной атмосферой. Назад уходит примерно 31%, а 69% этого коротковолнового излучения поглощается атмосферой (4% поглощается облаками, а 22% — безоблачной атмосферой) и 43% Землей. В установившемся стационарном режиме атмосфера излучает во внешнее пространство те же 69% низкочастотного ИК излучения. Причем атмосфера излучает низкочастотное ИК излучение и вниз, в Землю (67 + 34 = 101%), а Земля излучает в атмосферу 115% ИК излучения + 29% энергии скрытым теплом и турбулентными потоками, что составляет 144% по энергии от падающего излучения. Хотя поток энергии от поверхности Земли превышает 100%, никакого противоречия с законом сохранения энергии здесь нет, поскольку Земля получает 43% по энергии высокочастотным излучением и 101% (67 + 34 = 101%) низкочастотным ИК излучением от атмосферы, что составляет те же 144%. Таким образом, между поверхностью Земли и атмосферой благодаря парниковому эффекту возникают встречные потоки энергии, которые дополнительно нагревают атмосферу и поверхность Земли. [ …]

Парниковый эффект — снижение теплового излучения Земли из-за повышения содержания диоксида углерода в ей атмосфере. Диоксид углерода свободно пропускает коротковолновое солнечное излучение, но задерживает тепловые лучи, идущие от нагретой земной поверхности. Повышение концентрации диоксида углерода приводит к нарушению энергетического баланса планеты и ее перегреву.[ …]

В радиобиологии различают два основных типа излучений —длинноволновые 2000—2950 А, в которые входят ультрафиолетовые лучи и коротковолновые, особенно рентгеновские, с длиной волны от 0,06 до 1000 А. Первый тип излучения неглубоко проникает в ткани. Его бактерицидное действие было подробно рассмотрено выше.[ …]

Опасны не солнечные лучи сами по себе, а лишь коротковолновое (УФ-С) излучение, несущее гибель всему живому, и УФ-Б (рис. 5.3). Нормальным считается положение, когда озоновый слой задерживает и полностью поглощает УФ-С и фильтрует УФ-Б.[ …]

Чувствительность организмов к ионизирующим излучениям. В процессе исторического развития все живые существа приобрели способность благополучно переносить естественный фон ионизирующего излучения; превышение этого фона представляет опасность для каждого организма. Только ионосфера защищает жизнь на Земле от губительного коротковолнового жесткого космического излучения. Важно подчеркнуть, что в воздействиях последнего на организмы не существует низшей пороговой дозы.[ …]

Здесь (5зг — приходящая на верхнюю границу зоны коротковолновая радиация; а — альбедо; 1 — уходящее длинноволновое излучение — (ккал/см2 • мес) и — температура поверхности; — средняя равновесная температура, 0 С; в = 0,5 — балл облачности; А = 14,0, В = 0,14; А = 3,0, В =0,10 — размерные коэффициенты. Справа в уравнении баланса энергии (12) —меридиональный приток тепла в виде закона Ньютона, где (5 = 0,235 ккал/см2 • мес • град. Все коэффициенты в (12) и (13) определены на основе эмпирического материала. Считая меридиональные потоки тепла неизвестными, найдем их значения, при которых имеет место минимум скорости обмена энтропией с внешней средой для этой модели. В простейшем случае, когда северное, например, полушарие разбито на две широтные зоны равной площади, возможно несложное аналитическое решение поставленной задачи.[ …]

Таким образом, основными поглотителями атмосферы коротковолновой части УФ излучения Солнца являются атомы водорода, гелия, азота, кислорода и затем, основным экраном от УФ излучения (при к [ …]

Поглощение солнечной радиации. Качество и количество излучения зависят от температуры излучающего тела. Чем выше температура, тем больше интенсивность излучения и тем больше коротких (высокочастотных) волн радиации. Таким образом, высокотемпературная солнечная радиация состоит главным образом из коротковолнового излучения в видимой или близкой к видимой частоте. Коротковолновая солнечная энергия поглощается у земной поверхности, где она превращается в тепло. После этого земля становится излучающим телом, но при более низкой температуре (в среднем 13,9°С). Земля характеризуется длинноволновым (низкочастотным) излучением. [ …]

Вследствие большой разности между температурами Солнца и Зем ли в коротковолновой области спектра пренебрегают собственным тепловым излучением земной атмосферы п подстилающей поверхности и при вычислении лучистых потоков полагают /¿(г, ю) = 0. В длинноволновой же области спектра вблизи максимума (—10-5-15 мкм) теплового излучения Земли с достаточно высокой точностью можно не учитывать эффекты рассеяния (А(г) = 0), и в предположении о локальном термодинамическом равновесии, а именно эти приближения, как правило, используются в указанном спектральном диапазоне, функция источников /5(г, оа) = В(Т).[ …]

Тропосфера почти совершенно прозрачна по отношению к проходящей через нее коротковолновой солнечной радиации, но содержащийся в ней водяной пар сильно поглощает длинноволновое (тепловое) излучение Земли.[ …]

В настоящее время большое внимание уделяется теории переноса длинноволнового излучения в облачности как совокупности облаков конечных горизонтальных размеров. В ряде работ [7, 14, 23, 27, 28] предлагается рассчитывать среднюю интенсивность длинноволновой радиации в разорванной облачности на основе решений уравнения переноса, полученных для сплошного однородного слоя, изолированного облака и ансамбля регулярно расположенных в пространстве облаков. Здесь на основе идей и методов, используемых в коротковолновой области спектра, получим и решим уравнения для средней интенсивности длинноволновой радиации [13, 30].[ …]

На восстановительную вторичную атмосферу воздействовали большие потоки энергии: коротковолновое ультрафиолетовое излучение, а также ионизирующее излучение от Солнца (сейчас оно экранируется озоновым слоем атмосферы), электрические разряды (грозы, коронные разряды), местные источники тепла вулканического происхождения. В этих условиях мог идти активный химический синтез, при котором из газов вторичной атмосферы, через такие промежуточные продукты, как синильная кислота, этилен, этан, формальдегид и мочевина, образовывались сначала мономеры, а затем и простейшие полимеры. Так как окисления не происходило, воды древнего океана обогащались такими соединениями, как аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания, сахара, карбоновые кислоты, липиды, образуя так называемый “первичный бульон”. Могли идти процессы осаждения, разделения и адсорбции, а на поверхности минералов (например, глин или горячей лавы) — и дальнейший синтез более сложных соединений. Эти представления подтверждаются, с одной стороны, результатами анализа древних земных горных пород и сравнением их с внеземным органическим веществом (например, из метеоритов), а с другой стороны — многочисленными экспериментами, показавшими, что в смеси газов, воспроизводящих вторичную атмосферу, при достаточном притоке энергии, действительно происходят процессы синтеза. Так, пропуская электрические разряды через смесь газов метана и аммиака при наличии паров воды, удалось получить такие сравнительно сложные соединения, как аланин, глицин, аспарагиновая кислота и др.[ …]

Основным источником энергии для всех процессов, происходящих в биосфере, является солнечное излучение. Атмосфера, окружающая Землю, слабо поглощает коротковолновое излучение Солнца, которое, в основном, достигает земной поверхности. Некоторая часть солнечного излучения поглощается и рассеивается атмосферой. Поглощение падающей солнечной радиации обусловлено наличием в атмосфере озона, углекислого газа, паров воды, аэрозолей.[ …]

Парниковый эффект заключается в следующем; углекислый газ способствует проникновению к Земле коротковолнового излучения Солнца, а длинноволновое тепловое излучение Земли задерживается. В результате происходит длительный нагрев атмосферы.[ …]

Для аналитических целей возбуждение флюоресценции проводят главным образом длинноволновым ультрафиолетовым излучением с длиной волны больше 320 ммк, для некоторых веществ — коротковолновым ультрафиолетовым излучением с длиной волны меньше 280 ммк. Для этой цели наиболее пригодными являются ртутно-кварцевые лампы ПРК-2 и ПРК-4, выпускаемые отечественной промышленностью.[ …]

Парниковый (тепличный, оранжерейный) эффект — разогрев нижних слоев атмосферы, вследствие способности атмосферы пропускать коротковолновую солнечную радиацию, но задерживать длинноволновое тепловое излучение земной поверхности. Парниковому эффекту способствует поступление в атмосферу антропогенных примесей (диоксида углерода, пыли, метана, фрео-нов и т.д.).[ …]

В Антарктиде и в высокогорьях, кроме низкой температуры, на водоросли влияет еще и высокая солнечная радиация. Для снижения вредного влияния коротковолнового радиационного излучения сине-зеленые водоросли в ходе эволюции приобрели ряд приспособлений. Важнейшим из них является выделение слизи вокруг клеток. Слизь колоний и слизистые влагалища нитчатых форм являются хорошей защитной обверткой, предохраняющей клетки от высыхания и одновременно действующей как фильтр, устраняющий вредное влияние радиации. В зависимости от интенсивности света в слизи отлагается больше или меньше пигмента, и она окрашивается по всей толще или по слоям.[ …]

Среди компонентов атмосферы, связанных с проблемой климата, озон занимает особое место в связи с его определяющей ролью в поглощении солнечного излучения в коротковолновой части ультрафиолетовой области. Хорошо известно, что озонная оболочка атмосферы Земли обеспечивает практически полное поглощение этого излучения, губительного для всего живого на Земле, хотя ее толщина, если собрать все молекулы озоиа, содержащиеся в вертикальном столбе атмосферы в ее приземном слое, составит всего несколько миллиметров. В связи с этим разрушение озонного слоя не может не волновать все человечество. Явление образования озонных дыр в стратосфере впервые обнаружено более 10 лет назад в высоких широтах южного полушария космическими средствами.[ …]

ЭФФЕКТ ТЕПЛИЧНЫЙ (парниковый) — 1. Увеличение температуры и влажности, связанное с тем, что прозрачное покрытие (стекло, полиэтилен и т.п.) пропускает коротковолновые солнечные лучи, но непроницаемо для длинноволновых тепловых излучений и водяных паров, благодаря чему не происходит охлаждения и оттока влаги. 2. Возможное постепенное потепление климата на планете в результате накопления в атмосфере антропогенного углекислого газа, который играет роль пленки, пропуская солнечные лучи и препятствуя оттоку длинноволнового теплового излучения с поверхности Земли.[ …]

Корф [9] показал, что в экваториальных Андах на Котопахи на высоте 3570 м радиационный баланс за 12 дней в июле в среднем составил 60 % (53 % в ясные дни) от поступающего коротковолнового излучения при альбедо поверхности 0,22. Эти цифры соответствуют данным, приведенным Волошиной [4] для Кавказа на высотах 3000—3500 м (см. рис. 2.11). На Эвересте (28° с. ш.) на высоте 4750 м радиационный баланс за 9 дней в апреле 1963 г. составил 55 % от приходящего коротковолнового излучения при альбедо поверхности 0,16 [10].[ …]

Кроме того, озон, находясь в виде слоя атмосферы Земли — озоносферы, имеет чрезвычайно важное биологическое значение. Этот слой предохраняет живые организмы на Земле от вредного влияния коротковолновой ультрафиолетовой радиации Солнца. Озон играет значительную роль в создании термических режимов различных слоев атмосферы вследствие сильного поглощения солнечной радиации и земного излучения. Наиболее интенсивно озон поглощает ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Солнечные лучи с длиной волны меньше 300 км почти полностью поглощаются атмосферным озоном. Таким образом, Земля окружена своеобразным “озоновым экраном”, защищающим многие организмы от губительного действия ультрафиолетового излучения Солнца. [ …]

Озоновый слой является своеобразным стабилизатором и демпфером в механизме температурного режима атмосферы. Стратосферный слой озона во многом определяет температурный режим атмосферы. На более верхних уровнях атмосферы за счет поглощения коротковолновой части УФ излучения атомами водорода, азота, кислорода их кинетическая энергия возрастает, а, следовательно, возрастает и температура атмосферы. До высот 80 км достигает ослабленная часть УФ излучения Солнца. В этой области поглощение незначительно, поэтому температура принимает минимальное значение («180 К).[ …]

Оптические свойства коллоидных систем. Поскольку размер коллоидных частиц меньше длин световых волн видимой части спектра, то поглощенная энергия вновь испускается частицами в различных направлениях, поляризованные частицы как бы становятся новыми источниками излучения. Рассеяние света является характерным свойством коллоидных систем и подтверждает их гетерогенность. Интенсивность светорассеяния усиливается при наличии крупных частиц (но с диаметром не более Уго длины волны света), при коротковолновом излучении и при значительном отличии показателей преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды. Коллоидные растворы поглощают монохроматический свет, причем максимум поглощения зависит от размера частиц. С уменьшением их диаметра этот максимум смещается в коротковолновую часть спектра.[ …]

Эта аналогия тем более верна, что рост количества используемой человеком энергии ископаемых углеводородов связан с увеличением концентрации углекислого газа в атмосфере, что приводит к так называемому парниковому эффекту. Его смысл достаточно прост: углекислота пропускает коротковолновое солнечное излучение, которое нагревает поверхность Земли и океана и задерживает длинноволновое (тепловое) излучение планеты, что приводит к повышению ее средней температуры.[ …]

Важнейшие климатические и экологические особенности Земли в решающей степени определяются наличием и свойствами ее газовой оболочки атмосферы. Благодаря специфическому газовому составу, способности поглощать и отражать солнечную радиацию, озоновому слою, в котором задерживается основная часть коротковолнового излучения Солнца, благоприятному температурному режиму и присутствию водяного пара атмосферу можно назвать одним из г лавных источников жизни на Земле. [ …]

Выше тропосферы расположена стратосфера, а между ними находится тропопауза. Толщина стратосферы составляет около 40 км, воздух в ней разряжен, влажность его невысока, при этом температура воздуха от границы тропосферы до высоты 30 км над уровнем моря постоянна (около -50°С), а затем она постепенно повышается до + 10°С на высоте 50 км. Под воздействием космического излучения и коротковолновой части ультрафиолетового излучения Солнца молекулы газов в стратосфере ионизируются, в результате образуется озон. Озоновый слой, распространяющийся до высоты 40 км, играет очень большую роль, оберегая все живое на Земле от ультрафиолетового излучения.[ …]

Солнце является источником энергии всех динамических процессов, протекающих в атмосфере, океане и на поверхности суши. В связи с этим климат и его изменения определяются разнообразными факторами, влияющими на величину и вариации радиационных потоков в системе «атмосфера — подстилающая поверхность». Наиболее важными процессами, определяющими погоду, а после усреднения за достаточно длинный временной интервал и климат, являются нагревание за счет поглощения солнечного коротковолнового излучения и выхолаживание за счет длинноволновой радиации, излучаемой системой в космос. Эти компоненты радиационного баланса Земли определяют источники и стоки лучистой энергии, управляющие общей циркуляцией атмосферы и океана.[ …]

Не Исключено, что и с появлением первых фотосинтезирующих организмов (по-видимому сходных.с современными цианобадстерця-ми), обитавших в водоемах докембрийского периода, сохранялся тот же механизм регуляции содержания кислорода в атмосфере, а полученный в результате фотосинтеза кислород полностью растворялся в воде. Во всяком случае, в период до начала палеозоя накопление кислорода в атмосфере шло медленно и не превышало 10 % современного уровня. Только с Появлением наземной растительности начинается заметное повышение уровня кислорода в атмосфере; одновременно сдой озона и накопление в верхних частях атмосферы СО2 и паров воды постепенно экранировали коротковолновую часть солнечного излучения и устранили возможность дальнейшего образования кислорода путем фотолиза воды.[ …]

Современный газовый состав атмосферы по существу является продуктом деятельности живых организмов. Не вдаваясь в подробное рассмотрение сложившихся процессов накопления газов в атмосфере на протяжении более чем 4,5 млрд. лет геологической истории Земли, отметим, что, например, свободный кислород выделялся в атмосферу и в добиологический период, но, как известно, в силу особенностей химизма окружающей среды он практически мгновенно переходил в связанное состояние. И в биологический период на начальном этапе выделяемый кислород главным образом накапливался в растворенном состоянии в водах океана и только при активном освоении суши растениями произошло накопление кислорода в атмосфере, формирование озонового слоя, а затем постепенное повышение содержания диоксида углерода и паров воды. Все это вместе создало условия, при которых прекратилась возможность прямого фотолиза кислорода из воды, так как сформировавшийся экран преградил путь для части коротковолнового излучения Солнца к земной поверхности.[ …]

Знания — sterilAir AG | Высочайшая компетенция в области обеззараживания ультрафиолетом.

Оптическое излучение

Из излучаемой энергии, воздействию которой мы ежедневно подвержены, мы воспринимаем лишь очень небольшую часть в виде света или тепла. Гораздо большую часть этого электромагнитного спектра человек просто не замечает. Сюда также относятся ультрафиолетовые лучи.

Данные виды энергии можно пояснить на примере модели длины волн: лучи отличаются своей частотой. Например, радиоволны представляют собой очень длинные волны, тогда как оптические лучи относятся к диапазону коротких волн. При этом частотный диапазон ультрафиолетового излучения охватывает лишь очень небольшую часть электромагнитного спектра.

УФ-излучение

Ультрафиолетовые лучи (УФ) – это коротковолновые виды энергии, которые, наряду со светом и инфракрасным излучением, причисляют к группе оптических волн. УФ-лучи подвергаются изгибу, повороту, преломлению, поглощению и отражению.

Название «ультрафиолет» (в значении «по другою сторону фиолетового») основывается на том факте, что УФ-спектр начинается со спектральных частот длины волн короче тех, которые человек может воспринимать зрением как сине-фиолетовый цвет.

Потому УФ-лучи для человеческого глаза невидимы.

Ультрафиолетовые лучи подразделяют на три диапазона:

UV-A (длинные волны): UV-B (средние волны): UV-C (короткие волны):

400 — 315 nm 315 — 280 nm 280 — 100 nm

Относящиеся к длинноволновому диапазону А ультрафиолетовые лучи как часть солнечного света достигают поверхности земли. Они инициируют различные фотохимические процессы, имеют кратковременный пигментообразующий эффект (солнечный загар) и могут стать косвенной причиной повреждений ДНК и меланомы. УФ-лучи диапазона А проходят через стекло и светопроницаемые синтетические материалы.

Относящиеся к средневолновому диапазону В ультрафиолетовые лучи оказывают замедленный пигментообразующий эффект, находящий отражение в увеличении производства меланина. Кроме того, они могут стать причиной образования на коже эритемы в виде солнечного ожога.

УФ-лучи диапазона В, кроме того, отвечают за образование в организме человека провитамина D. Данное излучение также используется в терапевтических целях, поскольку оно оказывает противорахитное воздействие. На высоте уровня моря доля УФ-лучей диапазона В меньше, чем в высоких горах. Для этих и более коротких ультрафиолетовых лучей преградой является даже обычное оконное стекло.

Относящиеся к диапазону С ультрафиолетовые лучи отличаются более короткой длиной волн и большей энергией по сравнению с лучами диапазона А и В. Они включают в себя большую часть всей области ультрафиолетового излучения и оказывают в зоне 260 nm сильный бактерицидные эффект. Как и видимые волны света, УФ-лучи диапазона С распространяются только прямолинейно, и с увеличением удаления от источника их интенсивность снижается.

Какие лучи являются бактерицидными?

Солнцу со стародавних времен приписывались целебные силы, но лишь в 1878 году исследователи Артур Даунз и Томас П. Блант выснили, что микроорганизмы при сильном воздействии солнечных лучей прекращают размножение.

Однако после этого открытия прошло значительное время, прежде чем была установлена специфическая связь длины волны с реакционным максимумом в области от 250 до 270 nm – частью УФ-излучения коротковолнового диапазона C (UVC).

Лишь начиная с 50-ых годов, после открытия структурного строения ДНК в виде двойной спирали исследователями Джемсом Уотсоном и Френсисом Криком, мы можем дать этому объяснение.

Почему ультрафиолетовое излучение коротковолнового диапазона С (UVC) убивает микроорганизмы?

Двухспиральная структура ДНК основывается на сочетании оснований пурина и пиримидина. Они является фактическими носителями информации с нуклеиновыми основаниями аденином, тимином, гуанином и цитозином.

