Bức xạ khí quyển và Cân bằng năng lượng
Cách bức xạ mặt trời và bức xạ từ Trái Đất truyền qua, được hấp thụ và phát ra bởi, và bị tán xạ trong khí quyển, thiết lập cân bằng năng lượng hành tinh của Trái Đất.
Definition
Bức xạ khí quyển và cân bằng năng lượng là nghiên cứu về bức xạ điện từ trong khí quyển và các dòng năng lượng phát sinh, những yếu tố quyết định cấu trúc nhiệt độ của hệ thống Trái Đất-khí quyển.
Scope
Lĩnh vực này bao gồm sự truyền bức xạ sóng ngắn (mặt trời) và sóng dài (từ Trái Đất) qua khí quyển, sự hấp thụ và phát xạ bức xạ bởi khí, mây và sol khí, sự phân chia năng lượng mặt trời đến giữa phản xạ, hấp thụ và làm nóng bề mặt, và sự giữ nhiệt sóng dài tạo ra hiệu ứng nhà kính. Nó liên kết vi vật lý của tương tác phân tử và hạt với bức xạ với cân bằng năng lượng vĩ mô ở đỉnh khí quyển, yếu tố thúc đẩy khí hậu.
Sub-topics
Core questions
- Bức xạ mặt trời được hấp thụ, tán xạ và phản xạ như thế nào khi nó đi qua khí quyển?
- Yếu tố nào kiểm soát sự phát xạ bức xạ sóng dài vào không gian và trở lại bề mặt?
- Tại sao bề mặt Trái Đất ấm hơn so với dự đoán của nhiệt độ cân bằng bức xạ của nó?
- Những thay đổi nhỏ trong thành phần khí quyển làm xáo trộn cân bằng năng lượng hành tinh như thế nào?
Key theories
- Lý thuyết truyền bức xạ
- Một mô tả chính thức, thông qua phương trình truyền bức xạ, về cách cường độ bức xạ thay đổi dọc theo một đường đi qua một môi trường hấp thụ, phát xạ và tán xạ; là cơ sở cho tất cả các tính toán bức xạ khí quyển định lượng.
- Cân bằng năng lượng hành tinh
- Nguyên tắc rằng, ở trạng thái cân bằng, bức xạ mặt trời hấp thụ bằng bức xạ sóng dài đi ra, do đó thông lượng ròng ở đỉnh khí quyển giới hạn nhiệt độ trung bình toàn cầu.
Mechanisms
Bức xạ mặt trời đến đạt đỉnh ở vùng nhìn thấy được; khoảng 30% bị phản xạ (suất phản chiếu hành tinh) và phần còn lại được bề mặt và khí quyển hấp thụ. Bề mặt và khí quyển được làm ấm phát ra bức xạ sóng dài theo định luật Planck đã được điều chỉnh bởi độ phát xạ; các khí nhà kính hấp thụ và tái phát xạ bức xạ sóng dài này, làm giảm sự mất mát ròng vào không gian và làm tăng nhiệt độ bề mặt. Sự cân bằng được mô tả bằng phương trình truyền bức xạ kết hợp sự hấp thụ Beer-Lambert với sự phát xạ nhiệt và các số hạng nguồn tán xạ.
Clinical relevance
Việc định lượng các dòng bức xạ là nền tảng cho mô hình hóa khí hậu, thu hồi nhiệt độ và thành phần bằng viễn thám, đánh giá tài nguyên năng lượng mặt trời và định nghĩa về bức xạ cưỡng bức được sử dụng trong các đánh giá chính sách khí hậu.
History
Cơ sở bức xạ của sự ấm lên khí quyển đã được Joseph Fourier phác thảo và được John Tyndall định lượng bằng các phép đo hấp thụ khí và tính toán carbon dioxide năm 1896 của Svante Arrhenius. Chandrasekhar đã chính thức hóa lý thuyết truyền bức xạ vào giữa thế kỷ XX, và các phép đo từ kỷ nguyên vệ tinh kể từ những năm 1980 đã giới hạn ngân sách năng lượng của Trái Đất trong vòng vài watt trên mỗi mét vuông.
Key figures
- Svante Arrhenius
- Subrahmanyan Chandrasekhar
- Kevin Trenberth
Related topics
Seminal works
- trenberth2009
- liou2002
- wallaceHobbs2006
Frequently asked questions
- Sự khác biệt giữa bức xạ sóng ngắn và sóng dài là gì?
- Bức xạ sóng ngắn là năng lượng mặt trời mà Trái Đất nhận được, tập trung ở các bước sóng nhìn thấy và cận hồng ngoại; bức xạ sóng dài là hồng ngoại nhiệt được phát ra bởi Trái Đất và khí quyển mát hơn. Khí quyển phần lớn trong suốt đối với sóng ngắn nhưng hấp thụ mạnh sóng dài.
- Tại sao Trái Đất ấm hơn so với dự đoán của cân bằng bức xạ đơn giản?
- Các khí nhà kính hấp thụ bức xạ sóng dài đi ra và tái phát xạ một phần của nó trở lại bề mặt, do đó bề mặt phải ấm hơn nhiệt độ bức xạ hiệu quả của hành tinh để cân bằng ngân sách năng lượng.