Атмосферная радиация и энергетический баланс
Как солнечное и земное излучение распространяется, поглощается, испускается и рассеивается в атмосфере, устанавливая планетарный энергетический баланс Земли.
Definition
Атмосферная радиация и энергетический баланс — это исследование электромагнитного излучения в атмосфере и результирующих потоков энергии, которые определяют температурную структуру системы Земля-атмосфера.
Scope
Эта область охватывает перенос коротковолнового (солнечного) и длинноволнового (земного) излучения через атмосферу, поглощение и испускание излучения газами, облаками и аэрозолями, распределение поступающей солнечной энергии между отражением, поглощением и нагревом поверхности, а также удержание длинноволнового излучения, которое создает парниковый эффект. Она связывает микрофизику молекулярных и частичных взаимодействий с излучением с макроскопическим энергетическим бюджетом на верхней границе атмосферы, который управляет климатом.
Sub-topics
Core questions
- Как солнечное излучение поглощается, рассеивается и отражается при прохождении через атмосферу?
- Что контролирует испускание длинноволнового излучения в космос и обратно к поверхности?
- Почему поверхность Земли теплее, чем предсказывала бы ее равновесная радиационная температура?
- Как небольшие изменения в составе атмосферы нарушают планетарный энергетический баланс?
Key theories
- Теория переноса излучения
- Формальное описание, посредством уравнения переноса излучения, того, как интенсивность излучения изменяется вдоль пути через поглощающую, излучающую и рассеивающую среду; основа для всех количественных расчетов атмосферного излучения.
- Планетарный энергетический баланс
- Принцип, согласно которому в состоянии равновесия поглощенная солнечная радиация равна исходящему длинноволновому излучению, поэтому чистый поток на верхней границе атмосферы ограничивает глобальную среднюю температуру.
Mechanisms
Поступающая солнечная радиация достигает пика в видимом диапазоне; около 30% отражается (планетарное альбедо), а остальная часть поглощается поверхностью и атмосферой. Нагретая поверхность и атмосфера испускают длинноволновое излучение в соответствии с законом Планка, модифицированным коэффициентом излучения; парниковые газы поглощают и переизлучают это длинноволновое излучение, уменьшая чистые потери в космос и повышая температуру поверхности. Баланс описывается уравнением переноса излучения, объединяющим поглощение по закону Бугера-Ламберта с термическим излучением и членами источника рассеяния.
Clinical relevance
Количественная оценка радиационных потоков лежит в основе климатического моделирования, дистанционного зондирования для определения температуры и состава, оценки ресурсов солнечной энергии и определения радиационного воздействия, используемого в оценках климатической политики.
History
Радиационная основа атмосферного потепления была изложена Жозефом Фурье и количественно определена измерениями поглощения газов Джоном Тиндалем и расчетами углекислого газа Сванте Аррениусом в 1896 году. Чандрасекар формализовал теорию переноса излучения в середине XX века, а измерения спутниковой эры с 1980-х годов ограничили энергетический бюджет Земли до нескольких ватт на квадратный метр.
Key figures
- Svante Arrhenius
- Subrahmanyan Chandrasekhar
- Kevin Trenberth
Related topics
Seminal works
- trenberth2009
- liou2002
- wallaceHobbs2006
Frequently asked questions
- В чем разница между коротковолновым и длинноволновым излучением?
- Коротковолновое излучение — это солнечная энергия, получаемая Землей, сконцентрированная в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах; длинноволновое излучение — это тепловое инфракрасное излучение, испускаемое более холодной Землей и атмосферой. Атмосфера в значительной степени прозрачна для коротковолнового излучения, но сильно поглощает длинноволновое.
- Почему Земля теплее, чем предсказывает простой радиационный баланс?
- Парниковые газы поглощают исходящее длинноволновое излучение и переизлучают его часть обратно к поверхности, поэтому поверхность должна быть теплее эффективной излучающей температуры планеты, чтобы сбалансировать энергетический бюджет.