Исследования, проведенные в последующие годы, показали, что коротковолновое и богатое энергией ультрафиолетовое излучение диапазона С (UVC) вызывает, в первую очередь, у тиминов фотохимический эффект. Осуществляется их димеризация, т.е. сцепление или склеивание двух расположенных рядом носителей информации.

В результате молекулярного изменения оснований ДНК изменяется настолько, что процесс транскрипции, который существенно важен для репликации ДНК и тем самым для деления клеток, больше происходить не может. Подвергнутая такому значительному повреждению клетка в конечном счете отмирает.

Связь дозы и воздействия

Эффективность метода дезинфекции на основании ультрафиолетовых лучей диапазона С (UVC) непосредственно связана с используемой дозой (= время x энергия облучения / площадь). Высокая интенсивность в течение короткого времени или ограниченная интенсивность в течение продолжительного периода практически взаимозаменяемы и оказывают почти

равноценный эффект дезинфекции. Доза, как определяющая заданная величина, указывается в µW*s/cm², часто также используется значение в Js/m².

Принципиальное правило: Чем проще структура строения микроорганизма, тем проще осуществляется его нейтрализация с помощью ультрафиолетового излучения. Поэтому вирусы, бактерии и бактериальные споры подвергнуть разрушению, как правило, гораздо проще, чем сложные микроорганизмы, например, дрожжи и вегетативные клетки грибов (эукариотические клетки). Грибные споры, ДНК которых дополнительна защищена пигментированной стенкой клетки и концентрированной цитоплазмой, поддаются нейтрализации только при использовании существенных доз ультрафиолета.

Воздействие на человека

При повышенной дозе облучения ультрафиолетовые лучи диапазона С (UVC) вызывают у человека покраснения кожи (эритемы) и болезненные воспаления слизистой оболочки глаз (конъюнктивит). По этой причине нельзя превышать установленные ЕС предельные значения ежедневной дозы облучения (Директива ЕС 2006/25), составляющие 6 mJ/cm² или 60 J/m² (при 254 nm). Всегда следите за наличием достаточной защиты!

В отличие от ультрафиолетового излучения диапазонов А (UVA) или В (UVB) глубина проникновения ультрафиолетового излучения диапазона С (UVC) в кожу человека

очень мала. Поэтому опасность рака кожи даже при интенсивном ультрафиолетовом облучении диапазона С (UVC) незащищенных частей тела следует оценивать как чрезвычайно маловероятную. Научные доказательства прямой связи до настоящего времени получены не были.

Безопасное использование ультрафиолетовых лучей диапазона С (UVC)

Ультрафиолетовые лучи диапазона С (UVC) не проходят через твердые вещества, в том числе через оконное стекло (борсиликатное стекло, стекло «дуран») или прозрачные синтетические материалы (акриловое стекло, полистирол и т.

п.)!

Как и видимые волны света, УФ-лучи диапазона С распространяются только прямолинейно, и с увеличением удаления от источника их интенсивность существенно снижается. Следовательно чем больше удаление от источника ультрафиолета, тем менее опасны эти лучи. Поэтому от приборов с защитными пластинами для зрения или полностью закрытых корпусов непосредственная угроза исходить никогда не может.

Если прямой зрительный контакт или контакт кожи со свободно излучающимися лучами источника ультрафиолета неизбежен, то простые средства, например, солнцезащитные очки или солнцезащитный крем с высоким солнцезащитным фактором, являются вполне достаточными мерами защиты

.

У Вас есть вопросы?

Свяжитесь уже сегодня с нашими специалистами-консультантами:

 

sterilAir AG Oberfeldstrasse 6 CH-8570 Weinfelden [email protected] Тел.: +41 (0)71 / 626 98-00 Факс: +41 (0)71 / 626 98-10

sterilAir GmbH August-Borsig-Strasse 13 D-78467 Konstanz info@sterilair. de Тел.: +49 (0)7531 / 584 60-0 Факс: +49 (0)7531 / 584 60-99

sterilAir UK Ltd Murley Moss Business Village Kendal, LA9 7RL [email protected] Тел.: +44 (0)1524 805908

Коротковолновая инфракрасная область спектра: преимущества при визуализации

Дата публикации: 24.01.2020 11:00

К коротковолновой области инфракрасного излучения относятся длины волн из диапазона 0.9 — 1.7 мкм, но иногда коротковолновая ИК определяется и диапазоном 0.7 — 2.5 мкм. Поскольку керамические фотосенсоры распознают излучение длиной до 0.1 мкм, визуализация коротковолнового ИК спектра требует специальной оптики и электроники.

В основном в качестве фотоприемников при работе с коротковолновым ИК диапазоном пользуются приемниками, оснащенными InGaAs матрицей. Рабочая область таких фотоприемников охватывает практически всю область коротковолнового ИК спектра, от нижней границы (550 нм) до верхней (2. 5 мкм). Несмотря на экономическую доступность фотоприемников линейного сканирования, более популярны фотоприемники областного сканирования – их активно применяют даже в военной промышленности благодаря конструктивной жесткости, надежности и устойчивости конфигурации к длительным перевозкам. Следует отметить, что на использование некоторых фотоприемных устройств требуется получение лицензии.

Рисунок 1. Электромагнитный спектр коротковолновой ИК области

Преимущества визуализации в коротковолновом ИК диапазоне

В отличие от средней и длинноволновой области ИК излучения, короткие ИК волны исходят не от самого объекта, а преломляются и поглощаются им, подобно видимому излучению. Таким образом, картина обретает высокий контраст. Благодаря контрасту облегчается решение задачи повышения разрешения. Природные источники коротких ИК волн – звезды и луна, видимые на ночном небе из-за подсвечивания фоновым излучением.

Для получения качественной визуализации требуется также специализированная оптика: линзы, объективы, покрытия которых также должны предназначаться для работы в коротковолновом ИК диапазоне. Использование объективов, не предназначенных для коротковолновой ИК области, спровоцирует снижение разрешения при визуализации, увеличив к тому же оптические аберрации.

Так как излучение этой области проходит через стекла, объективы, фильтры и окна, подобно видимому, принципиальных различий в производстве оптических компонентов для видимой и ИК области нет. Защитные окна и фильтры также можно встраивать в системы напрямую.

Многие задачи, где теоретически рекомендуется применять видимое излучение, на практике решаются с помощью коротких ИК волн: водяной пар, туман и подобные среды не влияют на такое излучение, в то время как источники видимого света чувствительны к условиям внешней среды.

Визуализация в видимом свете и в коротковолновом ИК диапазоне

Визуализация ИК спектров применяется в различных областях, включая проверку электронных плат, проверку солнечных элементов, экспертизу продукции, идентификацию и сортировку, наблюдение, борьбу с контрафакцией, контроль качества производственных процессов и др. Чтобы понять преимущества визуализации этого вида, рассмотрим некоторые наглядные примеры обычных повседневных продуктов, отображаемых с помощью видимого света и с помощью коротких ИК волн.

Рисунок 2. а) Визуализация красного яблока в видимом спектре: яблоко кажется однородным, абсолютно красным, без каких-либо дефектов, б) ИК визуализация того же плода, но теперь отчетливо виден дефект на кожуре, качество продукта под сомнением

Рисунок 3. а) Визуализация матового однотонного флакона с детской присыпкой в видимом спектре, содержимое флакона визуально не прослеживается, б) визуализация матового однотонного флакона с детской присыпкой в коротковолновом ИК спектре: содержимое флакона на этот раз распознается однозначно, можно оценить количество продукта

Рисунок 5. а) Картина «Bountiful Fruit», написанная художницей из Филадельфии Nicole Koenitzer в видимом диапазоне, б) Визуализация картины в ИК спектре: начальный набросок картины содержит изображения бананов на фоне, рамку, которых нет на конечном результате, в нижнем правом углу заметны штрихи, вероятно, художница начинала писать картину с фона и скорее всего, масло было выбрано не сразу

Коротковолновой ИК областью считается вполне определенный диапазон, для работы в котором требуется специализированная оптика с покрытиями, предназначенными для этого диапазона.  Остается еще раз подчеркнуть важность тщательного подбора компонентов для визуализации в коротковолновом ИК диапазоне. При соблюдении всех требований и согласованности параметров оборудования можно избежать аберраций и снижения разрешения изображения.

Специально для визуализации ИК спектров компания Edmund Optics разработала фильтрующие и антибликовые покрытия для линз и пропускающих компонентов повышенной эффективности.

 

© Edmund Optics Inc.

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Edmund Optics на территории РФ

 

 

 

Диапазоны излучения и вещество

Хотя в вакууме электромагнитные волны всех частот распространяются одинаково — со скоростью света, их взаимодействие с веществом очень сильно зависит от частоты (а равным образом от длины волны и энергии кванта). По характеру взаимодействия с веществом излучение делят на диапазоны: гамма-излучение, рентген, ультрафиолет, видимый свет, инфракрасное излучение и радиоволны, которые вместе образуют электромагнитный спектр. Сами эти диапазоны в свою очередь разделяют на поддиапазоны, причем в науке нет единой устоявшейся традиции такого деления. Тут многое зависит от применяемых технических средств для генерации и регистрации излучения. Поэтому в каждой сфере науки и техники поддиапазоны определяют по-своему, а нередко даже сдвигают границы основных диапазонов.

Видимое излучение

Из всего спектра человеческий глаз способен улавливать излучение только в очень узком диапазоне видимого света. От одного его края до другого частота излучения (а равно длина волны и энергия квантов) меняется менее чем в два раза. Для сравнения самые длинные радиоволны в 10¹⁴ раз длиннее видимого излучения, а самые энергичные гамма-кванты — в 10²⁰ энергичнее. Тем не менее, на протяжении многих тысяч лет большую часть информации об окружающем мире люди черпали из диапазона видимого излучения, границы которого определяются свойствами светочувствительных клеток человеческой сетчатки.

Разные длины волн видимого света воспринимаются человеком как разные цвета — от красного до фиолетового. Традиционное деление видимого диапазона спектра на семь цветов радуги является культурной условностью. Никаких четких физических границ между цветами нет. Англичане, например, обычно делят радугу на шесть цветов. Известны и другие варианты. За восприятие всего разнообразия цветов и оттенков видимого света отвечают всего три различных типа рецепторов, которые чувствительны к красному, зеленому и синему цвету. Это позволяет воспроизводить практически любой цвет, смешивая на экране эти три основных цвета.

Для приема видимого света от далеких космических источников используют вогнутые зеркала, которые собирают излучение с большой площади практически в одну точку. Чем крупнее зеркала, тем мощнее телескоп. Зеркала должны изготавливаться с чрезвычайно высокой точностью — отклонения формы поверхности от идеальной не должны превышать десятой доли длины волны — 40 нанометров, то есть 0,04 микрона. И такая точность должна сохраняться при любых поворотах зеркала. Это определяет высокую стоимость больших телескопов. Диаметр зеркал самых крупных оптических инструментов — телескопов Кека на Гавайях — 10 метров.

Хотя атмосфера прозрачна для видимого света (отмечено голубыми стрелками на плакате), она всё же создает серьезные помехи для наблюдений. Даже если забыть про облака, атмосфера немного искривляет лучи света, что снижает четкость изображения. Кроме того, сам воздух рассеивает падающий свет. Днем это голубое свечение, вызванное рассеянным светом Солнца, не позволяет вести астрономические наблюдения, а ночью — рассеянный свет звезд (и в последние десятилетия искусственная засветка неба наружным освещением городов, автомобилями и т. п.) ограничивает видимость самых бледных объектов. Справиться с этими трудностями позволяет вынос телескопов в космос. Телескоп «Хаббл» по земным меркам имеет очень скромные размеры — диаметр 2,24 метра, однако благодаря заатмосферному размещению он позволил сделать множество первоклассных астрономических открытий.

Ультрафиолетовое излучение

С коротковолновой стороны от видимого света располагается ультрафиолетовый диапазон, который делят на ближний и вакуумный. Как и видимый свет, ближний ультрафиолет проходит через атмосферу. Органами чувств человек его не воспринимает, но на коже ближний ультрафиолет вызывает появление загара. Это защитная реакция кожи на определенные химические нарушения под действием ультрафиолета. Чем короче длина волны, тем большие нарушения может вызывать ультрафиолетовое излучение в биологических молекулах. Если бы весь ультрафиолет проходил через атмосферу, жизнь на поверхности Земли была бы невозможна. Однако выше некоторой частоты атмосфера перестает пропускать ультрафиолетовое излучение, поскольку энергии его квантов становится достаточно для разрушения (диссоциации) молекул воздуха. Одним из первых ультрафиолетовый удар принимает на себя озон, за ним следует кислород. Вместе атмосферные газы предохраняют поверхность Земли от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца, которое называют вакуумным, поскольку оно может распространяться только в пустоте (вакууме). Верхний предел вакуумного ультрафиолета — 200 нм. С этой длины волны начинает поглощать ультрафиолет молекулярный кислород (O₂).

Телескопы для ближнего ультрафиолетового излучения строятся по тем же принципам, что и для видимого диапазона. В них тоже используются зеркала, покрытые тонким отражающим металлическим слоем, но изготавливать их надо с еще большей точностью. Ближний ультрафиолет можно наблюдать с Земли, вакуумный — только из космоса.

Рентгеновское излучение

Формальной границы между жестким ультрафиолетовым и рентгеновским излучением нет. К ее определению есть два основных подхода: с одной стороны, к рентгену принято относить излучение, способное вызывать возбуждение атомных ядер — подобно тому, как видимое и инфракрасное излучение возбуждает электронные оболочки атомов и молекул. В этом случае даже жесткий вакуумный ультрафиолет в некоторых случаях может быть отнесен к рентгену. В другом подходе рентгеном считают излучение с длиной волны меньше характерного размера атомов (0,1 нм). Тогда получается, что большую часть мягкого рентгеновского диапазона следует считать сверхжестким ультрафиолетом.

Мягкое рентгеновское излучение еще может отражаться от полированного металла, но только при скользящем падении — под углом менее 1 градуса. Более жесткое излучение приходится концентрировать иными способами. Для задания направления используют узкие трубки, отсекающие кванты, приходящие сбоку, а приемником служит сцинтиллятор, в котором рентгеновские кванты ионизируют атомы, а те, вновь объединяясь с электронами, испускают видимое или ультрафиолетовое излучение, которое регистрируют при помощи фотоэлектронных умножителей. По сути, в телескопах жесткого рентгеновского диапазона ведется подсчет отдельных квантов излучения и уже потом при помощи компьютера формируется изображение.

От рентгена к гамма

Граница, на которой рентгеновский диапазон сменяется гамма-излучением, также условна. Обычно ее связывают с энергией квантов, которые испускаются при ядерных реакциях (или наоборот, могут их вызывать). Другой подход связан с тем, что тепловое излучение не принято относить к гамма-диапазону, как бы ни была высока его энергия. Во Вселенной наблюдаются относительно стабильные макроскопические объекты, разогретые до десятков миллионов градусов — это центральные участки аккреционных дисков вокруг нейтронных звезд и черных дыр. А вот объекты с температурой в миллиарды градусов — например, ядра массивных красных гигантов — практически всегда укрыты непрозрачной оболочкой. Впрочем, нередко даже излучение в их недрах называют не мягким гамма-излучением, а сверхжестким рентгеном. Устойчивых образований с температурой выше десятков миллиардов градусов в современной Вселенной неизвестно. Это дает основание считать, что гамма-излучение всегда генерируется нетепловым путем. Основным механизмом является излучение при столкновении заряженных частиц, разогнанных до околосветовых скоростей мощными электромагнитными полями, например, у нейтронных звезд.

Гамма-излучение

Деление гамма-излучения на поддиапазоны носит еще более условный характер. К сверхвысоким энергиям относят гамма-кванты, генерация которых выходит за пределы возможностей современных технологий. Все источники такого излучения связаны исключительно с космосом. Но поскольку технологиям свойственно развиваться, это определение нельзя назвать четким.

Атмосфера защищает нас и от гамма-излучения. В мягком и жестком поддиапазонах она полностью его поглощает. Кванты диапазона сверхвысоких энергий, сталкиваясь с ядрами атомов в атмосфере, порождают каскады частиц, энергия которых постепенно снижается и рассеивается. Однако первые эшелоны частиц в них движутся быстрее скорости света в воздухе. В таких условиях заряженные частицы порождают так называемое тормозное (черенковское) излучение, в чем-то подобное звуковой ударной волне от сверхзвукового самолета. Ультрафиолетовые и видимые кванты тормозного излучения достигают поверхности Земли, где улавливаются специальными телескопами. Можно сказать, что сама атмосфера становится частью телескопа, и это позволяет наблюдать с Земли гамма-излучение сверхвысоких энергий. Это отмечено на плакате красными стрелками.

Еще более энергичные кванты — ультравысоких энергий — порождают настолько мощные каскады частиц, что они пробивают атмосферу насквозь и достигают поверхности Земли. Их называют широкими атмосферными ливнями (ШАЛ) и регистрируют сцинтилляционными датчиками. Частицы ШАЛ наряду с естественной радиоактивностью земных пород могут повреждать биологические молекулы, в частности ДНК, и вызывать мутации в живых организмах. Тем самым они вносят свой вклад в эволюцию жизни на Земле. Но если бы их интенсивность была заметно выше, это могло бы стать серьезным препятствием для жизни. К счастью, чем выше энергия гамма-квантов, тем реже они встречаются. Самые энергичные кванты с энергией около 10²⁰ эВ приходят примерно раз в сто лет на квадратный километр земной поверхности. Происхождение столь энергичных гамма-квантов пока не вполне ясно. Значительно большей энергией кванты обладать не могут, так как выше некоторого порога они начинают взаимодействовать с реликтовым микроволновым излучением, приводя к рождению заряженных частиц. Иначе говоря, Вселенная непрозрачна для излучения заметно более энергичного, чем 10²¹–10²⁴ эВ.

Инфракрасное излучение

Отправляясь от видимого света в длинноволновую сторону спектра, мы попадаем в диапазон инфракрасного излучения. Ближнее ИК-излучение физически ничем не отличается от видимого света, за исключением того, что не воспринимается сетчаткой глаза. Его можно регистрировать теми же приборами, в частности, телескопами, что и видимый свет. Человек также ощущает инфракрасное излучение кожей — как тепло. Именно благодаря инфракрасному излучению нам тепло сидеть у костра. Большую часть энергии горения уносит вверх восходящий поток воздуха, на котором мы кипятим воду в котелке, а инфракрасное (и видимое) излучение испускается в стороны молекулами газов, продуктов сгорания и раскаленными частицами угля.

С ростом длины волны атмосфера теряет прозрачность для инфракрасного излучения. Это связано с так называемыми колебательно-вращательными полосами поглощения молекул атмосферных газов. Будучи квантовыми объектами, молекулы не могут вращаться или колебаться произвольным образом, как грузы на пружинке. У каждой молекулы есть свой набор энергий (и, соответственно, частот излучения), которые они могут запасать в форме колебательных и вращательных движений. Однако даже у не самых сложных молекул воздуха набор этих частот столь обширен, что фактически атмосфера поглощает всё излучение в некоторых участках инфракрасного спектра — это так называемые инфракрасные полосы поглощения. Они перемежаются небольшими участками, в которых космическое ИК-излучение достигает поверхности Земли — это так называемые окна прозрачности, которых насчитывается около десятка. Их существование представлено на плакате разрозненными голубыми стрелками в инфракрасном диапазоне. Интересно отметить, что поглощение ИК-излучения почти полностью происходит в нижних слоях атмосферы из-за повышения плотности воздуха у поверхности Земли. Это позволяет вести наблюдения почти во всем инфракрасном диапазоне с аэростатов и высотных самолетов, которые поднимаются в стратосферу.

