大气辐射与能量平衡
太阳辐射和地球辐射如何在大气中传播、被吸收、发射和散射，从而建立地球的行星能量平衡。
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Definition
大气辐射与能量平衡是研究大气中的电磁辐射以及由此产生的能量流，这些能量流决定了地球-大气系统的温度结构。
Scope
该领域涵盖短波（太阳）和长波（地球）辐射穿过大气的传输，气体、云和气溶胶对辐射的吸收和发射，入射太阳能如何在反射、吸收和地表加热之间分配，以及产生温室效应的长波捕获。它将分子和粒子与辐射相互作用的微观物理学与驱动气候的宏观大气层顶能量收支联系起来。
Sub-topics
Core questions
- 太阳辐射穿过大气层时如何被吸收、散射和反射？
- 什么控制着长波辐射向太空和向地表的发射？
- 为什么地球表面比其辐射平衡温度预测的要温暖？
- 大气成分的微小变化如何扰动行星能量平衡？
Key theories
- 辐射传输理论
- 通过辐射传输方程，正式描述辐射强度如何沿着穿过吸收、发射和散射介质的路径发生变化；这是所有定量大气辐射计算的基础。
- 行星能量平衡
- 在平衡状态下，吸收的太阳辐射等于向外的长波辐射，因此大气层顶的净通量限制了全球平均温度的原理。
Mechanisms
入射太阳辐射在可见光波段达到峰值；约30%被反射（行星反照率），其余被地表和大气吸收。被加热的地表和大气根据普朗克定律（经发射率修正）发射长波辐射；温室气体吸收并重新发射这些长波辐射，从而减少了向太空的净损失并提高了地表温度。这种平衡由辐射传输方程描述，该方程结合了比尔-朗伯吸收定律与热发射和散射源项。
Clinical relevance
量化辐射通量是气候建模、温度和成分遥感反演、太阳能资源评估以及气候政策评估中使用的辐射强迫定义的基础。
History
大气变暖的辐射基础由约瑟夫·傅里叶（Joseph Fourier）提出，约翰·廷德尔（John Tyndall）通过气体吸收测量和斯万特·阿累尼乌斯（Svante Arrhenius）1896年的二氧化碳计算对其进行了量化。钱德拉塞卡（Chandrasekhar）在20世纪中叶使辐射传输理论形式化，自20世纪80年代以来的卫星时代测量已将地球的能量收支限制在每平方米几瓦的范围内。
Key figures
- Svante Arrhenius
- Subrahmanyan Chandrasekhar
- Kevin Trenberth
Related topics
Seminal works
- trenberth2009
- liou2002
- wallaceHobbs2006
Frequently asked questions
- 短波辐射和长波辐射有什么区别？
- 短波辐射是地球接收到的太阳能，集中在可见光和近红外波长；长波辐射是较冷的地球和大气发射的热红外辐射。大气对短波辐射基本透明，但强烈吸收长波辐射。
- 为什么地球比简单的辐射平衡预测的要温暖？
- 温室气体吸收向外的长波辐射，并将其一部分重新发射回地表，因此地表必须比行星的有效辐射温度更温暖，才能使能量收支平衡。