การแผ่รังสีในบรรยากาศและสมดุลพลังงาน
การแผ่รังสีจากดวงอาทิตย์และจากโลกแพร่กระจายผ่าน ถูกดูดซับและปล่อยออกมาจาก และกระจัดกระจายภายในชั้นบรรยากาศ ซึ่งเป็นตัวกำหนดสมดุลพลังงานของดาวเคราะห์โลก
Definition
การแผ่รังสีในบรรยากาศและสมดุลพลังงานคือการศึกษาการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในชั้นบรรยากาศ และการไหลของพลังงานที่เกิดขึ้นซึ่งเป็นตัวกำหนดโครงสร้างอุณหภูมิของระบบโลก-บรรยากาศ
Scope
สาขาวิชานี้ครอบคลุมการถ่ายโอนรังสีคลื่นสั้น (จากดวงอาทิตย์) และรังสีคลื่นยาว (จากโลก) ผ่านชั้นบรรยากาศ การดูดซับและการปล่อยรังสีโดยก๊าซ เมฆ และละอองลอย การแบ่งสัดส่วนของพลังงานแสงอาทิตย์ที่เข้ามาในส่วนของการสะท้อน การดูดซับ และการให้ความร้อนแก่พื้นผิว และการกักเก็บคลื่นยาวที่ทำให้เกิดปรากฏการณ์เรือนกระจก ซึ่งเชื่อมโยงจุลฟิสิกส์ของปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลและอนุภาคกับการแผ่รังสีเข้ากับงบประมาณพลังงานมหภาคที่ส่วนบนของชั้นบรรยากาศซึ่งเป็นตัวขับเคลื่อนสภาพภูมิอากาศ
Sub-topics
Core questions
- รังสีดวงอาทิตย์ถูกดูดซับ กระจัดกระจาย และสะท้อนกลับอย่างไรเมื่อผ่านชั้นบรรยากาศ?
- อะไรเป็นตัวควบคุมการปล่อยรังสีคลื่นยาวสู่อวกาศและกลับสู่พื้นผิว?
- เหตุใดพื้นผิวโลกจึงอุ่นกว่าที่อุณหภูมิสมดุลการแผ่รังสีจะคาดการณ์ไว้?
- การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในองค์ประกอบของบรรยากาศรบกวนสมดุลพลังงานของดาวเคราะห์ได้อย่างไร?
Key theories
- ทฤษฎีการถ่ายโอนรังสี
- คำอธิบายอย่างเป็นทางการผ่านสมการการถ่ายโอนรังสีว่าความเข้มของการแผ่รังสีเปลี่ยนแปลงไปตามเส้นทางผ่านตัวกลางที่ดูดซับ ปล่อย และกระเจิงได้อย่างไร ซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับการคำนวณการแผ่รังสีในบรรยากาศเชิงปริมาณทั้งหมด
- สมดุลพลังงานของดาวเคราะห์
- หลักการที่ว่า ณ จุดสมดุล รังสีดวงอาทิตย์ที่ถูกดูดซับจะเท่ากับรังสีคลื่นยาวที่ปล่อยออกไป ดังนั้นฟลักซ์สุทธิที่ส่วนบนของชั้นบรรยากาศจึงจำกัดอุณหภูมิเฉลี่ยทั่วโลก
Mechanisms
รังสีดวงอาทิตย์ที่เข้ามามีค่าสูงสุดในช่วงแสงที่มองเห็นได้ ประมาณ 30% ถูกสะท้อนกลับ (ค่าอัลบีโดของดาวเคราะห์) และส่วนที่เหลือถูกดูดซับโดยพื้นผิวและชั้นบรรยากาศ พื้นผิวและชั้นบรรยากาศที่อุ่นขึ้นจะปล่อยรังสีคลื่นยาวตามกฎของพลังค์ที่ปรับเปลี่ยนโดยค่าการแผ่รังสี ก๊าซเรือนกระจกจะดูดซับและปล่อยรังสีคลื่นยาวนี้ซ้ำ ลดการสูญเสียสุทธิสู่อวกาศและเพิ่มอุณหภูมิพื้นผิว สมดุลนี้อธิบายโดยสมการการถ่ายโอนรังสีที่รวมการดูดซับแบบเบียร์-แลมเบิร์ตเข้ากับการปล่อยความร้อนและเทอมแหล่งกำเนิดการกระเจิง
Clinical relevance
การหาปริมาณฟลักซ์รังสีเป็นพื้นฐานของการสร้างแบบจำลองสภาพภูมิอากาศ การตรวจวัดอุณหภูมิและองค์ประกอบจากระยะไกล การประเมินทรัพยากรพลังงานแสงอาทิตย์ และการกำหนดแรงบังคับการแผ่รังสีที่ใช้ในการประเมินนโยบายสภาพภูมิอากาศ
History
พื้นฐานการแผ่รังสีของการอุ่นขึ้นของบรรยากาศถูกอธิบายโดย Joseph Fourier และถูกหาปริมาณโดยการวัดการดูดซับก๊าซของ John Tyndall และการคำนวณคาร์บอนไดออกไซด์ในปี 1896 ของ Svante Arrhenius Chandrasekhar ได้วางรากฐานทฤษฎีการถ่ายโอนรังสีในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 และการวัดในยุคดาวเทียมตั้งแต่ทศวรรษ 1980 ได้จำกัดงบประมาณพลังงานของโลกให้อยู่ภายในไม่กี่วัตต์ต่อตารางเมตร
Key figures
- Svante Arrhenius
- Subrahmanyan Chandrasekhar
- Kevin Trenberth
Related topics
Seminal works
- trenberth2009
- liou2002
- wallaceHobbs2006
Frequently asked questions
- ความแตกต่างระหว่างรังสีคลื่นสั้นและรังสีคลื่นยาวคืออะไร?
- รังสีคลื่นสั้นคือพลังงานแสงอาทิตย์ที่โลกได้รับ ซึ่งมีความเข้มข้นในช่วงความยาวคลื่นที่มองเห็นได้และใกล้รังสีอินฟราเรด ส่วนรังสีคลื่นยาวคือรังสีอินฟราเรดความร้อนที่ปล่อยออกมาจากโลกและชั้นบรรยากาศที่เย็นกว่า ชั้นบรรยากาศส่วนใหญ่โปร่งใสต่อรังสีคลื่นสั้น แต่ดูดซับรังสีคลื่นยาวได้ดี
- เหตุใดโลกจึงอุ่นกว่าที่สมดุลการแผ่รังสีแบบง่ายๆ จะคาดการณ์ไว้?
- ก๊าซเรือนกระจกดูดซับรังสีคลื่นยาวที่ปล่อยออกไปและปล่อยส่วนหนึ่งกลับสู่พื้นผิว ดังนั้นพื้นผิวจึงต้องอุ่นกว่าอุณหภูมิการแผ่รังสีที่มีประสิทธิภาพของดาวเคราะห์เพื่อรักษาสมดุลพลังงาน