Деление инфракрасного излучения на поддиапазоны также весьма условно. Граница между ближним и средним инфракрасным излучением проводится примерно в районе абсолютной температуры 300 К, которая характерна для предметов на земной поверхности. Поэтому все они, включая приборы, являются мощными источниками инфракрасного излучения. Чтобы в таких условиях выделить излучение космического источника, аппаратуру приходится охлаждать до температур, близких к абсолютному нулю, и выносить за пределы атмосферы, которая сама интенсивно светит в среднем ИК-диапазоне — именно за счет этого излучения Земля рассеивает в космос энергию, постоянно поступающую от Солнца. Основной тип приемника излучения в этом диапазоне — болометр, то есть, попросту говоря, маленькое черное тело, поглощающее излучение, соединенное со сверхточным термометром.

Дальний инфракрасный диапазон — один из наиболее сложных, как для генерации, так и для регистрации излучения. В последнее время благодаря разработке особых материалов и сверхбыстродействующей электроники с ним научились достаточно эффективно работать. В технике его часто называют терагерцевым излучением. Сейчас активно идет разработка бесконтактных сканеров для определения химического состава объектов на основе генераторов терагерцевого излучения. Они смогут выявлять пластиковую взрывчатку и наркотики на контрольных пунктах в аэропортах.

В астрономии этот диапазон чаще называют субмиллиметровым излучением. Он интересен тем, что в нем (а также в соседнем с ним микроволновом диапазоне) наблюдается реликтовое излучение Вселенной. До уровня моря субмиллиметровое излучение не доходит, но поглощается оно в основном в самых нижних слоях атмосферы. Поэтому в горах Чили и Мексики на высоте около 5 тысяч метров над уровнем моря сейчас строятся крупные субмиллиметровые телескопы — в Мексике 50-метровый, а в Чили массив из 64 телескопов диаметром 12 метров.

Микроволны и радиоволны

К инфракрасному диапазону примыкает радиоизлучение, которое охватывает весь длинноволновый край электромагнитного спектра. Энергия квантов в радиодиапазоне очень мала. Ее обычно не хватает для существенных изменений в структуре атомов и молекул, но хватает, чтобы взаимодействовать с вращательными уровнями молекул, например, воды. Энергии радиоволн также достаточно для того, чтобы воздействовать на свободные электроны, например, в проводниках. Колебания электромагнитного поля радиоволны вызывают синхронные колебания электронов в антенне, то есть переменный электрический ток.

При высокой интенсивности микроволнового излучения этот ток может вызывать значительный нагрев вещества. Это свойство используется для разогрева продуктов, содержащих воду, в микроволновых печах. Микроволновое излучение также называют сверхвысокочастотным (СВЧ) излучением. Оно является самым коротковолновым поддиапазоном радиоизлучения с длиной волны от 1 мм до 30 см. СВЧ-излучение проникает в толщу продуктов на глубину до нескольких сантиметров, что обеспечивает прогрев по всему объему, а не только с поверхности, как в случае обработки инфракрасным излучением на гриле. В микроволновом диапазоне также работают все системы сотовых телефонов и локальной радиосвязи, например, протоколы Bluetooth и WiFi, используемые беспроводными электронными устройствами.

Чем больше длина радиоволны, тем меньшую энергию она несет и тем труднее ее зарегистрировать. Для приема антенну, в которой под действием радиоволны возникают электрические колебания, подключают к электрическому контуру. При попадании в резонанс с его собственной частотой колебания усиливаются и их можно зарегистрировать. Чтобы поймать радиоволны, идущие из космоса, применяют зеркала-антенны параболической формы, которые собирают радиоизлучение всей своей площадью и концентрируют его на небольшой антенне. Тем самым повышается чувствительность инструмента.

Большая часть микроволнового излучения (начиная с длины волны 3–5 мм) проходит через атмосферу. То же можно сказать про ультракороткие волны (УКВ), на которых вещают местные телевизионные и радиостанции (в т. ч. FM-станции) и ведется космическая радиосвязь. Излучение их передатчиков регистрируется только в пределах прямой видимости антенн. Окно прозрачности атмосферы в радиодиапазоне (голубые стрелки на плакате) заканчивается примерно на длине волны 10–30 метров.

Более длинные радиоволны отражаются от ионосферы Земли. Это не позволяет наблюдать космические радиоисточники на более длинных волнах, но зато обеспечивает возможность глобальной коротковолновой радиосвязи. Радиоволны в диапазоне от 10 до 100 метров могут огибать всю Землю, многократно отражаясь от ионосферы и поверхности Земли. Правда, их распространение зависит от состояния ионосферы, на которую сильно влияет солнечная активность. Поэтому коротковолновая связь не отличается высоким качеством и надежностью.

Средние и длинные волны также отражаются от ионосферы, но сильнее затухают с расстоянием. Для того чтобы сигнал можно было поймать на расстоянии более тысячи километров, требуются очень мощные передатчики. Сверхдлинные радиоволны, с длиной в сотни и тысячи километров, огибают Землю уже не благодаря ионосфере, а за счет волновых эффектов, которые также позволяют им проникать на некоторую глубину под поверхность океана. Это свойство используется для экстренной связи с боевыми подводными лодками в погруженном состоянии. Другие радиоволны не проходят через морскую воду, которая из-за растворенных в ней солей представляет из себя хороший проводник и поглощает или отражает радиоизлучение.

Никакого теоретического предела для длины радиоволн неизвестно. На практике экспериментально удалось создать и зарегистрировать радиоволну с длиной волны 38 тыс. км (частота 8 Гц).

Далее: Что изображено на плакате

GISMETEO: Ультрафиолетовый индекс

Солнце — источник жизни на планете. Его лучи дарят необходимые свет и тепло. Вместе с тем ультрафиолетовое излучение Солнца губительно для всего живого. Чтобы найти компромисс между полезными и вредными свойствами Солнца, метеорологи рассчитывают индекс ультрафиолетового излучения, который характеризует степень его опасности.

Какое УФ-излучение Солнца бывает

Ультрафиолетовое излучение Солнца имеет широкий диапазон и подразделяется на три области, две из которых достигают Земли.

Чем больше в атмосфере озона, облаков и аэрозолей, тем меньше губительное воздействие Солнца. Однако эти спасительные факторы имеют высокую естественную изменчивость. Годовой максимум стратосферного озона приходится на весну, а минимум — на осень. Облачность ― одна из самых непостоянных характеристик погоды. Содержание углекислого газа также все время меняется.

При каких значениях УФ-индекса существует опасность

УФ-индекс дает оценку величины УФ-излучения Солнца на поверхности Земли. Значения УФ-индекса варьируются от безопасного 0 до экстремального 11+.

0–2 Низкий

3–5 Умеренный

6–7 Высокий

8–10 Очень высокий

11+ Экстремальный

В средних широтах УФ-индекс приближается к небезопасным значениям (6–7) только при максимальной высоте Солнца над горизонтом (происходит в конце июня — начале июля). На экваторе в течение года УФ-индекс достигает 9…11+ баллов.

Чем полезно Солнце

В малых дозах УФ-радиация Солнца просто необходима. Солнечные лучи синтезируют необходимые для нашего здоровья меланин, серотонин, витамин D, предотвращают рахит.

Меланин создает своеобразный защитный барьер для клеток кожи от вредного воздействия Солнца. Из-за него наша кожа темнеет и становится эластичней.

Гормон счастья серотонин влияет на наше самочувствие: он улучшает настроение и повышает общий жизненный тонус.

Витамин D укрепляет иммунную систему, стабилизирует кровяное давление и выполняет антирахитные функции.

Чем опасно Солнце

Принимая солнечные ванны, важно понимать, что граница между полезным и вредным Солнцем очень тонка. Чрезмерный загар всегда граничит с ожогом. Ультрафиолетовое излучение повреждает ДНК в клетках кожи.

Защитная система организма не может справиться с таким агрессивным воздействием. Это снижает иммунитет, повреждает сетчатку глаз, вызывает старение кожи и может привести к раку.

Ультрафиолет разрушает цепочку ДНК

Как Солнце влияет на людей

Восприимчивость к УФ-излучению зависит от типа кожи. Наиболее чувствительны к Солнцу люди европейской расы — для них защита требуется уже при индексе 3, а опасным считается 6. В то же время для индонезийцев и афроамериканцев этот порог составляет 6 и 8 соответственно.

Кто больше всего попадает под влияние Солнца

Люди со светлым
тоном кожи

Дети

Люди, имеющие много родинок

Любители зимней
рыбалки

Жители средних широт во время отдыха на юге

Горнолыжники
и альпинисты

Люди, имеющие семейную историю рака кожи

В какую погоду Солнце опаснее

То, что Солнце опасно только в жаркую и ясную погоду — распространенное заблуждение. Обгореть можно и в прохладную облачную погоду.

Облачность, какой бы плотной она ни была, вовсе не сводит количество ультрафиолета к нулю. В средних широтах облачность значительно уменьшает риск обгореть, чего нельзя сказать о традиционных местах пляжного отдыха. Например, в тропиках, если в солнечную погоду можно обгореть за 30 минут, то в облачную — за пару часов.

Как защищаться от Солнца

Для защиты от губительных лучей соблюдайте простые правила:

Меньше находитесь на Солнце в полуденные часы

Носите светлую одежду, в том числе широкополые шляпы

Пользуйтесь защитными кремами

Надевайте солнцезащитные очки

На пляже больше находитесь в тени

Какой солнцезащитный крем выбрать

Солнцезащитный крем различается по степени защиты от Солнца и маркируется от 2 до 50+. Цифры означают долю солнечной радиации, которая преодолевает защиту крема и достигает кожи.

Например, при нанесении крема с маркировкой 15, только 1/15 (или 7 %) ультрафиолетовых лучей преодолеют защитную пленку. В случае с кремом 50 — только 1/50, или 2 %, воздействуют на кожный покров.

Солнцезащитный крем создает на теле отражающий слой. Вместе с тем важно понимать, что ни один крем не способен отразить 100 % ультрафиолета.

Для повседневного использования, когда время нахождения под Солнцем не превышает получаса, вполне подойдет крем с защитой 15. Для загара на пляже лучше брать 30 и выше. Однако для светлокожих рекомендуется использовать крем с маркировкой 50+.

Как применять солнцезащитный крем

Крем следует наносить равномерно на всю открытую кожу, в том числе лицо, уши и шею. Если планируете загорать достаточно долго, то крем следует наносить дважды: за 30 минут до выхода и, дополнительно, перед выходом на пляж.

Необходимый объем для нанесения уточняйте в инструкции крема.

Как применять солнцезащитный крем при купании

Солнцезащитный крем следует наносить каждый раз после купания. Вода смывает защитную пленку и, отражая солнечные лучи, увеличивает дозу получаемого ультрафиолета. Таким образом, при купании риск обгорания возрастает. Однако за счет эффекта охлаждения вы можете не почувствовать ожог.

Обильное потоотделение и обтирание полотенцем — также повод, чтобы повторно защитить кожный покров.

Следует помнить, что на пляже, даже под зонтиком, тень не обеспечивает полноценной защиты. Песок, вода и даже трава отражают до 20 % ультрафиолетовых лучей, увеличивая их воздействие на кожу.

Как защищать глаза

Солнечный свет, отражаясь от воды, снега или песка, может вызвать болезненный ожог сетчатки глаз. Для защиты глаз используйте солнечные очки с ультрафиолетовым фильтром.

Опасность для горнолыжников и альпинистов

В горах атмосферный «фильтр» тоньше. На каждые 100 метров высоты УФ-индекс увеличивается на 5 %.

Снег отражает до 85 % ультрафиолетовых лучей. Кроме того, до 80 % отраженного снежным покровом ультрафиолета вновь отражается облаками.

Таким образом, в горах Солнце наиболее опасно. Защищать лицо, нижнюю часть подбородка и уши необходимо даже в облачную погоду.

Обработайте тело влажной губкой, чтобы смочить ожог

Смажьте обгоревшие участки противоожоговым кремом

При повышении температуры обратитесь ко врачу, вам могут рекомендовать принять жаропонижающее

Если ожог сильный (кожа сильно набухает и пузырится), обратитесь за медицинской помощью

Гамма-излучение

ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ

_{Gamma-radiation}

    Гамма-излучение (γ-излучение) – электромагнитное излучение, принадлежащее наиболее высокочастотной (коротковолновой) части спектра электромагнитных волн. Приведем классификацию электромагнитных волн:

Название	Длина волны, м	Частота, Гц
радиоволны	3·105 — 3	103 — 108
микроволны	3 — 3·10-3	108 — 1011
инфракрасное излучение	3·10-3 — 8·10-7	1011 — 4.1014
видимый свет	8·10-7 — 4·10-7	4·1014 — 8·1014
ультрафиолетовое излучение	4·10-7 — 3·10-9	8·1014 — 1017
рентгеновское излучение	3·10-9 — 10-10	1017 — 3·1018
гамма-излучение	< 10-10	> 3·1018

    На шкале электромагнитных волн гамма-излучение соседствует с рентгеновскими лучами, но имеет более короткую длину волны. Первоначально термин “гамма-излучение” относился к тому типу излучения радиоактивных ядер, который не отклонялся при прохождении через магнитное поле, в отличие от α- и β-излучений.
    Условно верхней границей длин волн гамма-излучения, отделяющей его от рентгеновского излучения, можно считать величину 10^-10 м. При столь малых длинах волн первостепенное значение имеют корпускулярные свойства излучения. Гамма-излучение представляет собой поток частиц — гамма-квантов или фотонов, с энергиями Е = hν (h – постоянная Планка, равная 4.14·10^-15 эВ^.сек, ν – частота электромагнитных колебаний). Фотоны с энергиями Е > 10 кэВ относят к гамма-квантам. Между длиной волны λ гамма-излучения и его частотой ν существует то же соотношение, что и для других типов электромагнитных волн:

ν·λ = с (с – скорость света).

    Частота гамма-излучения (> 3·10¹⁸ Гц) отвечает скоростям электромагнитных процессов, протекающих внутри атомных ядер и с участием элементарных частиц. Поэтому источниками гамма-излучения могут быть атомные ядра и частицы, а также ядерные реакции и реакции между частицами, в частности аннигиляция пар частица-античастица. И наоборот, гамма-излучение может поглощаться атомными ядрами и способно вызывать превращения частиц. Изучение спектров ядерного гамма-излучения и гамма-излучения, возникающего в процессах взаимодействия частиц, дает важную информацию о структуре этих микрообъектов.
    Гамма-излучение может также возникать при торможении быстрых заряженных частиц в среде (тормозное гамма-излучение) или при их движении в сильных магнитных полях (синхротронное излучение).
    Источниками гамма-излучения являются также процессы в космическом пространстве. Космические гамма-лучи приходят от пульсаров, радиогалактик, квазаров, сверхновых звёзд.
    Гамма-излучение ядер испускается при переходах ядра из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, и энергия испускаемого гамма-кванта с точностью до незначительной энергии отдачи ядра равна разности энергий этих состояний (уровней) ядра. Энергия ядерного гамма-излучения обычно лежит в интервале от нескольких кэВ до нескольких МэВ и спектр этого излучения линейчатый, т. е. состоит из ряда дискретных линий. Изучение спектров ядерного гамма-излучения позволяет определить энергии состояний (уровней) ядра.
    При распадах частиц и реакциях с их участием обычно испускаются гамма-кванты с бoльшими энергиями — десятки-сотни МэВ.
    Гамма-излучение, образующееся при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество, вызывается их торможением в кулоновском поле ядер вещества. Тормозное гамма-излучение имеет сплошной, спадающий с ростом энергии спектр, верхняя граница которого совпадает с кинетической энергией заряженной частицы. На ускорителях заряженных частиц получают тормозное гамма-излучение с энергиями до нескольких десятков ГэВ и более.
    Гамма-излучение можно получить при соударении электронов большой энергии от ускорителей с интенсивными пучками видимого света, создаваемых лазерами. При этом электрон передает свою энергию световому фотону, который превращается в гамма-квант. Аналогичное явление может иметь место и в космическом пространстве в результате соударений фотонов с большой длиной волны с быстрыми электронами, ускоренными электромагнитными полями космических объектов.
    Гамма-излучение обладает большой проникающей способностью, т. е. может проходить сквозь большие толщи вещества. Интенсивность узкого пучка моноэнергетических гамма-квантов падает экспоненциально с ростом проходимого им в веществе расстояния. Основные процессы взаимодействия гамма-излучения с веществом — фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект), комптоновское рассеяние (комптон-эффект) и образование пар электрон-позитрон. При фотоэффекте гамма-квант выбивает из атома один из его электронов, а сам исчезает. При комптон-эффекте гамма-квант рассеивается на одном из слабо связанных с атомом или свободных электронов вещества. Если энергия гамма-кванта превышает 1. 02 МэВ, то возможно его превращение в электрическом поле ядер в пару электрон-позитрон (процесс обратный аннигиляции).

Рис. Зависимость полного коэффициента поглощения гамма-излучения в свинце и алюминии от энергии (сплошные линии). Поглощение за счёт фотоэффекта в алюминии пренебрежимо мало при рассматриваемых энергиях. Пунктирные линии − отдельные вклады, вносимые в полный коэффициент поглощения фотоэффектом, комптоновским рассеянием, рождением пар для свинца.

    Гамма-излучение используется в технике (напр., дефектоскопия), радиационной химии (для инициирования химических превращений, напр., при полимеризации), сельском хозяйстве и пищевой промышленности (мутации для генерации хозяйственно-полезных форм, стерилизация продуктов), в медицине (стерилизация помещений, предметов, лучевая терапия) и др.

---

 

 

Коротковолновое излучение

Страница загрузки Коротковолновое излучение.

Коротковолновое излучение представляет собой излучаемую солнцем энергию с длинами волн в диапазоне от инфракрасного до видимого и ультрафиолетового. Таким образом, коротковолновое излучение связано исключительно со световым днем ​​для определенного места на поверхности Земли. Энергия поступает в верхние слои атмосферы Земли с потоком (Ватт на квадратный метр), который очень мало меняется в течение года и между годами. Следовательно, для целей гидрологического моделирования поток обычно принимается за константу. Часть поступающего излучения отражается верхними слоями атмосферы, а часть отражается облаками. Часть поступающего излучения поглощается атмосферой, а часть поглощается облаками. Альбедо — это часть коротковолнового излучения, достигающего поверхности земли, которое отражается обратно в атмосферу. Коротковолновое излучение, которое не отражается и не поглощается над земной поверхностью и не отражается земной поверхностью, может управлять гидрологическими процессами, такими как эвапотранспирация и таяние снежного покрова.

Метод коротковолнового излучения, включенный в метеорологическую модель, необходим только тогда, когда методы энергетического баланса используются для эвапотранспирации или таяния снега. Доступные варианты охватывают диапазон деталей от простых до сложных. Простые определенные методы также доступны для ввода датчика временного ряда или сетки. Каждый вариант создает чистое коротковолновое излучение, достигающее поверхности земли, где оно может отражаться или поглощаться. Более подробная информация о каждом методе представлена ​​в следующих разделах.

Метод Бристоу-Кэмпбелла (Bristow and Campbell, 1984) использует концептуальный подход к оценке коротковолнового излучения на поверхности земли. В дневное время любые облака, присутствующие в атмосфере, будут блокировать некоторую часть поступающего солнечного излучения, что снижает солнечный нагрев и приводит к более низкой температуре. И наоборот, отсутствие облаков позволяет гораздо большему количеству солнечного излучения проходить через атмосферу, что способствует большему нагреву и, как правило, более высоким температурам воздуха. Теоретически суточный диапазон температур должен быть небольшим в пасмурные дни и большим в безоблачные дни. Эта корреляция между температурным диапазоном и поступающим солнечным излучением используется как простой способ расчета коротковолнового излучения, используя только температуру воздуха.

Метод Бристоу Кэмпбелла включает Редактор компонентов с данными параметров для каждого подбассейна в метеорологической модели. Watershed Explorer  обеспечивает доступ к редактору коротковолновых компонентов с использованием изображения солнечного излучения (рис. 1).

Датчик температуры воздуха должен быть выбран в атмосферных переменных для каждого подбассейна.

Рис. 1. Метеорологическая модель, использующая метод коротковолнового излучения Bristow Campbell с редактором компонентов для каждого отдельного суббассейна.

