الإشعاع الجوي وميزان الطاقة
كيف ينتشر الإشعاع الشمسي والأرضي عبر الغلاف الجوي، ويمتصه الغلاف الجوي ويبعثه ويتشتت فيه، مما يحدد ميزان الطاقة الكوكبي للأرض.
Definition
الإشعاع الجوي وميزان الطاقة هو دراسة الإشعاع الكهرومغناطيسي في الغلاف الجوي وتدفقات الطاقة الناتجة التي تحدد البنية الحرارية لنظام الأرض والغلاف الجوي.
Scope
يغطي هذا المجال انتقال الإشعاع قصير الموجة (الشمسي) وطويل الموجة (الأرضي) عبر الغلاف الجوي، وامتصاص وبعث الإشعاع بواسطة الغازات والسحب والهباء الجوي، وتقسيم الطاقة الشمسية الواردة بين الانعكاس والامتصاص وتسخين السطح، والاحتجاز طويل الموجة الذي ينتج عنه تأثير الاحتباس الحراري. ويربط هذا المجال الفيزياء الدقيقة للتفاعلات الجزيئية والجسيمية مع الإشعاع بميزانية الطاقة الكلية في الجزء العلوي من الغلاف الجوي التي تدفع المناخ.
Sub-topics
Core questions
- كيف يتم امتصاص الإشعاع الشمسي وتشتيته وانعكاسه أثناء مروره عبر الغلاف الجوي؟
- ما الذي يتحكم في انبعاث الإشعاع طويل الموجة إلى الفضاء والعودة نحو السطح؟
- لماذا سطح الأرض أكثر دفئًا مما تتنبأ به درجة حرارة توازنه الإشعاعي؟
- كيف تؤثر التغيرات الصغيرة في التركيب الجوي على ميزان الطاقة الكوكبي؟
Key theories
- نظرية انتقال الإشعاع
- وصف رسمي، عبر معادلة انتقال الإشعاع، لكيفية تغير شدة الإشعاع على طول مسار عبر وسط ماص وبعث ومشتت؛ وهو الأساس لجميع حسابات الإشعاع الجوي الكمية.
- ميزان الطاقة الكوكبي
- المبدأ القائل بأنه، عند التوازن، يساوي الإشعاع الشمسي الممتص الإشعاع طويل الموجة الصادر، وبالتالي فإن صافي التدفق في الجزء العلوي من الغلاف الجوي يحد من متوسط درجة الحرارة العالمية.
Mechanisms
يبلغ الإشعاع الشمسي الوارد ذروته في الطيف المرئي؛ ينعكس حوالي 30% منه (البياض الكوكبي) ويمتص السطح والغلاف الجوي الباقي. يبعث السطح والغلاف الجوي الدافئان إشعاعًا طويل الموجة وفقًا لقانون بلانك المعدل بالانبعاثية؛ تمتص غازات الاحتباس الحراري هذا الإشعاع طويل الموجة وتعيد إصداره، مما يقلل من صافي الفقد إلى الفضاء ويرفع درجة حرارة السطح. يوصف التوازن بمعادلة انتقال الإشعاع التي تجمع بين امتصاص بير-لامبرت مع الانبعاث الحراري ومصطلحات مصدر التشتت.
Clinical relevance
يعد تحديد التدفقات الإشعاعية أساسًا لنمذجة المناخ، واسترجاع درجات الحرارة والتركيب عن بعد، وتقييم موارد الطاقة الشمسية، وتحديد التأثير الإشعاعي المستخدم في تقييمات السياسات المناخية.
History
تم تحديد الأساس الإشعاعي للاحترار الجوي بواسطة جوزيف فورييه وتم قياسه بواسطة قياسات جون تيندال لامتصاص الغازات وحساب سفانتي أرهينيوس لثاني أكسيد الكربون عام 1896. قام تشاندراسيخار بصياغة نظرية انتقال الإشعاع في منتصف القرن العشرين، وقد حددت قياسات عصر الأقمار الصناعية منذ الثمانينيات ميزانية طاقة الأرض بدقة تصل إلى بضعة واط لكل متر مربع.
Key figures
- Svante Arrhenius
- Subrahmanyan Chandrasekhar
- Kevin Trenberth
Related topics
Seminal works
- trenberth2009
- liou2002
- wallaceHobbs2006
Frequently asked questions
- ما الفرق بين الإشعاع قصير الموجة والإشعاع طويل الموجة؟
- الإشعاع قصير الموجة هو الطاقة الشمسية التي تتلقاها الأرض، وتتركز في الأطوال الموجية المرئية والقريبة من الأشعة تحت الحمراء؛ والإشعاع طويل الموجة هو الأشعة تحت الحمراء الحرارية المنبعثة من الأرض والغلاف الجوي الأكثر برودة. الغلاف الجوي شفاف إلى حد كبير للإشعاع قصير الموجة ولكنه يمتص الإشعاع طويل الموجة بقوة.
- لماذا الأرض أكثر دفئًا مما يتنبأ به توازن إشعاعي بسيط؟
- تمتص غازات الاحتباس الحراري الإشعاع طويل الموجة الصادر وتعيد إطلاق جزء منه نحو السطح، لذلك يجب أن يكون السطح أكثر دفئًا من درجة حرارة الإشعاع الفعالة للكوكب لتحقيق توازن في ميزانية الطاقة.