Редактор компонентов  для каждого подбассейна в метеорологической модели используется для ввода данных параметров (рис. 2). Коэффициент пропускания представляет собой максимальные характеристики ясного неба над водоразделом. Значение коэффициента пропускания по умолчанию равно 0,70. Показатель степени определяет время достижения максимальной температуры и может варьироваться от влажной до засушливой среды. Значение показателя степени по умолчанию равно 2,4.

Необходимо ввести среднемесячный диапазон температур. Это значение представляет собой разницу между средней месячной высокой температурой и средней месячной минимальной температурой.

Рисунок 2. Ввод данных об атмосфере и температуре для суббассейна с использованием метода коротковолнового излучения Bristow Campbell.

Метод FAO56 реализует алгоритм, подробно описанный Алленом, Перейрой, Раесом и Смитом (1998). Алгоритм вычисляет солнечное склонение и солнечный угол для каждого временного интервала моделирования, используя координаты суббассейна, юлианский день года и время в середине интервала. Солнечные значения используются для расчета внеземной радиации для каждого суббассейна. Общее количество световых часов рассчитывается на основе юлианских дней и сравнивается с количеством фактических часов солнечного сияния. Затем коротковолновое излучение, достигающее поверхности земли, рассчитывается с использованием наиболее распространенного соотношения, учитывающего сокращение количества солнечных часов из-за облачного покрова.

Watershed Explorer обеспечивает доступ к редакторам коротковолновых компонентов с использованием изображения солнечного излучения (рис. 3). Метод FAO56 включает Редактор компонентов с данными параметров для всех подбассейнов в метеорологической модели (рис. 4). Редактор компонентов также включен для каждого подбассейна (рис. 5).

Рисунок 3. Метеорологическая модель, использующая метод коротковолнового излучения FAO56 с редактором компонентов для каждого отдельного суббассейна.

A Редактор компонентов  для всех подбассейнов в метеорологической модели включает центральный меридиан часового пояса (рис. 4). В настоящее время нет спецификации для часового пояса, поэтому меридиан необходимо указывать вручную. Центральный меридиан обычно является долготой в центре местного часового пояса. Меридианы к западу от нулевой долготы должны быть указаны как отрицательные, а меридианы к востоку от нулевой долготы должны быть указаны как положительные. Меридиан может быть указан в десятичных градусах или градусах, минутах и ​​секундах в зависимости от настроек программы.

Рис. 4. Ввод долготы центрального меридиана местного часового пояса.

Редактор компонентов  для каждого подбассейна в метеорологической модели используется для ввода данных параметров, необходимых для учета различий в облачности по водоразделу (рис. 5). Облачность рассматривается через временной ряд часов солнечного сияния. Солнечные часы определяются как количество десятичных часов в полном часе, когда коротковолновое излучение превышает 120 ватт на квадратный метр (ВМО, 2008 г. ).

Рисунок 5. Выбор датчика временных рядов для часов солнечного сияния.

Метод Харгривза на сетке аналогичен обычному методу Харгривза (описанному в следующем разделе), за исключением того, что уравнения Харгривза применяются к каждой ячейке сетки с использованием отдельных граничных условий вместо усредненных по площади значений по всему суббассейну.

Коротковолновый метод Hargreaves с координатной сеткой включает Редактор компонентов с данными параметров для всех подбассейнов в метеорологической модели. Watershed Explorer предоставляет доступ к редактору коротковолновых компонентов с использованием изображения солнечного излучения (рис. 6).

Рис. 6. Метеорологическая модель, использующая коротковолновый метод Харгривза с координатной сеткой и редактором компонентов для всех подбассейнов.

Редактор компонентов требует, чтобы набор температурных сеток был выбран для всех подбассейнов (рис. 7). Текущий набор сетки отображается в списке выбора. Если доступно много различных наборов сеток, вы можете выбрать набор сеток из селектора, доступ к которому осуществляется с помощью кнопки сетки рядом со списком выбора.

Редактор компонентов требует центрального меридиана часового пояса. Если модель бассейна охватывает несколько часовых поясов, введите центральный меридиан для часового пояса, в котором находится большая часть области водосбора модели бассейна. Центральный меридиан — это долгота в центре местного часового пояса. Меридианы к западу от нулевой долготы должны быть указаны как отрицательные, а меридианы к востоку от нулевой долготы должны быть указаны как положительные. Меридиан может быть указан в десятичных градусах или градусах, минутах и ​​секундах в зависимости от настроек программы.

Редактор компонентов требует коротковолнового коэффициента Харгривза. Коротковолновый коэффициент Харгривза по умолчанию составляет 0,17 на квадратный корень из градусов Цельсия; это эквивалентно 0,1267 на квадратный корень из градусов по Фаренгейту. Коротковолновый коэффициент Hargreaves по умолчанию, равный 0,17 на квадратный корень из градуса Цельсия, подразумевается в формулировке Hargreaves and Samani (1985) потенциальной эвапотранспирации. Коротковолновый коэффициент Hargreaves может регулироваться пользователем.

Рис. 7. Редактор компонентов для коротковолнового метода Hargreaves с координатной сеткой.

Коротковолновый метод с координатной сеткой предназначен для работы с сеточным преобразованием ModClark. Однако его можно использовать и с другими методами преобразования среднего по площади. Чаще всего метод используется для использования оценок коротковолнового излучения с координатной сеткой, полученных с помощью внешней модели, например, динамической модели атмосферы. Если он используется с методом преобразования, отличным от ModClark, средневзвешенное по площади значение ячеек сетки в подбассейне используется для вычисления временных рядов коротковолнового излучения для каждого подбассейна.

Метод коротких волн с координатной сеткой включает Редактор компонентов с данными параметров для всех подбассейнов в метеорологической модели. Watershed Explorer  обеспечивает доступ к редактору коротковолновых компонентов с использованием изображения солнечного излучения (рис. 6).

Рисунок 6. Метеорологическая модель, использующая коротковолновый метод с координатной сеткой с редактором компонентов для всех подбассейнов в метеорологической модели.

A Редактор компонентов  для всех суббассейнов в метеорологической модели включает выбор источника данных (рис. 7). Радиационная сетка должна быть выбрана для всех подбассейнов. Текущие сетки отображаются в списке выбора. Если доступно много различных наборов сеток, вы можете выбрать набор сеток из селектора, доступ к которому осуществляется с помощью кнопки сетки рядом со списком выбора. Селектор отображает описание для каждого набора сетки, что упрощает выбор правильного.

Рис. 7. Указание источника данных о коротковолновом излучении для коротковолнового метода с координатной сеткой.

Коротковолновый метод Hargreaves реализует алгоритм коротковолнового излучения, описанный Hargreaves and Samani (1982). Метод вычисляет солнечное склонение и солнечный угол для каждого временного интервала моделирования, используя координаты суббассейна, день года по юлианскому календарю и время в середине расчетного интервала. Солнечные значения используются для расчета внеземной радиации для каждого суббассейна. Дневной диапазон температур, дневная максимальная температура за вычетом дневной минимальной температуры, служит косвенным показателем облачного покрова. Коротковолновое излучение, достигающее поверхности земли, рассчитывается как функция внеземного излучения и суточной амплитуды температур.

Метод коротких волн Харгривза параметризован для всех подбассейнов в модели бассейна. Выберите коротковолновый узел Hargreaves в Watershed Explorer (рис. 8), чтобы получить доступ к коротковолновому редактору Hargreaves Component Editor (рис. 9). Датчик температуры воздуха должен быть выбран в атмосферных переменных для каждого подбассейна. Температурный датчик должен измерять субсуточную температуру, чтобы можно было анализировать дневные минимальные и максимальные температуры. Атмосферные переменные суббассейна Редактор компонентов  доступен, если щелкнуть узел подбассейна в Обозреватель водоразделов .

Рис. 8. Метеорологическая модель, использующая метод коротковолнового излучения Харгривза с редактором компонентов для бассейна.

Коротковолновый Hargreaves Редактор компонентов показан на рисунке 9. Пользователь должен ввести центральный меридиан часового пояса и коротковолновый коэффициент Hargreaves. Если модель бассейна охватывает несколько часовых поясов, введите центральный меридиан для часового пояса, в котором находится большая часть области водосбора модели бассейна. Центральный меридиан — это долгота в центре местного часового пояса. Меридианы к западу от нулевой долготы должны быть указаны как отрицательные, а меридианы к востоку от нулевой долготы должны быть указаны как положительные. Меридиан может быть указан в десятичных градусах или градусах, минутах и ​​секундах в зависимости от настроек программы. Коротковолновый коэффициент Харгривза по умолчанию составляет 0,17 на квадратный корень из градусов Цельсия; это эквивалентно 0,1267 на квадратный корень из градусов по Фаренгейту. Коротковолновый коэффициент Харгривза по умолчанию, равный 0,17 на квадратный корень из градусов Цельсия, подразумевается в Харгривсе и Самани (19).85) потенциальная эвапотранспирация. Коротковолновый коэффициент Hargreaves может регулироваться пользователем.

Рис. 9. Ввод долготы центрального меридиана местного часового пояса (в данном случае Тихоокеанский регион США) и коэффициента коротковолнового излучения Харгривза.

Пиранометр — это прибор, который может измерять поступающее солнечное коротковолновое излучение. Они не входят в состав базовых станций метеорологических наблюдений, но могут быть включены в состав станций первого порядка. Этот метод можно использовать для импорта наблюдаемых значений из пиранометра или для импорта оценок, полученных с помощью внешней модели. Это рекомендуемый выбор для использования с методом эвапотранспирации Пристли Тейлора, когда используется эффективное излучение, включающее как коротковолновое, так и длинноволновое излучение.

Указанный метод пиранографа включает Редактор компонентов с данными параметров для всех подбассейнов в метеорологической модели. Watershed Explorer  обеспечивает доступ к редакторам коротковолновых компонентов, используя изображение солнечного излучения (рис. 10).

Редактор компонентов  для всех суббассейнов в метеорологической модели включает в себя датчик временных рядов коротковолновой радиации для каждого суббассейна (Рисунок 11). Датчик солнечной радиации должен быть выбран для подбассейна. Текущие датчики отображаются в списке выбора.

Рис. 10. Метеорологическая модель, использующая заданный пиранографический коротковолновый метод с редактором компонентов для всех подбассейнов.

Рисунок 11. Задание датчика временных рядов коротковолнового излучения для каждого подбассейна.

Энергетический баланс Земли и Атмосферы

Энергетический баланс Земли и Атмосферы представляет собой баланс между поступающей энергией Солнца и исходящей энергией Земли. Энергия, выделяемая Солнцем, излучается в виде коротковолнового света и ультрафиолетовой энергии. Когда он достигает Земли, часть его отражается обратно в космос облаками, часть поглощается атмосферой, а часть поглощается поверхностью Земли.

Учебный урок: консервированное тепло

Однако, поскольку Земля намного холоднее Солнца, ее излучаемая энергия намного слабее (длинноволновая) инфракрасная энергия. Мы можем косвенно наблюдать, как эта энергия излучается в атмосферу в виде тепла, поднимающегося от раскаленной дороги, создающего мерцание в жаркие солнечные дни.

Энергетический баланс между землёй и атмосферой достигается за счёт того, что энергия, полученная от Солнца , уравновешивает энергию, потерянную Землей обратно в космос. Таким образом, Земля поддерживает стабильную среднюю температуру и, следовательно, стабильный климат. Используя 100 единиц энергии солнца в качестве базового уровня, энергетический баланс выглядит следующим образом:

В верхней части атмосферы — Приходящая энергия солнца уравновешивается исходящей энергией земли.

Входящая энергия		Исходящая энергия
Единицы	Источник	Единицы	Источник
+100	Коротковолновое солнечное излучение.	-23	Коротковолновое излучение, отраженное обратно в космос облаками.
		-7	Коротковолновое излучение, отраженное в космос земной поверхностью.
		-49	Длинноволновое излучение атмосферы в космос.
		-9	Длинноволновое излучение облаков в космос.
		-12	Длинноволновое излучение земной поверхности в космос.
+100	Всего входящих	-100	Всего исходящих

Сама атмосфера — Энергия, поступающая в атмосферу, уравновешивается исходящей из атмосферы энергией.

Входящая энергия		Исходящая энергия
Единицы	Источник	Единицы	Источник
+19	Коротковолновое излучение поглощается газами в атмосфере.	-9	Длинноволновое излучение, испускаемое в космос облаками.
+4	Коротковолновое излучение поглощается облаками.	-49	Длинноволновое излучение, испускаемое в космос газами в атмосфере.
+104	Поглощенное длинноволновое излучение земной поверхности.	-98	Длинноволновое излучение, испускаемое на поверхность земли газами в атмосфере.
+5	От конвективных течений (поднимающийся воздух нагревает атмосферу).
+24	Конденсация/Отложение водяного пара (тепло выделяется в атмосферу в процессе).
+156	Всего входящих	-156	Всего исходящих

На поверхности земли — Поглощенная энергия уравновешивается высвобождаемой энергией.

Входящая энергия		Исходящая энергия
Единицы	Источник	Единицы	Источник
+47	Поглощенное коротковолновое солнечное излучение.	-116	Длинноволновое излучение, испускаемое поверхностью.
+98	Поглощенное длинноволновое излучение газов в атмосфере.	-5	Отвод тепла конвекцией (поднимающийся теплый воздух).
		-24	Теплота, необходимая для процессов испарения и сублимации и поэтому удаляемая с поверхности.
+145	Всего входящих	-145	Всего исходящих

Поглощение инфракрасного излучения, пытающегося уйти от Земли обратно в космос, особенно важно для глобального энергетического баланса. Поглощение энергии атмосферой сохраняет больше энергии вблизи ее поверхности, чем если бы атмосферы не было.

Средняя температура поверхности Луны, не имеющей атмосферы, составляет 0°F (-18°C). Напротив, средняя температура поверхности Земли составляет 59°F (15°C). Этот тепловой эффект называется парниковым эффектом.

Парниковый обогрев усиливается ночью, когда небо затянуто облаками. Тепловая энергия земли может улавливаться облаками, что приводит к более высоким температурам по сравнению с ночами с ясным небом. Воздух не может охлаждаться так сильно из-за пасмурного неба. При частично облачном небе часть тепла уходит, а часть остается в ловушке. Ясное небо способствует максимальному охлаждению.

Смещения, вызванные рельефом местности, в коротковолновой радиации при ясном небе из-за разрешения цифровой модели рельефа для ледников в сложном рельефе и др., 2010). Часто расположенные в сложной местности, возможность доступа и получения

данных на месте в этих ландшафтах может быть затруднена, если не невозможна. Таким образом, данные in situ скудны по всему региону. Для решения этой проблемы многие исследования полагаются на сочетание дистанционного зондирования и численного моделирования для определения текущего состояния и будущих тенденций ледников СМА (Shea et al., 2015; Brun et al. , 2017; Kraaijenbrink et al., 2017; Хусс и Хок, 2018). Модели поверхностного энергетического баланса обеспечивают физически обоснованный подход к моделированию баланса массы ледников в HMA и являются особенно важным инструментом для оценки причин недавних изменений ледников и прогнозирования будущих изменений ледников (Kayastha et al., 19).99; Азам и др., 2014; Литт и др., 2019).

Солнечное излучение, или коротковолновое (КВ) излучение, является важным компонентом энергетического баланса поверхности (Cuffey and Paterson, 2010). Излучение КВ влияет на ключевые условия энергетического баланса и контролирует общую изменчивость энергии расплава (Sicart et al., 2008). Во время (и до) сезона абляции, когда альбедо поверхности низкое, излучение КВ является доминирующим потоком энергии, способствующим таянию ледников (Arnold et al., 2006; Azam et al., 2014). Тем не менее, включение ландшафта необходимо для точного моделирования излучения СВ и баланса энергии на поверхности в отдаленных альпийских регионах, где изменчивая морфология поверхности и крутая окружающая топография могут радикально изменить компонент СВ в энергетическом балансе (Williams et al. , 1972; Дозье, 1980; Дюге, 1993). Интенсивность КВ-излучения на поверхности земли зависит от таких характеристик рельефа, как уклон, экспозиция, затенение, возвышение и часть неба, закрытая окружающей местностью. Включение этих атрибутов в модели солнечного излучения повышает точность энергетического баланса поверхности (Williams et al., 1972; Munro and Young, 1982; Kang et al., 2002). Хотя во многих моделях поверхностного энергетического баланса используются точечные данные метеорологических станций, потоки энергии должны быть распределены по поверхности ледника, чтобы точно количественно определить поверхностную энергию и баланс массы. Во многих отдаленных регионах, где данные метеорологических станций недоступны, например, в большей части высокогорной Азии, потоки энергии часто получают из продуктов повторного анализа с грубым разрешением или климатических моделей и аналогичным образом должны быть распределены по поверхности ледника. Модели солнечного излучения, включающие атрибуты рельефа, обеспечивают средства для более точного распределения солнечного излучения либо по наблюдениям точечных источников, либо по климатическим продуктам с грубой сеткой.

Атрибуты рельефа получаются из цифровых моделей рельефа (ЦМР) и зависят от точности и пространственного разрешения ЦМР. Хотя ЦМР с высоким разрешением существуют, охват ограничен, и многие продукты являются собственностью. Следовательно, большинство моделей энергетического баланса ледников основывались на грубом разрешении ЦМР для топографии поверхности, что может привести к искажению результатов модели энергетического баланса. Например, Олсон и Руппер (2019) обнаружили, что смоделированное прямое солнечное излучение все больше завышается при использовании диапазона разрешения ЦМР от 30 до 1000 м, при этом самые большие различия в прямом коротковолновом излучении возникают при увеличении пространственного разрешения с 30 до 60 и 90 м. Точно так же Hopkinson et al. (2010) обнаружили, что постоянно уменьшающееся пространственное разрешение ЦМР приводит к увеличению переоценки смоделированного таяния канадского ледника. Хотя предыдущая работа показывает рельеф и разрешение рельефа, влияет на результаты, это влияние, вероятно, неравномерно распределяется в течение дня. Если воздействие местности наиболее существенно ранним утром или поздним вечером, влияние на таяние, вероятно, будет минимальным. Моделирование с высоким временным разрешением требуется для определения времени воздействия рельефа на ЮЗ и его потенциальной важности при моделировании баланса массы ледника. Хотя в настоящее время может оказаться невозможным запустить модель полностью распределенного энергетического баланса с высоким пространственным и временным разрешением, использование более высокого разрешения для улучшения оценок или количественной оценки неопределенности чистого КВ-излучения на поверхности ледника может улучшить расчеты смоделированного энергетического баланса, особенно во время сезон абляции.

В то время как предыдущие исследования подразумевают важность пространственного разрешения ЦМР для смоделированного поверхностного энергетического баланса и таяния, они часто ограничиваются дорогостоящими аэрофотоснимками нескольких ледников или используют разрешение ЦМР 30 м или ниже. Кроме того, результаты этих предыдущих исследований показывают, что влияние топографии на энергетический баланс поверхности ледника будет усиливаться в регионах со сложным рельефом, таких как HMA, что требует ЦМР с более высоким разрешением для адекватного моделирования КВ-излучения на поверхности ледников. Недавняя доступность коммерческих архивов субметровых спутниковых стереоизображений для научных исследований и автоматизированного программного обеспечения для фотограмметрии с открытым исходным кодом (например, Shean et al., 2016; Noh and Howat, 2017) привела к значительному увеличению общедоступных продукты ЦМР с разрешением (например, Howat et al., 2007). В рамках проекта NASA HiMAT Shean (2017) создал региональные составные ЦМР с высоким разрешением (8 м) для HMA. Этот новый продукт дает возможность объективно оценить важность атрибутов рельефа и разрешения ЦМР на отдаленных ледниках в сложном рельефе, таком как HMA.

В этом исследовании мы моделируем падающее КВ-излучение при ясном небе, включая прямое, рассеянное и отраженное излучение, на 10 ледниках разного вида и морфологии в районе Эвереста (рис. 1). Мы оцениваем важность каждого атрибута рельефа в изменении падающего КВ излучения в разное время года на всех 10 ледниках. Используя новую 8-метровую ЦМР HiMAT, мы моделируем излучение СВ с более высоким пространственным разрешением, чем это было возможно ранее в этом регионе. Кроме того, мы оцениваем чувствительность этих результатов к разным пространственным разрешениям ЦМР и оцениваем, как эти результаты меняются в течение дня. Район Эвереста был выбран из-за сложной топографии, наличия больших ледников с различной морфологией, плотного охвата 8-метровой ЦМР HiMAT и большого объема существующих работ по ледникам в этом регионе. Таким образом, район Эвереста является естественной лабораторией для оценки важности разрешения ЦМР и атрибутов местности при моделировании КВ-излучения в HMA.

Рис. 1. Карта района Эвереста в высокогорной Азии, на которой показаны 10 ледников, использованных в этом исследовании (голубой). Темно-синие контуры обозначают два выбранных ледника, Восточный Ронгбук (ERG — RGI60-15. 10055) и Лумсамба (LG — RGI60-15.03474), которые мы выделяем на протяжении всего документа. Контуры ледников из Randolph Glacier Inventory v6.0 (Консорциум RGI, 2017 г.), базовая карта из Esri (2009 г.).

Фон

Падающее КВ-излучение можно разделить на три компонента: излучение прямого луча ( I _b ), рассеянное диффузное излучение ( I _d ) и отраженное излучение ( I _r ) (уравнение 1) (Hock and Holmgren, 2005; Arnold, 2 et al.) .

𝑆𝑊i=Ib+Id+Ir(1)

На рис. 2 показано, как эти различные компоненты освещенности в уравнении (1) взаимодействуют с поверхностью земли на участке со сложным рельефом.

Рисунок 2. Схематическое изображение трех составляющих падающего коротковолнового излучения — прямого (I _b ), диффузное (I _d ) и отраженное (I _r ) излучение — изменяются рельефом. Топография изменяет коротковолновое излучение на поверхности за счет наклона и аспекта (обычно комбинированного), топографического затенения, уменьшения количества рассеянного излучения неба и увеличения излучения, отраженного от местности.

Топография может усиливать или ослаблять солнечное излучение, поступающее на поверхность ледника, в зависимости от различных характеристик рельефа; наклон и аспект, топографическое затенение и часть неба, видимая в данной точке, известная как коэффициент обзора неба. Наклон и экспозиция изменяют освещенность прямого луча за счет изменения зенитного угла Солнца по отношению к плоской плоскости (например, в северном полушарии пологий склон, обращенный к югу, получит больше солнечного излучения, тогда как склон, обращенный к северу, получит больше солнечного излучения). меньше солнечной радиации в течение дня по сравнению с плоской плоскостью). Влияние наклона и экспозиций на падающее КВ-излучение обычно оценивается в сочетании друг с другом. Поэтому в дальнейшем мы будем обозначать этот атрибут местности как 9.0207 наклон/экспозиция . Топографическое затенение — это атрибут местности, который относится к уменьшению освещенности прямым лучом либо из-за самозатенения определенного места, либо из-за теней, отбрасываемых окружающей местностью. Топографическое затенение в основном актуально утром и вечером, но может значительно изменить дневную освещенность на поверхности некоторых ледников (Arnold et al., 2006; Olson and Rupper, 2019). Фактор обзора неба — это атрибут местности, который влияет как на количество рассеянного, так и на отраженного излучения, попадающего на поверхность. Поскольку фактор обзора неба оказывает обратное влияние на эти два компонента падающего КВ-излучения, мы разделяем их влияние и обозначаем атрибуты местности, связанные с фактором обзора неба, как 9.0207 диффузное небо и отраженное от местности . Рассеянное излучение является сложной функцией многократного рассеяния и состава атмосферы; однако фактор обзора неба уменьшает количество излучения, поступающего на поверхность, из-за наличия окружающей местности. Излучение, отраженное от местности , также является сложным термином, так как включает как прямое, так и рассеянное излучение, отраженное от всей окружающей видимой местности (Dozier, 1980; Duguay, 1993). Отражение местности излучение существует только при наличии окружающей топографии, поэтому оно также считается атрибутом местности, связанным с фактором обзора неба.

Олсон и Руппер (2019) обнаружили, что влияние склона/экскурсии и топографического затенения на смоделированное прямое солнечное излучение при ясном небе является наибольшим в ледниковых долинах с общей северной или южной экспозицией долины. Важно отметить, что большинство ледников в HMA (40%) имеют северную или северо-восточную сторону долины (Bajracharya and Shrestha, 2011). Олсон и Руппер (2019)) показали, что эти атрибуты местности могут уменьшить среднее прямое солнечное излучение во время сезона летнего таяния более чем на 80 Wm ^–2 по сравнению с плоской плоскостью без каких-либо особенностей. Хотя эти результаты иллюстрируют важность этих атрибутов местности, исследование было сосредоточено только на освещенности прямым лучом и использовало 30-метровую ЦМР для включения этих атрибутов местности в модель солнечного излучения. Мы основываемся на этой предыдущей работе, используя ЦМР с более высоким разрешением и несколько платформ ЦМР, а также включая диффузное и отраженное излучение в нашу модель падающего КВ-излучения.

Данные и методы

В этом исследовании мы запускаем модель излучения КВ при ясном небе с временным шагом 15 минут, используя новый 8-метровый ЦМР HiMAT в день весеннего равноденствия (21 марта) и в летнее/зимнее время. солнцестояние (21 июня/21 декабря). Равноденствие примерно представляет собой среднегодовое влияние топографии на падающее на ледник ясное небо SW для ледника, в то время как два солнцестояния представляют крайние точки влияния топографии для ледника определенной морфологии и широты. Выводим изменение освещенности, относительно плоской поверхности, за счет каждого атрибута рельефа – наклон/аспект , топографическое затенение , диффузное небо , отражение местности — для ледника Восточный Ронгбук (RGI60 15.10055) и ледника Лумсамба (RGI60 15. 03474) в эти три отдельных дня года. Мы выделяем результаты этих двух ледников, чтобы облегчить подробное обсуждение (рис. 2). Затем мы оцениваем смещение SW, связанное с понижением дискретизации 8-метровой ЦМР HiMAT для более низкого пространственного разрешения для всех 10 ледников в районе Эвереста, сосредоточив внимание на 21 марта. Мы также сравниваем чувствительность атрибутов рельефа при различных пространственных разрешениях для ледника Восточный Ронгбук. и ледник Лумсамба, чтобы определить, какие атрибуты вносят наибольший вклад в общее смещение КВ-излучения. Хотя мы показываем результаты для всех 10 ледников разного внешнего вида, мы выделяем результаты для ледника Восточный Ронгбук и ледника Лумсамба, поскольку они обращены на север и юг (соответственно) и представляют собой два разных примера того, как падающее СВ может заметно измениться под воздействием местных факторов. топография ледников в HMA. Наконец, мы сравниваем разницу между моделированием падающего КВ-излучения с помощью 8-метровой ЦМР HiMAT и использованием других распространенных 30-метровых продуктов ЦМР.

Моделирование компонентов падающего КВ-излучения

Излучение прямого луча ( I _b ) обычно вносит наибольший энергетический вклад в падающее КВ-излучение, особенно при ясном небе. К счастью, I _b также является наиболее простым компонентом КВ-излучения для моделирования, поскольку он зависит от геометрии Солнца, дня года и атмосферного пропускания. Мы используем уравнение широкополосного переноса для расчета прямого излучения через атмосферу (Bird and Hulstrom, 19).81; Махлер, 1983):

Ib=I0⋅C⋅τR⋅τO⋅τG⋅τW⋅τA(2)

, где I ₀ — внеземное излучение, включающее как солнечную постоянную, так и расстояние между Солнцем и Землей, а C — коэффициент (0,9751). τ _R , τ _o , τ _G , τ _W и τ _a 9084 9084 708 7. рассеяние, озон, смешанные газы, атмосферный водяной пар и аэрозоли соответственно. Модель, используемая в этом исследовании, параметризована на основе локального сценария ясного неба и использует оценку видимости на земле для расчета аэрозольного ослабления (Mächler, 1983). Мы следуем методам Коррипио (2003) и Икбала (1983) для расчета солнечной геометрии, углов падения и топографического затенения, которые более подробно описаны в следующем разделе.

Несмотря на то, что моделирование прямого излучения, как правило, простое, включение атмосферного рассеяния требует множественных параметризаций модели и допущений. Рассеянное излучение ( I _d ) представляет собой сложную функцию многократного рассеяния и отражения, основанную на свойствах атмосферы. При ясном небе вклад рассеянного излучения обычно невелик; однако его вклад может иметь значительное влияние на ежедневное падающее КВ-излучение, особенно когда прямое излучение перехватывается окружающей местностью. Бёрд и Халстром (1981) и Mächler (1983) подробно описывают методы расчета атмосферного рассеяния. Corripio (2014) адаптировал эти методы в библиотеку с открытым исходным кодом в R для расчета солнечного излучения на сложной местности. Мы используем библиотеку R insol для расчета прямой и рассеянной составляющих падающего солнечного излучения.

Отраженная радиация ( I _r ) может составлять 17% суточного общего КВ-излучения (Dozier, 1980). I _r зависит от количества прямого луча и рассеянного излучения неба, отраженного от всей видимой окружающей местности. Вместо того, чтобы пытаться точно определить альбедо и направление рассеяния излучения от всей близлежащей местности, модели солнечного излучения часто используют одно значение для представления альбедо окружающей местности и умножают коэффициент обзора неба на количество прямого и рассеянного излучения, поступающего на поверхность. плоская плоскость (уравнение 3). Несмотря на некоторые упрощения в этих методах, они оказались полезными при моделировании инцидентов SW в сложной местности (Hock and Holmgren, 2005; Arnold et al., 2006).

Моделирование атрибутов рельефа

Мы моделируем среднесуточное изменение освещенности в зависимости от каждого из четырех различных атрибутов рельефа. Чтобы достичь этого, мы опираемся на уравнение. (1) путем включения в нашу модель атрибутов рельефа:

Snet=Ib⁢S⁢cos⁡θ+Vf⁢Id+Ir(3)

Ir=αt⁢(1-Vf)⁢S0

, где S — топографическое затенение, θ — угол падения, V _f — коэффициент обзора неба, который указывает часть видимого неба в данном месте , a _t — альбедо окружающей местности, а S ₀ — коротковолновое излучение, падающее на плоскую плоскость для всего бассейна. Топографическое затенение вычисляется с помощью модифицированного алгоритма трассировки лучей, который использует положение солнца с интервалом в 15 минут, чтобы определить, блокируется ли ячейка сетки DEM окружающими ячейками ( S = 0) или свободна ( S = 1), под определенным зенитным и азимутальным углом (Corripio, 2003). Угол падения изменяет зенитный угол Солнца для поверхности с определенным наклоном и экспозицией. Угол падения рассчитывается как:

cos⁡θ=cos⁡Z⁢cos⁡Sslope+sin⁡Z⁢sin⁡Sslope⁢cos⁡(ϕ-E)(4)

, где Z — зенитный угол Солнца, S _наклон — наклон , ϕ — азимут, а E — экспозиция (т. е. экспозиция по отношению к южному направлению) (Iqbal, 1983). Угол падения включает воздействие, связанное как с наклоном, так и с экспозицией поверхности ледника в любой момент в течение дня. Коэффициент обзора неба рассчитывается путем определения части видимого неба в 360-градусном полушарии в каждой точке на поверхности ледника (Dozier and Frew, 19).90). Альбедо 0,45 используется для представления отражательной способности окружающей местности (Gratton et al., 1994).

В этом исследовании мы опираемся на методы Олсона и Руппера (2019) для моделирования изменения освещенности в зависимости от каждого атрибута местности. Изменение энергетической освещенности из-за 90 207 наклона/аспекта 90 208 сравнивает разницу между смоделированным падающим КВ-излучением с использованием угла падения и моделью, предполагающей плоскую плоскость. Изменение освещенности из-за топографического затенения определяется разницей между моделью, которая включает в себя как отбрасываемые тени, так и самозатенение, и моделью, которая использует только наклон и экспозицию на поверхности для учета эффектов рельефа. Изменения в освещенности, связанные с обоими диффузное небо и отраженная от местности освещенность определяется разницей между моделью, которая включает коэффициент обзора неба, и той, которая предполагает, что коэффициент обзора неба равен 1. Кроме того, мы моделируем комбинированный эффект все атрибуты местности на суточное падающее КВ излучение. Изменение освещенности для комбинированного эффекта определяется разницей между моделью, включающей все атрибуты местности, и моделью, рассчитывающей падающее КВ излучение на плоской плоскости. Смоделированное среднесуточное изменение освещенности на высоте ледника соответствует кубическому сглаживающему сплайну. Это позволяет нам сравнивать атрибуты местности друг с другом и наблюдать изменчивость на низких (зона абляции) и высоких (зона аккумуляции) высотах.

Уменьшение масштаба и сравнение ЦМР

Количественная оценка влияния атрибутов местности на смоделированное КВ излучение зависит от точности и разрешения используемой ЦМР. 8-метровая ЦМР HiMAT была создана путем адаптации стереоконвейера NASA Ames с открытым исходным кодом и ортоизображений из стереоизображений DigitalGlobe WorldView-1, WorldView-2, WorldView-3 и GeoEye-1 поверх HMA (Shean, 2017). Смешанные мозаики создаются на основе оптических изображений, полученных в период с 2008 по 2017 год, при этом большая часть охвата приходится на период с 2013 по 2016 год. Приблизительно 5700 ЦМР были созданы для оледенелых участков СМА, а мозаика из продуктов ЦМР размещена на высоте 8 м. Шин и др. (2016) предоставляют подробную информацию о конвейере обработки ЦМР и подтверждают точность ЦМР в полярных регионах, а Шеан (2017) включает описание обработки и источников ошибок для 8-метровой ЦМР HiMAT.

Чтобы проверить влияние различных разрешений ЦМР, мы уменьшили дискретизацию 8-метровой ЦМР HiMAT до разрешений, обычно используемых сообществом моделирования — 30, 90, 250 и 500 м. Чтобы избежать алиасинга, мы используем низкочастотный фильтр Гаусса с ядром 5 × 5 пикселей с последующей билинейной интерполяцией отфильтрованной ЦМР. Мы рассчитываем смещение падающего SW (комбинированный эффект) при каждом разрешении ЦМР с пониженной дискретизацией относительно 8-метровой ЦМР HIMAT для 10 ледников в районе Эвереста. Мы также сравниваем межледниковую изменчивость смещения SW для 30- и 9-кратной выборки с пониженной дискретизацией.0-метровое разрешение. Наконец, мы вычисляем смещение SW для каждого из четырех атрибутов местности, чтобы определить, какие атрибуты местности вносят наибольший вклад в смещение SW.

В настоящее время доступны несколько общедоступных продуктов DEM с разрешением 30 м, которые обеспечивают глобальное или почти глобальное покрытие. К ним относятся продукты усовершенствованного космического радиометра теплового излучения и отражения (ASTER), радиолокационной топографической миссии Shuttle (SRTM) и, совсем недавно, усовершенствованного спутника наблюдения за землей (ALOS). В исследованиях по моделированию ледников часто используется одна из этих трех ЦМР (Lee et al., 2012; Chen et al., 2013; Huintjes et al. , 2015; Han et al., 2016). Мы оцениваем погрешность, вызванную использованием этих продуктов с более низким разрешением для имитации местности в нашей топографической модели излучения КВ. В дополнение к определению смоделированного смещения SW из комбинированных атрибутов местности, мы сравниваем эти ЦМР с 30-метровой ЦМР HiMAT с пониженной дискретизацией, чтобы дополнительно проверить полезность 8-метровой ЦМР HiMAT.

Результаты

Чувствительность ежедневного падающего КВ-излучения к характеристикам рельефа значительно различается как по величине, так и по знаку между равноденствиями и солнцестояниями. Однако комбинированное влияние рельефа местности приводит к уменьшению падающей радиации КВ при усреднении за год для ледников в районе Эвереста. Более грубое разрешение ЦМР приводит к завышению оценки падающего излучения СВ, и аналогичное суточное смещение СВ наблюдается при использовании обычных продуктов ЦМР с разрешением 30 м. Каждый из этих выводов подробно представлен ниже.

Пространственная и временная изменчивость в смоделированном происшествии SW

На рис. 3 показано усредненное за день изменение освещенности по высоте из-за каждого атрибута местности и комбинированного эффекта для ледников Восточный Ронгбук и Лумсамба. В течение марта, что отражает среднегодовое воздействие рельефа на падающее SW-излучение, ледник Восточный Ронгбук имеет значительное снижение излучения из-за комбинированных характеристик рельефа, в основном из-за его ориентации на север (рис. 3A). Между тем, различные атрибуты рельефа компенсируют изменения в СВ-излучении на южном склоне ледника Лумсамба (рис. 3B), в основном обусловленные противоположным влиянием уклон/экспозиция и топографическое затенение . При более высоких зенитных углах солнца в июне изменение освещенности из-за 90 207 наклона/экскурсии 90 208 и 90 207 топографического затенения 90 208 для этих относительно низкоширотных ледников (∼26° с.ш.) уменьшается для ледника Восточный Ронгбук и увеличивается для ледника Лумсамба (рис. 3Д). Наибольший контраст в комбинированном изменении освещенности для этих двух ледников наблюдается в зимние месяцы (декабрь). В это время года низкие зенитные углы солнца отбрасывают тени на обращенный на север ледник Восточный Ронгбук в течение значительной части дня, вызывая значительное снижение КВ-излучения (рис. 3Е). Самые низкие значения (около −400 Wm ^–2 ) представляют почти 100-процентное снижение освещенности на самых больших высотах из-за комбинированного воздействия атрибутов местности в это время года. В качестве альтернативы, уклон /экспозиция значительно увеличивает освещенность обращенного на юг ледника Лумсамба во время зимнего солнцестояния (рис. 3F). Эти результаты показывают, что влияние рельефа на излучение КВ различно в разное время года и неодинаково в зависимости от ледника. Большая часть различий между ледниками определяется их общим видом.

Рис. 3. Среднесуточные изменения освещенности в зависимости от высоты из-за различных характеристик рельефа (и их совокупного эффекта) для ледника Восточный Ронгбук (слева) и ледника Лумсамба (справа). Модель работает в день весеннего равноденствия — 21 марта (A, B) , летнего солнцестояния — 21 июня (C, D) и зимнего солнцестояния — 21 декабря (E, F) .

В более общем плане характеристики рельефа оказывают большее влияние на радиацию СВ на средних и высоких высотах как на леднике Восточный Ронгбук, так и на леднике Лумсамба; однако изменения в освещенности на более низких высотах также значительны. уклон/экспозиция и топографическое затенение являются наиболее изменчивыми и влиятельными атрибутами рельефа, влияющими на суточную радиацию КВ в течение года. Для сравнения, влияние излучения диффузного неба и отраженного от местности излучения одинаково для обоих ледников и меняется гораздо меньше по сравнению с другими атрибутами рельефа и от сезона к сезону. Хотя сезонные колебания значительны, среднегодовое изменение солнечной радиации из-за вместе взятых атрибуты рельефа для обоих ледников отрицательные.

SW Bias из-за разрешения ЦМР

Хотя атрибуты рельефа могут значительно изменять значения освещенности на поверхности ледника в течение года, эти атрибуты зависят от разрешения ЦМР (рис. 4). По мере того, как разрешение HiMAT DEM постепенно увеличивается с 8 м до 30, 90, 250 и 500 м, топографическая изменчивость и детализация уменьшаются, что снижает величину и изменчивость особенностей рельефа. В результате все 10 ледников в районе Эвереста демонстрируют все более положительное смещение (или аномалию) в СВ излучении по мере понижения разрешения 8-метровой ЦМР HiMAT. Все систематические ошибки рассчитываются как разница в смоделированном падающем СВ для ЦМР с пониженной дискретизацией по сравнению с 8-метровой ЦМР HiMAT. Детали этого положительного смещения можно увидеть на рисунке 4A, где показана аномалия SW, усредненная по всем 10 ледникам для каждого разрешения в день весеннего равноденствия. Наибольшее смещение появляется при более высоких относительных высотах и ​​становится больше, когда ЦМР понижается до самых грубых разрешений.

Рис. 4. Коротковолновые аномалии (из-за совокупного влияния атрибутов рельефа), усредненные по всем 10 ледникам региона при огрублении разрешения до разрешений 30, 90, 250 и 500 м (A) . На панелях (B,C) показаны значения аномалий ЮЗ с разрешением 30 и 90 м (соответственно) для каждого ледника в районе Эвереста. Обратите внимание, что аномалии ЮЗ резко различаются от ледника к леднику. Изменение освещенности от атрибутов местности объясняет изменчивость освещенности по высоте, поэтому мы показываем абсолютные аномалии (левая ось Y) в сочетании с процентными изменениями (правая ось Y) относительно средней освещенности над ледниками.

Рисунки 4B,C показывают смещение SW для каждого ледника при увеличении разрешения до 30 и 90 м и иллюстрируют существенную межледниковую изменчивость смещения SW для этих разрешений. В целом, понижение разрешения ЦМР с 8 до 30 м приводит к среднесуточным положительным смещениям, которые колеблются от 20 до 60 Wm ^–2 (или от 7 до 20%) на определенных высотах (рис. 4B). На глубине 90 м (рис. 4С) мы видим еще большее увеличение смещения ЮЗ для всех ледников по сравнению с глубиной 30 м; тем не менее, более высокие высоты и некоторые ледники больше подвержены влиянию, поскольку ЦМР понижается до этих все более низких пространственных разрешений. При разрешении 500 м (здесь не показано) многие из 10 ледников имеют совокупный уклон более +100 Wm 9 .0519 –2 (∼33%) на разных высотах, при этом некоторые ледники имеют средний юго-западный уклон выше +250 Wm ^–2 (∼83%). В то время как смещение, как правило, в подавляющем большинстве положительное, поскольку разрешение ЦМР огрубляется, верхние отметки на некоторых ледниках показывают отрицательное смещение SW.

Чтобы определить, какие атрибуты местности вносят наибольший вклад в общее комбинированное смещение SW, мы сравниваем смоделированное смещение SW для каждого атрибута местности и для всех разрешений ЦМР с пониженной дискретизацией. На рис. 5 показаны аномалии ЮЗ относительно 8-метровой ЦМР для каждого атрибута рельефа ледника Восточный Ронгбук и ледника Лумсамба во время весеннего равноденствия (21 марта). Аномалии ледника Восточный Ронгбук (рис. 5а) показывают, что уклон/экспозиция вносит положительный сдвиг ЮЗ на малых высотах и ​​отрицательный на больших высотах по мере постепенного сглаживания рельефа. Топографическое затенение оказывает наибольшее влияние на смещение SW по мере ухудшения разрешения ЦМР. Смещения диффузного неба и отраженного землей имеют контрастные эффекты и гораздо меньше влияют на смещения SW. В частности, для 90 207 комбинированных эффектов 90 208 при уменьшении пространственного разрешения с 8 до 30 м среднесуточная погрешность SW для ледника Восточный Ронгбук превышает +50 Вт·м ^–2 (∼17%) на некоторых высотах. Дальнейшее снижение разрешения до 500 м приводит к смещению вверх на +85 Wm ^–2 (∼28%).

Рис. 5. Коротковолновая аномалия для разрешений 30, 90, 250 и 500 м относительно 8-метровой ЦМР HIMAT для ледника Восточный Ронгбук ( a , верхние панели) и ледника Лумсамба ( b , средние панели) 21 марта. Вклад каждого атрибута местности в смоделированное смещение SW показан для каждого разрешения DEM с пониженной дискретизацией вместе с комбинированным смещением от всех атрибутов местности. В целом падающее КВ-излучение переоценивается при увеличении разрешения. Для обоих ледников на комбинированное смещение больше всего влияют изменения смоделированного топографического затенения и наклона/экскурсии, в то время как изменение отражения диффузного неба и рельефа меньше по величине и меньше варьируется при различных пространственных разрешениях. Это верно для всех 10 ледников в этом исследовании. Панель (c) показывает комбинированное изменение освещенности из-за всех атрибутов рельефа в этот день при каждом уменьшенном разрешении для ледника Восточный Ронгбук. Аномалия SW представляет собой разницу между изменением освещенности, определенным при каждом грубом разрешении ЦМР, и изменением освещенности, рассчитанным с помощью 8-метровой ЦМР HIMAT.

Результаты для ледника Лумсамба (рис. 5b) дают интересное сравнение с ледником Восточный Ронгбук. Аномалии юго-западного направления при различном разрешении ЦМР для ледника Лумсамба (рис. 5b) демонстрируют сходные закономерности для ледника Восточный Ронгбук; однако общее смещение больше для ледника Лумсамба отчасти из-за более положительного смещения SW от уклон/экспозиция на всех высотах и ​​повышенное влияние топографического затенения на определенных высотах. Следует также отметить, что отклонение , отраженное от местности, является более отрицательным для этого обращенного к югу ледника, поскольку он имеет более видимую окружающую местность (т. е. меньший коэффициент обзора). Подобно леднику Восточный Ронгбук, 90 207 комбинированных 90 208 суточных коротковолновых отклонений составляют примерно 15–30%, когда разрешение ЦМР уменьшено с 30 до 500 м.

На рис. 5с показана пространственная изменчивость объединил изменений освещенности из-за всех атрибутов местности для ледника Восточный Ронгбук при каждом из разрешений с пониженной частотой дискретизации. Результаты также показывают, что оценка инцидента SW завышена, но пространственно изменчива, поскольку разрешение снижается.

Суточные различия в освещенности СВ

Приведенные выше результаты подчеркивают влияние рельефа местности на усредненную за день дневную освещенность СВ при ясном небе и показывают, как смоделированная освещенность СВ завышена при более грубом разрешении ЦМР. Однако величина изменения смоделированного ЮЗ из-за рельефа и разрешения ЦМР значительно варьируется в течение дня. Таким образом, в зависимости от времени суток изменения энергии на поверхности ледника могут повлиять на таяние, повторное замерзание или просто изменить температуру на поверхности (т. е. содержание холода). В то время как изменения в моделируемом СВ в течение утра/вечера могут изменить время и величину таяния позже в течение дня, точное определение изменений в падающем СВ в полдень имеет более важное значение для оценки энергетического баланса и общего поверхностного таяния. Здесь мы оцениваем, как рельеф местности и разрешение ЦМР изменяют суточный цикл падающей КВ-излучения.

На рис. 6а показано изменение падающей солнечной радиации при ясном небе из-за 90 207 склонов/аспектов 90 208 по высоте и на каждом 15-минутном временном шаге 21 марта 2019 г. для ледника Восточный Ронгбук. На рисунке 6b показано смещение SW, введенное из-за наклона /экскурсии при моделировании излучения SW с разрешением 30 м, в отличие от разрешения 8 м. На рис. 6в показано смещение СВ при моделировании с разрешением 90 м. Интенсивность ЮЗ на этом обращенном к северу леднике усиливается утром/вечером и уменьшается в полдень на большинстве возвышенностей (рис. 6а). Однако по мере увеличения разрешения ЦМР (рис. 6б,в) наблюдается уменьшение ЮЗ в утреннее/вечернее время и увеличение в полдень по мере сглаживания рельефа на более низких высотах. На больших высотах смещение больше и более изменчиво, хотя в целом показывает отрицательное смещение, которое можно увидеть в среднесуточных значениях (рис. 5а). Большое увеличение ЮЗ на больших высотах в утренние часы (рис. 6а) связано с тем, что верхняя чаша ледника обращена на восток. Дополнительные строки на рис. 6 показывают те же результаты, но для изменения SW из-за топографическая штриховка и из-за объединены атрибутов рельефа, за которыми следуют юго-западные аномалии на 30 и 90 м для каждого. Мы сосредоточимся на двух самых больших атрибутах ландшафта, наклон/экспозиция и топографическое затенение , поскольку они в значительной степени контролируют общее комбинированное изменение освещенности. Хотя топографическое затенение оказывает наибольшее влияние в середине утра, оно влияет на большинство высот ледников в течение дня. Точно так же смещение в 30 и 90 м показывает завышенную оценку падающего УВ в течение дня на большинстве высот. Комбинированные результаты показывают общую оценку излучения SW в течение дня по мере увеличения разрешения. В то время как топография оказывает различное влияние в течение дня и по высоте, наибольшее положительное смещение КВ обычно происходит в более теплые часы дня при моделировании КВ-излучения с более грубым разрешением. Подобно результатам для среднесуточного SW, роль рельефа и разрешение ЦМР различаются между ледниками и разным временем года. Однако эти результаты показывают, что атрибуты рельефа и разрешение ЦМР могут влиять на смоделированное излучение СВ во время пикового потока энергии дня и, следовательно, могут внести погрешность в смоделированное таяние.

Рис. 6. Изменение падающей СВ-излучения из-за наклона/экскурсии (a) для ледника Восточный Ронгбук (рассчитано с помощью 8-метровой ЦМР HiMAT). Восход солнца (закат) происходит в 6:06 утра (20:09) по местному времени 21 марта 2019 года на этом леднике. По оси Y отложена отметка времени с 15-минутными интервалами, начиная с восхода и заканчивая закатом. Аномалия (или погрешность), вносимая изменением наклона/экскурсии при моделировании излучения СВ при разрешении ЦМР 30 м, а не при разрешении 8 м (b) , и смещение, добавленное к наклону/экскурсии из моделирования с разрешением 90 м (c) . Последующие ряды панелей показывают такое же изменение освещенности и смещения SW для топографического затенения (d-f) и комбинированных атрибутов рельефа (g-i) . Значения агрегируются в 50-метровые интервалы высот, а цветовая шкала изменяется с шагом ± 15 Wm ^–2 .

SW Bias из-за платформы DEM

При наличии множества 30-метровых ЦМР для удаленных регионов со сложным рельефом, таких как HMA, мы также оцениваем смещение SW (аномалию), связанное с моделированием излучения SW с использованием различных продуктов DEM. На рис. 7 сравнивается комбинированное смещение SW четырех различных ЦМР с 30-метровым разрешением по сравнению с ЦМР HiMAT с 8-метровым разрешением. Для удобства и последовательности мы показываем результаты для ледника Восточный Ронгбук и ледника Лумсамба. Значения смещения SW для ледника Восточный Ронгбук (рис. 7A) показывают в основном постоянное положительное смещение для большинства 30-метровых ЦМР. Смещения SW от SRTM и ALOS DEM показывают очень близкие значения, в то время как смещения от ASTER GDEM сильно различаются на некоторых высотах. Смещение от 30-метровой ЦМР HiMAT с пониженной дискретизацией больше всего похоже на значения SRTM и ALOS, хотя в среднем меньше по величине.

Рис. 7. Смоделированное коротковолновое смещение относительно 8-метровой ЦМР HiMAT для каждого 30-метрового продукта ЦМР (т. е. ASTER GDEM, SRTM, ALOS и огрубленной 30-метровой ЦМР HiMAT) на леднике Восточный Ронгбук (A) и ледник Лумсамба (B) , 21 марта. Среднесуточная завышенная оценка примерно на 50–60 Вт м ^{– 2} (∼20%) падающего КВ-излучения является обычным явлением на многих высотах при огрублении разрешения. до 30 м, при этом некоторые ледники имеют средний уклон более 90 Вт м ^{– 2} (∼30%). Хотя смещение SW в основном одинаково для продуктов DEM, значения смещения ASTER могут резко различаться на высотах некоторых ледников (A) , однако ASTER часто более постоянен для всех 10 ледников, подобно B .

Значения смещения SW различных продуктов DEM для ледника Лумсамба демонстрируют большую согласованность и общее положительное смещение SW (рис. 7B). Опять же, значения смещения от SRTM и ALOS наиболее похожи, а у ASTER больше различий. При сравнении значений для всех 10 ледников (здесь не показаны) ASTER имеет более общий разброс в смещении SW по сравнению с SRTM и ALOS, но редко показывает значительные отклонения от этих других продуктов. Кроме того, тот факт, что 30-метровая ЦМР HiMAT с пониженной дискретизацией достаточно хорошо сравнивается с другими 30-метровыми ЦМР, предполагает, что наши методы понижения дискретизации, вероятно, разумны. В целом, моделирование с пространственным разрешением 30 м может привести к погрешности выше +60 Вт·м 9 . 0519 –2 (∼20%) в течение одного дня на некоторых высотах ледника, и этот результат в целом верен для всех протестированных здесь продуктов DEM.

Обсуждение

Результаты этого исследования убедительно свидетельствуют о том, что моделирование изменчивости падающего КВ-излучения на сложной местности требует высокого пространственного разрешения, чтобы учитывать влияние атрибутов местности в течение дня. Однако общая важность местности и точность моделирования взаимодействия местности с падающим КВ-излучением будут также зависеть от других переменных, не рассматриваемых напрямую в этом исследовании, таких как: местные топографические и метеорологические условия (особенно условия облачности), допущения/параметризации в модели SW и точности ЦМР.

Поскольку угол наклона солнца в течение дня в данном месте меняется, влияние конкретных атрибутов местности меняется по величине, а иногда и по знаку. Уклон/экспозиция и топографическая штриховка являются наиболее изменчивыми и влиятельными атрибутами рельефа, которые изменяют суточную радиацию КВ на ледниках в HMA (рис. 3). Эти два атрибута местности резко различаются в зависимости от их соотношения с углами наклона солнца в течение дня, в зависимости от сезона и между долинами ледников. При включении наклон/аспект в модели излучения СВ довольно прост, правильное включение эффекта теней, отбрасываемых окружающей топографией, требует дополнительной сложности; следовательно, многие модели энергетического баланса неправильно включают затенение или вообще не включают его (Olson and Rupper, 2019). Для сравнения, освещенность диффузного неба более согласуется во времени, чем уклон/экспозиция или топографическое затенение , поскольку этот атрибут местности в основном зависит от факторов статического вида неба на поверхности ледника. Освещенность, отраженная от местности , также зависит от статических во времени факторов вида неба. Однако величина освещенности , отраженной от местности, зависит от альбедо окружающей местности и других упрощений модели, которые могут более значительно меняться в пространстве и времени. Наше предположение о постоянном альбедо 0,45 является значительным упрощением модели. Хотя это представляет разумное значение альбедо ледникового льда (Gratton et al., 1994), оно, безусловно, занижает альбедо окружающей местности в одних местах и ​​завышает в других. Однако использование альбедо 0,30 и 0,60 изменяет только среднесуточное изменение в отраженная от местности освещенность на ±3,3% со стандартным отклонением 1,4%. Таким образом, маловероятно, что выбранное значение альбедо существенно повлияет на ключевой результат: 90 207 освещенности, отраженной от местности, 90 208, как правило, оказывают значительно меньшее влияние на освещенность в юго-западном направлении при ясном небе по сравнению с 90 207 уклоном/экскурсией 90 208 и 90 207 топографическим затенением.

Хотя топография оказывает большое влияние на падающее КВ излучение, величина этого влияния зависит от изменчивости атмосферных условий (что не учитывается в данном исследовании). Результаты этого исследования основаны на модели солнечного излучения при ясном небе; однако на падающее СВ также влияют свойства атмосферы и облачный покров, которые могут значительно уменьшить влияние местности на излучение СВ. Например, облачность приводит к тому, что меньшая интенсивность прямого луча поглощается окружающей местностью, что снижает важность топографическая штриховка на поверхности ледника. Несмотря на некоторые упрощения модели и допущения, общие результаты, вероятно, являются надежными. В частности, рельеф имеет тенденцию уменьшать суточную радиацию КВ на поверхности ледника; следовательно, исключение атрибутов рельефа приведет к завышению смоделированной энергии и таяния на поверхности ледника. Кроме того, это исследование применимо к полям за пределами ледникового сообщества, поскольку солнечная радиация также является важной переменной в моделировании снега, экосистемы и лесного хозяйства (Comola et al., 2015; Baba et al., 2019).; Ву и др., 2019).

Завышение оценки падающего СВ также может быть результатом моделирования с более грубым разрешением ЦМР, и это завышение может происходить в течение дня. Огрубление разрешения ЦМР в среднем приводит к все большему положительному смещению в падающем УВ (рис. 4А). Однако на многих ледниках вносится значительная часть ошибки даже при уменьшении дискретизации с 8 до 30 или 90 м (рис. 4B, C). Например, комбинированное отклонение SW на глубине 30 м для некоторых ледников довольно велико, что позволяет предположить, что даже снижение точности примерно на 22 м может серьезно исказить результаты моделирования. Эти смещения ЮЗ присутствуют как на более низких, так и на верхних отметках и различаются между бассейнами ледников. Переоценка излучения СВ на более низких высотах, где температуры выше и вероятность таяния выше, может существенно изменить результаты моделирования поверхностного энергетического баланса и привести к переоценке таяния на поверхности ледника. При моделировании с очень грубым разрешением ЦМР (250 или 500 м) изменения в падающем СВ-излучении из-за особенностей местности представляются неадекватно и могут вносить значительные ошибки в СВ-излучение, и эти ошибки распространяются на моделируемый баланс массы и таяния ледников. Смещение смоделированного СВ из-за снижения разрешения ЦМР в основном связано с изменениями смоделированных уклон/экспозиция и топографическое затенение , что еще раз подчеркивает важность этих атрибутов рельефа для моделирования поверхностного энергетического баланса. Кроме того, мы видим смоделированное смещение в падающем СВ в более теплые часы дня (рис. 6) по мере увеличения разрешения ЦМР, что иллюстрирует важность разрешения для моделирования таяния.

При сравнении точности смоделированного КВ-излучения между продуктами ЦМР мы видим в основном постоянное положительное смещение КВ для всех продуктов по сравнению с ЦМР с более высоким разрешением. Систематическая ошибка ASTER GDEM показывает наибольшие вариации для некоторых высот ледников, особенно на более низких высотах, но в целом аналогична другим продуктам. Nascetti et al., 2017 обнаружил, что точность SRTM DEM, как правило, более точна на плоской местности, тогда как точность ASTER DEM лучше на более крутых углах склона, что может объяснить изменчивость, которую мы наблюдаем на леднике Восточный Ронгбук. Тем не менее, для всех 10 ледников мы обычно видим постоянное смещение SW между всеми продуктами DEM, что предполагает аналогичную точность смоделированного SW для большинства ледников в этом регионе. Важно отметить, что смоделированное смещение SW от 30-метровой ЦМР HiMAT с пониженной дискретизацией согласуется, хотя и меньше по величине, с другими продуктами ЦМР (рис. 7). Эти последовательности подтверждают наш анализ с понижением частоты дискретизации, а меньшая величина смещения SW в 30-метровой ЦМР HiMAT, вероятно, связана с тем, что она была непосредственно уменьшена по сравнению с 8-метровым продуктом. В целом эти результаты показывают, что моделируемое КВ-излучение будет зависеть в первую очередь от разрешения ЦМР и, во вторую очередь, от продукта ЦМР. Однако на смоделированное КВ-излучение также будет влиять точность ЦМР, которая напрямую не оценивается в этом исследовании.

Заключение

В этом исследовании мы моделируем прямое, рассеянное и отраженное излучение СВ на 10 ледниках в районе Эвереста HMA. Мы сравниваем относительную важность наклона и аспекта, затенения топографией и фактора обзора неба для падающего КВ-излучения и оцениваем чувствительность этих результатов к разрешению ЦМР и платформе. В целом, 90 207 уклон/экспозиция 90 208 и 90 207 топографическое затенение 90 208 оказывают наибольшее влияние на ежедневный SW, в то время как фактор обзора неба (из-за обоих диффузное небо и отраженная от местности освещенность) вносит значительно меньший вклад. Степень, в которой эти атрибуты рельефа изменяют смоделированное КВ-излучение, также зависит от используемого разрешения ЦМР. Моделирование СВ с пространственным разрешением 30 м по сравнению с новой 8-метровой ЦМР HiMAT может вносить положительное смещение СВ от 20 до 60 Вт·м ^–2 (∼7–20 %) вдоль возвышенностей некоторых ледников, которое увеличивается до выше 100 Wm ^–2 (∼33%) при увеличении разрешения до 500 м. Это смещение в первую очередь обусловлено ошибкой в ​​оценке топографическое затенение и наклон/экспозиция при более низких разрешениях ЦМР и меньше за счет изменения коэффициента обзора неба. Для всех ледников в этом исследовании мы демонстрируем систематическое завышение суточной моделируемой КВ-излучения с уменьшением пространственного разрешения ЦМР. Кроме того, мы видим, что обычные 30-метровые ЦМР могут вносить значительные отклонения в падающее СВ (от +60 до +90 Wm ^–2 или ~20–30%) на определенных высотах по сравнению с 8-метровой ЦМР HiMAT. Эти результаты можно использовать в качестве поправки на смещение для смоделированного инцидента SW в регионе или использовать для лучшего ограничения неопределенности в результатах моделирования. Мы также видим, что положительное смещение, возникающее при моделировании падающего СВ при более низком разрешении ЦМР, происходит в более теплые часы дня, что привело бы к более высокому смещению в моделируемом таянии. Таким образом, правильное моделирование воздействия рельефа местности и использование высокого пространственного разрешения, такого как 8-метровая модель HiMAT DEM, необходимы для точного количественного определения падающей энергии СВ и таяния ледников на сложном рельефе.

Доступность данных

Shean (2017) сделал 8-метровые ЦМР HiMAT общедоступными через Центр распределенных активных архивов Национального центра данных по снегу и льду НАСА (https://doi. org/10.5067/KXOVQ9L172S2). Код модели доступен по адресу: http://doi.org/10.5281/zenodo.2654938 (Olson, 2019).

Вклад авторов

MO и SR разработали исследование и написали рукопись. MO разработала модель, провела анализ и сгенерировала цифры. Компания DS сгенерировала 8-метровую ЦМР HiMAT и предоставила отзывы и комментарии к тексту и рисункам.

Финансирование

Это исследование финансировалось в рамках NASA HiMAT (NASA HMA NNX16AQ61G, присуждено SR).

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Мы хотели бы поблагодарить NASA HiMAT за ценные отзывы и поддержку.

Ссылки

Арнольд, Н. С., Рис, В. Г., Ходсон, А. Дж., и Колер, Дж. (2006). Топографический контроль поверхностного энергетического баланса ледника высокогорной арктической долины. Ж. Геофиз. Рез. 111:F02011. doi: 10.1029/2005jf000426

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Азам М. Ф., Вагнон П., Винсент К., Раманатан А., Фавье В., Мандал А. и др. (2014). Процессы, управляющие массовым балансом ледника Чхота Шигри (западные Гималаи, Индия), оцениваемые по точечным измерениям поверхностного энергетического баланса. Криосфера 8, 2195–2217. doi: 10.5194/tc-8-2195-2014

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Баба, М. В., Гаскоин, С., Киннард, К., Марчане, А., и Ханич, Л. (2019). Влияние разрешения цифровой модели рельефа на моделирование эволюции снежного покрова в Высоком Атласе. Водный ресурс. Рез. 55, 1–19. doi: 10.1029/2018WR023789

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Байрачарья С.Р. и Шреста Б. (редакторы) (2011). Состояние ледников в Гиндукуше-Гималайском регионе. 902:08 Катманду: ICIMOD.

Google Scholar

Берд, Р. Э., и Халстром, Р. Л. (1981). Упрощенная модель ясного неба для прямой и рассеянной инсоляции на горизонтальных поверхностях. Технический отчет SERI/TR-642-761 , Голден, Колорадо: Институт солнечных исследований, 1–38. doi: 10.2172/6510849

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Брун Ф., Бертье Э., Ваньон П., Кээб А. и Трейхлер Д. (2017). Оценка баланса массы ледников высокогорной Азии с пространственным разрешением с 2000 по 2016 год9.0207 Нац. Geosci. 10, 668–673. doi: 10.1038/NGEO2999

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Чен Х., Су З., Ма Ю., Ян К. и Ван Б. (2013). Оценка поверхностных потоков энергии под сложным рельефом горы Джомолунгма над Тибетским нагорьем. Гидр. Земля Сист. науч. 17, 1607–1618. doi: 10.5194/hess-17-1607-2013

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Comola, F., Schaefli, B., Da Ronco, P., Botter, G., Bavay, M., Rinaldo, A., et al. (2015). Зависящие от масштаба эффекты характера солнечной радиации на гидрологическую реакцию, обусловленную преобладанием снега. Геофиз. Рез. лат. 42, 3895–3902. doi: 10.1002/2015gl064075

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Corripio, JG (2003). Алгоритмы векторной алгебры для расчета параметров местности по ЦМР и моделирования солнечного излучения в гористой местности. Междунар. Дж. Геогр. Поставить в известность. науч. 17, 1–23. doi: 10.1080/713811744

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Коррипио, Дж. Г. (2014). Инсол : Солнечное излучение. Пакет R версии 1.1.1. Доступно по адресу: https://CRAN.R-project.org/package=insol (по состоянию на 21 августа 2018 г.).

Google Scholar

Каффи, К. М., и Патерсон, У. С. Б. (2010). Физика ледников. Кембридж, Массачусетс: Academic Press.

Google Scholar

Дозье, Дж. (1980). Спектральная модель солнечного излучения при ясном небе для заснеженной горной местности. Водный ресурс. Рез. 16, 709–718. doi: 10.1029/wr016i004p00709

Полный текст CrossRef | Академия Google

Дозье, Дж., и Фрю, Дж. (1990). Быстрый расчет параметров местности для радиационного моделирования по цифровым данным рельефа. IEEE Trans. Geosci. Дистанционный датчик 28, 963–969. doi: 10.1109/36.58986

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Duguay, CR (1993). Радиационное моделирование в гористой местности обзор и состояние. Крепление. Рез. Дев. 13, 339–357. doi: 10.2307/3673761

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Эсри (2009 г.). Изображения мира . Режим доступа: http://www.arcgis.com/home/item.html?id=10df2279f9684e4a9f6a7f08febac2a9 (по состоянию на 21 августа 2018 г.).

Google Scholar

Граттон Д. Дж., Ховарт П. Дж. и Марсо Д. Дж. (1994). Исследование освещенности местности в горно-ледниковой котловине. Дж. Гласиол. 40, 519–526. doi: 10.3189/s0022143000012405

CrossRef Full Text | Google Scholar

Хань К., Ма Ю., Чен Х. и Су З. (2016). Оценки тепловых потоков поверхности земли в районе горы Эверест над Тибетским плато с использованием данных ASTER. Атмос. Рез. 168, 180–190. doi: 10.1016/j.atmosres.2015.09.012

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хок Р. и Холмгрен Б. (2005). Распределенная модель энергетического баланса поверхности для сложной топографии и ее применение в Сторглациарене, Швеция. Дж. Гласиол. 51, 25–36. doi: 10.3189/172756505781829566

CrossRef Full Text | Google Scholar

Хопкинсон, К., Чесмер, Л., Манро, С., и Демут, М. Н. (2010). Влияние разрешения ЦМР на моделируемое таяние ледников, вызванное солнечным излучением. Гидр. Процесс. 24, 775–788. doi: 10.1002/hyp.7531

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Howat, I.M., Joughin, I., and Scambos, TA (2007). Быстрые изменения стока льда с выходных ледников Гренландии. Наука 315, 1559–1561. doi: 10.1126/science.1138478

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Huintjes, E., Sauter, T., Schröter, B., Maussion, F., Yang, W., Kropáček, J., et al. (2015). Оценка совместной модели снежного и энергетического баланса для ледника Чжаданг, Тибетское нагорье, с использованием гляциологических измерений и цейтраферной фотографии. ст. Антаркт. Альп. Рез. 47, 573–590. doi: 10.1657/aaar0014-073

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Хусс, М., и Хок, Р. (2018). Гидрологическая реакция глобального масштаба на будущую потерю массы ледников. Нац. Клим. Изменить 8, 135–140. doi: 10.1038/s41558-017-0049-x

CrossRef Full Text | Google Scholar

Иммерзел, В.В., Бик, Л.П.Х.В., и Биркенс, М.Ф.П. (2010). Изменение климата повлияет на азиатские водонапорные башни. Наука 328, 1382–1385. doi: 10.1126/science.1183188

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Икбал, М. (1983). Введение в солнечное излучение. Торонто, Онтарио: Academic Press.

Google Scholar

Канг С., Ким С. и Ли Д. (2002). Пространственные и временные закономерности солнечного излучения на основе топографии и температуры воздуха. Кан. Дж. Для. Рез. 32, 487–497. doi: 10.1139/x01-221

Полный текст CrossRef | Академия Google

Каястха Р.Б., Охата Т. и Агета Ю. (1999). Применение модели баланса массы к гималайскому леднику. Дж. Гласиол. 45, 559–567. doi: 10.3189/s002214300000143x

CrossRef Full Text | Google Scholar

Kraaijenbrink, P.D.A., Bierkens, M.F.P., Lutz, A.F., and Immerzeel, W.W. (2017). Воздействие повышения глобальной температуры на 1,5 градуса Цельсия на ледники Азии. Природа 549, 257–260. doi: 10.1038/nature23878

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Lee, W.-L., Liou, K.N., and Wang, C.-C. (2012). Влияние трехмерной топографии на баланс поверхностной радиации над Тибетским нагорьем. Теор. заявл. Климатол. 113, 95–103. doi: 10.1007/s00704-012-0767-y

CrossRef Full Text | Google Scholar

Литт М., Ши Дж., Вагнон П., Штайнер Дж., Кох И., Стигтер Э. и др. (2019). Модели абляции ледников и индексированные по температуре таяния в непальских Гималаях. науч. Респ. 9:5264. doi: 10.1038/s41598-019-41657-5

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Махлер, Массачусетс (1983). Параметризация солнечного излучения при ясном небе , Ванкувер, Калифорния: докторская диссертация, Университет Британской Колумбии, 1–93. doi: 10.14288/1.0080802

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Манро, Д. С., и Янг, Г. Дж. (1982). Оперативная чистая модель коротковолнового излучения ледниковых бассейнов. Водный ресурс. Рез. 18, 220–230. дои: 10.1029/wr018i002p00220

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Google Scholar

Наскетти А., Рита М. Д., Раванелли Р., Амикузи М., Эспозито С. и Креспи М. (2017). Бесплатная глобальная оценка DSM на больших территориях с использованием возможностей инновационной платформы Google Earth Engine. Междунар. Арка фотограмм. Дистанционный сенсор Спл. Поставить в известность. науч. XLII-1/W1, 627–633. doi: 10.5194/isprs-archives-xlii-1-w1-627-2017

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Но, М. -Дж., и Ховат, И.М. (2017). Извлечение поверхности из алгоритма минимизации пространства поиска (SETSM) на основе TIN. ISPRS J. Фотограмм. Дистанционный датчик 129, 55–76. doi: 10.1016/j.isprsjprs.2017.04.019

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Олсон, М. (2019). Mattols/TopoRad: v1.0 топографической модели коротковолнового излучения (версия v1.0). Женева: Зенодо. doi: 10.5281/zenodo.2654938

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Олсон М. и Руппер С. (2019). Влияние топографического затенения на прямую солнечную радиацию долинных ледников со сложной топографией. Криосфера 13, 29–40. doi: 10.5194/tc-13-29-2019

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Консорциум RGI (2017). Инвентаризация ледников Рэндольфа – Набор данных о глобальных контурах ледников: Версия 6.0: Технический отчет. [Цифровые СМИ]. Колорадо, Колорадо: Глобальные измерения наземного льда из космоса. doi: 10.7265/N5-RGI-60

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Ши, Дж. М., Иммерзил, В. В., Ваньон, П., Винсент, К., и Байрачарья, С. (2015). Моделирование изменения ледников в районе Эвереста, Непал, Гималаи. Криосфера 9, 1105–1128. doi: 10.5194/tc-9-1105-2015

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Шин, Д. (2017). Высокогорная Азия 8-метровые мозаики DEM, полученные на основе оптических изображений, версия 1. Боулдер, Колорадо: Национальный центр данных по снегу и льду НАСА Центр распределенных активных архивов.

Google Scholar

Шин Д. Э., Александров О., Моратто З. М., Смит Б. Э., Джогин И. Р., Портер К. и др. (2016). Автоматизированный конвейер с открытым исходным кодом для массового производства цифровых моделей рельефа (ЦМР) из коммерческих стерео спутниковых изображений очень высокого разрешения. ISPRS J. Фотограмм. Дистанционный датчик 116, 101–117. doi: 10.1016/j.isprsjprs.2016.03.012

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сикарт Дж. Э., Хок Р. и Сикс Д. (2008). Таяние ледников, температура воздуха и энергетический баланс в различных климатических условиях: боливийских тропиках, французских Альпах, северной Швеции. Ж. Геофиз. Рез . 113, 1–11. doi: 10.1029/2008jd010406 ​​

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Уильямс, Л. Д., Барри, Р. Г., и Эндрюс, Дж. Т. (1972). Применение рассчитанной глобальной радиации для областей с высоким рельефом. J. Appl. метеорол. 11, 526–533. doi: 10.1175/1520-04501972011<0526:aocgrf<2.0.co;2

CrossRef Full Text | Google Scholar

Ву С., Вэнь Дж., Ю Д., Чжан Х., Сяо К. и Лю К. (2019). Исправление к «алгоритмам расчета топографических параметров и их неопределенностей при оценке солнечного излучения на нисходящей поверхности» [17 августа 1149-1153]. IEEE Geosci. Письмо о дистанционных датчиках. 16, 160–160. дои: 10.1109/lgrs.2018.2868526

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Биологические эффекты и механизмы коротковолнового излучения: обзор

1. Costa FP, de Oliveira AC, Meirelles R, Machado MC, Zanesco T, Surjan R, et al. Лечение распространенной гепатоцеллюлярной карциномы очень низкими уровнями амплитудно-модулированных электромагнитных полей. Бр Дж Рак. 2011;105(5):640–648. doi: 10.1038/bjc.2011.292. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

2. Munabi NCO, Wu JK, Taylor EM, Ascherman JA, Pilla AA, Rohde CH. PEMF модулирует цитокины в раневой среде, чтобы уменьшить послеоперационное воспаление: применение для аутологичной реконструкции молочной железы. Plast Reconstr Surg. 2015; 135 (Приложение 5): 42. дои: 10.1097/01.прс.0000465497.99530.7с. [CrossRef] [Google Scholar]

3. Rohde C, Chiang A, Adipoju O, Casper D, Pilla AA. Влияние импульсных электромагнитных полей на интерлейкин-1β и послеоперационную боль: двойное слепое плацебо-контролируемое пилотное исследование у пациентов с уменьшением груди. Plast Reconstr Surg. 2010;125(6):1620–1629. doi: 10.1097/PRS.0b013e3181c9f6d3. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

4. Балагуру С., Уппал Р., Вайд Р.П., Кумар Б.П. Исследование спинного мозга как естественной рецепторной антенны для падающих электромагнитных волн и возможного воздействия на центральную нервную систему. Электромагн Биол Мед. 2012;31(2):101–111. дои: 10.3109/15368378.2011.624653. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

5. Kim DH, Lavoie A, Ratte G, Beaumont C, Germain L, Laouche D. Влияние радиочастоты 27 МГц на волосяные фолликулы: гистологическая оценка кожи, обработанной ex vivo . Дерматол Хирург. 2015;41(4):466–472. doi: 10.1097/DSS.0000000000000324. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

6. Тайнс Т., Ханневик М., Андерсен А., Вистнес А.И., Халдорсен Т. Заболеваемость раком молочной железы у норвежских женщин-радио- и телеграфисток. Рак вызывает контроль. 1996;7(2):197–204. doi: 10.1007/BF00051295. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

7. Бухтияров И.В., Рубцова Н.Б., Пальцев Ю.П., Походзей Л.В., Перов С.Ю. Электромагнитное поле как фактор риска для здоровья человека: обеспечение безопасности ЭМП путем гигиенического нормирования. ПИРС Труды. 2013; 2013: 1077–1081. [Google Scholar]

8. Demers P, Findlay R, Foster K, Bryan Kolb FRSC, Moulder J, Nicol AM, et al. Обзор кодекса безопасности 6 (2013 г.): ограничения безопасности Министерства здравоохранения Канады для воздействия радиочастотных полей. R Soc Can. 2014; https://rsc-src.ca/sites/default/files/pdf/SC6_Report_Formatted_1.pdf

9. Jimenez H, Zimmerman JW, D’Agostino R, Yi X, Brezovich I, Wang M, et al. Антипролиферативные эффекты радиочастотного ЭМП, модулированного по амплитуде на опухолеспецифических частотах и ​​опосредованного кальцием. Дж. Клин Онкол. 2015;33(15):11079. [Google Scholar]

10. Zimmerman JW, Pennison MJ, Brezovich I, Yi N, Yang CT, Ramaker R, et al. Пролиферация раковых клеток подавляется специфическими частотами модуляции. Бр Дж Рак. 2012;106(2):307–313. doi: 10.1038/bjc.2011.523. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

11. Керли С.А., Палалон Ф., Лу Х., Кошкина Н.В. Влияние неинвазивной радиочастотной терапии на митохондрии раковых клеток поджелудочной железы. Рак. 2014;120(21):3418–3425. doi: 10.1002/cncr.28895. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

12. Ware MJ, Tinger S, Colbert KL, Corr SJ, Rees P, Koshkina N, et al. Радиочастотное лечение изменяет фенотип раковых клеток. Научный доклад 2015; 5:12083. doi: 10.1038/srep12083. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

13. Рауф М., Сиснерос Б.Т., Корр С.Дж., Палалон Ф., Керли С.А., Кошкина Н.В. Опухолеселективная гипертермия, индуцированная коротковолновыми емкостно-связанными радиочастотными электрическими полями. ПЛОС Один. 2013;8(7):e68506. doi: 10.1371/journal.pone.0068506. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

14. Керли С.А., Палалон Ф., Сандерс К.Е., Кошкина Н.В. Влияние неинвазивной радиочастотной терапии и гипертермии на злокачественные и незлокачественные клетки. Общественное здравоохранение Int J Environ Res. 2014;11(9): 9142–9153. doi: 10.3390/ijerph2102. [PMC бесплатная статья] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

15. Штраух Б., Патель М.К., Наварро Дж.А., Бердичевский М., Ю.Х.Л., Пилла А.А. Импульсные магнитные поля ускоряют заживление кожных ран у крыс. Plast Reconstr Surg. 2007;120(2):425–430. doi: 10.1097/01.prs.0000267700.15452.d0. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

16. Кубат Н.Дж., Моффет Дж., Фрай Л.М. Влияние обработки импульсным электромагнитным полем на запрограммированное разрешение маркеров пути воспаления в клетках человека в культуре. Дж. Инфламм Рез. 2015;8:59–69. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]

17. Rasouli J, Lekhraj R, White NM, Flamm ES, Pilla AA, Strauch B, et al. Ослабление интерлейкина-1бета импульсными электромагнитными полями после черепно-мозговой травмы. Нейроски Летт. 2012;519(1):4–8. doi: 10.1016/j.neulet.2012.03.089. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

18. Rawe IM, Lowenstein A, Barcelo CR, Genecov DG. Контроль послеоперационной боли с помощью носимого устройства непрерывного действия с импульсной радиочастотной энергией. Предварительное исследование. Эстет Пласт Сур. 2012;36(2):458–463. doi: 10.1007/s00266-011-9828-3. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

19. Foley-Nolan D, Barry C, Coughlan RJ, Roden D. Импульсная высокочастотная (27 МГц) электромагнитная терапия при стойкой боли в шее. Двойное слепое плацебо-контролируемое исследование с участием 20 пациентов. Ортопедия. 1990;13(4):445–451. [PubMed] [Google Scholar]

20. Mayrovitz HN, Larsen PB. Предварительное исследование для оценки влияния лечения импульсным радиочастотным полем на микроциркуляцию вокруг язвы кожи нижних конечностей у пациентов с диабетом. Раны. 1995;7(3):90–93. [Google Scholar]

21. van Rongen E, Croft R, Juutilainen J, Lagroye I, Miyakoshi J, Saunders R, et al. Воздействие радиочастотных электромагнитных полей на нервную систему человека. J Toxicol Environ Health B Crit Rev. 2009;12(8):572–597. doi: 10.1080/109374008940. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

22. Takashima S, Onaral B, Schwan HP. Влияние модулированной радиочастотной энергии на ЭЭГ мозга млекопитающих. Radiat Environ Biophys. 1979;16(1):15–27. дои: 10.1007/BF01326893. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

23. Wang XQ, Liang XY, Xiao MH. Влияние высокочастотного электромагнитного излучения на мозговые волны рабочего. Occuo Health Emerg Rescue. 2011;29(1):29–31. [Google Scholar]

24. Altpeter ES, Roosli M, Battaglia M, Pfluger D, Minder CE, Abelin T. Влияние коротковолновых (6–22 МГц) магнитных полей на качество сна и цикл мелатонина у людей: исследование Шварценбурга. закрытое исследование. Биоэлектромагнетизм. 2006;27(2):142–150. doi: 10.1002/bem.20183. [PubMed] [CrossRef] [Академия Google]

25. Цао Г.Ф., Тонг Дж., Ван Дж., Лю К., Джин Ю.Л. Исследование влияния слабого радиочастотного электромагнитного поля на нейроповедение человека и мышей. Ind Health Occup Dis. 2004;30(3):135–137. [Google Scholar]

26. Гамбургер С., Лог Дж. Н., Сильверман П. М. Профессиональное воздействие неионизирующего излучения и связь с сердечными заболеваниями: предварительное исследование. J хронический дис. 1983;36(11):791–802. doi: 10.1016/0021-9681(83)-1. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

27. Вангелова К., Деянов С., Исраэль М. Риск сердечно-сосудистых заболеваний у операторов при воздействии радиочастотного электромагнитного излучения. Int J Hyg Environ Health. 2006;209(2): 133–138. doi: 10.1016/j.ijheh.2005.09.008. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

28. Fang Q, Mahmoud SS, Yan J, Li H. Исследование влияния импульсных электромагнитных полей крайне низкой частоты на электрокардиограммы человека (ЭКГ) Int J Environ Res Public Health . 2016;13(11):1171. doi: 10.3390/ijerph23111171. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

29. Chen CD. Влияние электрокардиограммы рабочих, подвергавшихся длительному воздействию электромагнитного поля средней высокой частоты. Занимайте здоровье. 2000;16(7):3–4. [Академия Google]

30. Ke WQ, Chu XQ, Li ZJ, Li ZN, Le XH, Zhou HY и др. Влияние электромагнитного излучения на судах на здоровье и работоспособность экипажа. Chin J Naut Med Hyperbar Med. 2007;14(1):3–7. [Google Scholar]

31. Chen Q, Xu G, Lang L, Yang A, Li S, Yang L, et al. Изменения ЭКГ у заводских рабочих, подвергшихся воздействию радиочастотного излучения 27,2 МГц. Биоэлектромагнетизм. 2013;34(4):285–290. doi: 10.1002/bem.21771. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

32. Ларсен А.И., Олсен Дж., Свейн О. Гендерные репродуктивные результаты и воздействие высокочастотного электромагнитного излучения среди физиотерапевтов. Scand J Work Environment Health. 1991;17(5):324–329. doi: 10.5271/sjweh.1695. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

33. Oliveira ABD, Lessa RA, dos Santos CA, Silva RESD, Alonso AC, Speciali DS, et al. Воздействие коротковолнового электромагнитного атеплового излучения на беременных крыс не оказывает неблагоприятного воздействия на их плод. Мед Экспресс. 2015;2(2):1–4. doi: 10.5935/MedicalExpress.2015.02.05. [CrossRef] [Google Scholar]

34. Brown-Woodman PDC, Hadley JA, Richardson L, Bright D, Porter D. Оценка репродуктивной функции самок крыс, подвергшихся воздействию радиочастотных полей (27,12 МГц) вблизи коротковолнового диатермического устройства. Здоровье физ. 1989;56(4):521–525. doi: 10.1097/00004032-1980-00013. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

35. Lary JM, Conover DL, Johnson PH, Hornung RW. Зависимость доза-реакция между температурой тела и врожденными дефектами у крыс, облученных радиочастотами. Биоэлектромагнетизм. 1986;7(2):141–149. doi: 10.1002/bem.2250070205. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

36. Ding XP, Yan SW, Zhang N. Влияние коротковолнового излучения на мужскую репродуктивную функцию, оцененное с помощью анализа разрыва цепи ДНК. Ind Hlth Occup Dis. 2002;28(2):74–76. [Академия Google]

37. Вангелова К., Исраэль М., Велькова Д., Иванова М. Изменения показателей экскреции гормонов стресса у медицинского персонала при воздействии электромагнитного излучения. Эколог. 2007;27(4):551–555. doi: 10.1007/s10669-007-9063-2. [CrossRef] [Google Scholar]

38. Sarookhani MR, Rezaei MA, Safari A, Zarushani V, Ziaeiha M. Влияние магнитного поля 950 МГц (излучение мобильного телефона) на половые органы и функции надпочечников самцов кроликов. Afr J Biochem Res. 2010;5(2):77–80. [Академия Google]

39. Старк К.Д., Кребс Т., Альтпетер Э., Манц Б., Гриот С., Абелин Т. Отсутствие хронического эффекта воздействия коротковолнового радиосигнала на концентрацию мелатонина в слюне молочного скота. J Шишковидная рез. 1997;22(4):171–176. doi: 10.1111/j.1600-079X.1997.tb00320.x. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

40. Габриэла Д., Константин С. Биологические эффекты импульсного коротковолнового лечения, экспериментальное исследование. Balneo Res J. 2015;6(1):3–12. doi: 10.12680/balneo.2015.1079. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

41. Pilla A, Fitzsimmons R, Muehsam D, Wu J, Rohde C, Casper D. Электромагнитные поля как первый мессенджер в биологической передаче сигналов: применение к кальмодулин-зависимой передаче сигналов при восстановлении тканей. Биохим Биофиз Акта. 2011;1810(12):1236–1245. doi: 10.1016/j.bbagen.2011.10.001. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

42. Нельсон Ф.Р., Звирбулис Р., Пилла А. А. Неинвазивная терапия электромагнитным полем обеспечивает быстрое и существенное уменьшение боли при раннем остеоартрите коленного сустава: рандомизированное двойное слепое пилотное исследование. Ревматол Интерн. 2013;33(8):2169–2173. doi: 10.1007/s00296-012-2366-8. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

43. Пилла А.А. Электромагнитные поля мгновенно модулируют передачу сигналов оксида азота в биологических системах. Biochem Biophys Res Commun 2012; 426(3): 330-3. [PubMed]

44. Цао Г., Лю Л.М., Клири С.Ф. Изменения клеточного цикла, вызванные изотермическим воздействием радиочастотного излучения 27 МГц. Биоэлектрохим Биоэнергия. 1995;37(2):131–140. doi: 10.1016/0302-4598(95)05022-Z. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

45. Толедо Дж. К., младший, Аугусто О. Связь химических и биологических свойств оксида азота. Хим. Рез. Токсикол. 2012;25(5):975–989. doi: 10.1021/tx300042g. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

46. Oh SJ, Heo JI, Kho YJ, Kim JH, Kang HJ, Park SH и др. Оксид азота является важным медиатором нейрональной дифференцировки первичных кортикальных нейронов крыс. Опыт Нейробиол. 2010;19(2):83–89. doi: 10.5607/en.2010.19.2.83. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

47. Palmi M, Meini A. Роль сигнального пути оксид азота/циклический GMP/Ca ²⁺ в пирогенном эффекте интерлейкина-1β Mol Neurobiol. 2002;25(2):133–147. doi: 10.1385/MN:25:2:133. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

48. Эдмондс Д.Т. Ларморовская прецессия как механизм обнаружения статических и переменных магнитных полей. Биоэлектрохим Биоэнергия. 1993; 30:3–12. doi: 10.1016/0302-4598(93)80057-2. [CrossRef] [Google Scholar]

49. Lekhraj R, Cynamon DE, DeLuca SE, Taub ES, Pilla AA, Casper D. Импульсные электромагнитные поля вызывают рост нейритов в MN9Дофаминергическая клеточная линия D. J Neurosci Res. 2014;92(6):761–771. doi: 10.1002/jnr.23361. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

STAR — Рабочая группа по алгоритму GOES-R — Продукты радиационного баланса

• GOES-R AWG Home
  • Введение GOES-R

• Рабочая группа по алгоритму GOES-R

• Облака, осадки и молнии
  • Изображения облаков и влаги
  • Маска ясного неба
  • Недвижимость в облаке
  • Количество осадков
  • Молния

• Земля и океан
  • Определение характеристик пожаров и горячих точек
  • Температура поверхности земли
  • Температура поверхности моря
  • Дробный снежный покров

• Ветры
  • Производные ветры движения
  • Мониторинг ветровых установок
  • Оценка интенсивности ураганов

• Аэрозоли
  • Обнаружение аэрозолей
  • Оптическая толщина аэрозоля
  • Вулканический пепел

• Атмосферные профили
  • Влажность, температура, стабильность и осадки

• Радиационный бюджет
  • Бюджет коротковолнового излучения

• Отчеты и публикации
  • Теоретические основы алгоритмов Документы
  • Презентации 1-го семинара по валидации
  • Презентации 2-го семинара по валидации
  9Внутренние отчеты AWG 1267
  • Сокращения

Данные и изображения, отображаемые на сайтах STAR предназначены только для экспериментального использования и не официальные рабочие продукты NOAA.

Подробнее>>

Javascript в настоящее время отключен на этот компьютер. Без javascript многие улучшения отображения не работают; однако весь контент должен быть полностью видимым и доступным.

Справочная информация

Солнечное излучение обеспечивает энергию, которая управляет погодой на Земле и климат. Примерно две трети солнечной лучистой энергии, падающей на Земля поглощается, нагревая поверхность Земли до тех пор, пока она не излучает почти столько же энергию обратно в космос, поскольку она поглощает от солнца. Оставшаяся треть от падающая солнечная энергия отражается обратно в космос. Как поглощенный, так и отраженное солнечное излучение находится в коротковолновой части электромагнитного спектра, в то время как излучение Земли, излучаемое обратно в космос, является длинноволновым или тепловое инфракрасное излучение. Баланс между солнечной энергией и тепловой выход известен как радиационный баланс Земли. Это излучение на бюджет влияет характер земной поверхности и ее атмосферы, особенно облака.

Описание продукта

Прибор для измерения отраженного коротковолнового излучения измеряет общее количество коротковолновое излучение, выходящее из Земли через верхние слои атмосферы. Алгоритм будет использовать несколько спектральных каналов как в видимом, так и в инфракрасном диапазоне. спектра для измерения отраженного коротковолнового излучения. Информация из этого продукт обеспечит неотъемлемую часть радиационного баланса Земли, помогая в моделировании и предсказании климата.

Продукт Нисходящее коротковолновое излучение (DSR) является оценкой общего количество коротковолнового излучения (как прямого, так и рассеянного), которое достигает поверхности Земли. поверхность. Алгоритм произведения использует спектральные каналы как в видимом, так и в инфракрасное излучение в дополнение к данным об альбедо и составе атмосферы для расчета нисходящей коротковолновой радиации на поверхности Земли.

Улучшения и преимущества

Алгоритмы коротковолнового излучения имеют множество применений как в общих, так и в прикладных науках. Как один компонентов приземного энергетического баланса, он необходим в исследованиях климата. Используемый вместе со свойствами облаков и аэрозолей, он обеспечивает оценку облачности. и аэрозольное воздействие (форсирование). Он также используется в моделях баланса поверхностной энергии, модели усвоения поверхности земли, такие как те, которые используются в NOAA NCEP, NASA LDAS, и модели ассимиляции океана либо в качестве входных данных (обеспечивающих основанные на наблюдениях принудительный термин) или как независимый источник данных для оценки производительности модели. Данные DSR также используются для оценки компонентов теплового потока над прибрежной зоной. океан для управления моделями циркуляции океана. В сельском хозяйстве DSR используется в качестве сырья. в моделировании урожая. В гидрологии он используется при анализе водоразделов и стоков. что важно для определения рисков наводнений и мониторинга плотин. Солнечная энергетическая отрасль также нуждается в оценках DSR как в реальном времени, так и в краткосрочной перспективе. прогнозы для моделирования и оптимизации энергопотребления зданий. С высокой значения освещенности приводят к высыханию поверхности, DSR также используется для мониторинга пожароопасность.

Как это работает? — Алгоритм

Алгоритм ABI SRB разработан как гибридный алгоритм на основе НАСА Облака и система лучистой энергии Земли (CERES)/поверхностная и атмосферная радиация Алгоритм бюджета (SARB) (Charlock and Alberta, 1996) и алгоритм UMD SRB. (Пинкер и Ласло, 1992). Основным алгоритмом является алгоритм НАСА, который в основном использует продукты ABI (например, альбедо поверхности, оптическую толщину облаков, размер частиц, и высота верха; и оптическую толщину аэрозоля и альбедо однократного рассеяния) для оценки SW течет в прямом расчете, поэтому его называют «прямым путем». Когда эти продукты ABI, используемые в качестве входных данных, недоступны, алгоритм переключается на соответствующим образом модифицированная версия алгоритма UMD, разработанная в NOAA/NESDIS/STAR выполнить поиск потока SW. Последний алгоритм, являясь схемой обращения в природе называется «косвенный путь». Для этого пути требуется наблюдаемый канал ABI отражательная способность в качестве основных входных данных с минимальной зависимостью от производных продуктов уровня 2 ABI. Он использует альбедо КВ широкополосного КВ, оцененное по спектральному преобразованию NTB и угловая поправка для оценки коэффициента пропускания атмосферы. Хотя они оценивают потоки в разных схемах, оба пути используют одну и ту же справочную таблицу для выполнения поиск потока.

Пример продукта Нисходящее коротковолновое излучение (на поверхности) как генерируется алгоритмом нисходящего коротковолнового излучения GOES-R с использованием Meteosat-8/SEVIRI данные на 15 января 2006 г., 12:00 UTC.

Все ATBD см. на странице GOES-R ATBD.

Как результаты сравниваются с существующими данными? — Калибровка и проверка

Алгоритм ABI SW RB извлекает нисходящее коротковолновое излучение: поверхность (DSR) и отраженное коротковолновое излучение: TOA (RSR) от других продуктов ABI (облако, аэрозоль, альбедо поверхности, озон и водяной пар) или из выбранного ЛПИ Коэффициенты отражения SW-канала, когда необходимые продукты ABI (облако, аэрозоль и альбедо поверхности) недоступны. Поскольку не все входные данные являются базовыми продукты, последний, алгоритм непрямого пути для потока излучения СВ будет использовал. Следовательно, последующее обсуждение проверки относится к косвенному алгоритму.

Валидация продуктов радиационного потока СВ включает сравнение полученные со спутника потоки с эталонными («истинными») значениями. Ссылка на TOA является более или менее прямым измерением RSR от независимого спутниковый источник. На поверхности источниками справочных данных являются различные сети радиометров, которые измеряют суммарное излучение КВ, достигающее поверхности и его прямая и диффузная составляющие.

Одновременно будут собираться данные VIIRS и CERES на платформах JPSS и ABI. Алгоритм ABI будет запущен со всеми тремя типами данных, и результаты будут сравнивать друг с другом и с наземными данными. Запуск алгоритма с Данные VIIRS (аналогичны MODIS) и CERES помогут связать предстартовую валидация на этапе после запуска относительно быстро без необходимость ожидания сбора долгосрочных данных. Было продемонстрировано что MODIS (VIIRS) и CERES охватывают широкий спектр солнечных и спутниковых геометрия. Сбор наземных данных DSR дополнительно решает вопросы ограниченный период времени для полярно-орбитальных спутников.

Также доступна более техническая презентация проверки (PDF, 14,22 МБ).

 

Недостающая часть климатической головоломки | Новости Массачусетского технологического института

В классах и в повседневных разговорах объяснения глобального потепления зависят от эффекта парниковых газов. Короче говоря, климат зависит от баланса между двумя разными видами излучения: Земля поглощает поступающий видимый свет от Солнца, называемый «коротковолновым излучением», и излучает инфракрасный свет, или «длинноволновое излучение», в космос.

Этот энергетический баланс нарушается повышением уровня парниковых газов, таких как двуокись углерода (CO ₂ ), которые все больше поглощают часть исходящего длинноволнового излучения и удерживают его в атмосфере. Энергия накапливается в климатической системе, происходит потепление. Но в статье, опубликованной на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences , исследователи Массачусетского технологического института показывают, что этот канонический взгляд на глобальное потепление — это только половина истории.

В компьютерном моделировании климата Земли при повышении уровня СО ₂ концентрации парниковый эффект действительно приводит к глобальному потеплению. Однако происходит нечто загадочное: хотя можно было бы ожидать, что длинноволновое излучение, уходящее в космос, будет снижаться с увеличением CO ₂ , на самом деле его количество начинает расти. В то же время атмосфера поглощает все больше и больше поступающей солнечной радиации; именно это усиленное поглощение коротких волн в конечном итоге поддерживает глобальное потепление.

«Это открытие было любопытным, противоречащим базовым представлениям о глобальном потеплении», — говорит ведущий автор Аарон Донохью, бывший постдоктор Массачусетского технологического института, а ныне научный сотрудник Лаборатории прикладной физики Вашингтонского университета. «Это заставило нас подумать, что должно быть что-то действительно странное в моделях после CO 9.0473 2 добавлен. Мы хотели разрешить парадокс, согласно которому климатические модели показывают потепление за счет усиления коротковолнового излучения, а не уменьшения длинноволнового излучения».

Донохью вместе с постдоком Массачусетского технологического института Кайлом Армором и другими в Вашингтоне провел много поздних ночей, выдвигая предположения о том, почему климатические модели приводят к этому нелогичному выводу, прежде чем понял, что это имеет смысл — но по причинам, которые никто не прояснил и не изложил. в литературе.

Они нашли ответ, используя как компьютерное моделирование, так и простую модель энергетического баланса. Поскольку длинноволновое излучение захватывается CO ₂ Земля начинает нагреваться, воздействуя на различные части климатической системы. Морской лед и снежный покров тают, превращая блестящие белые отражатели солнечного света в более темные пятна. Атмосфера становится более влажной, потому что более теплый воздух может содержать больше водяного пара, который поглощает больше коротковолнового излучения. Обе эти обратные связи уменьшают количество коротковолнового излучения, которое отражается обратно в космос, и планета быстро нагревается на поверхности.

В то же время, как и любое физическое тело, испытывающее потепление, Земля более эффективно излучает длинноволновое излучение, компенсируя длинноволновое улавливание CO ₂ . Однако более темная Земля теперь поглощает больше солнечного света, склоняя чашу весов к чистому потеплению от коротковолнового излучения.

«Итак, есть два типа радиации, важных для климата, и на один из них влияет CO ₂ , а другой напрямую влияет на глобальное потепление — это удивительно», — говорит Армор, постдоктор. на факультете наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института.

В реальном мире аэрозоли в загрязнении воздуха отражают большую часть солнечного света, поэтому Земля не испытала такого сильного нагревания от коротковолнового солнечного излучения, как могла бы в противном случае. Но авторы подсчитали, что к середине века произойдет достаточное потепление, чтобы переключить основной фактор глобального потепления на увеличение поглощения солнечной радиации.

Статья не ставит под сомнение физику климатических моделей; его ценность заключается в том, чтобы помочь сообществу интерпретировать их результаты. «Хотя это исследование не меняет нашего понимания основ глобального потепления, всегда полезно иметь более простые модели, которые помогают нам понять, почему наши более полные климатические модели иногда ведут себя внешне нелогичным образом», — говорит Исаак Хелд, старший научный сотрудник Лаборатория геофизической гидродинамики NOAA, которая не участвовала в этом исследовании.

Одним из способов, которым исследование может быть полезным, является определение того, что исследователи ищут в спутниковых наблюдениях радиационного баланса Земли, поскольку они отслеживают антропогенное изменение климата в ближайшие десятилетия. «Я думаю, что по умолчанию исходное длинноволновое излучение будет уменьшаться по мере роста выбросов парниковых газов, но этого, вероятно, не произойдет», — говорит Донохью.