Радиационный баланс земли

Радиационный бюджет

Солнечная радиация, падающая на атмосферу Земли, представляет собой парниковый газ (особенно озон) в стратосфере из-за облачного покрова и кислорода воздуха ( рэлеевское рассеяние ) и земли (особенно из снега и воды) до 30% (101,9 Вт / м²). отражается прямо в космос, что соответствует альбедо 0,30. Остальные 239,4 Вт / м² поглощаются по-разному: около 20% из атмосферы и 50% с поверхности земли, где они преобразуются в тепло. Это тепло возвращается в воздушную оболочку в соответствии с правилами теплопроводности посредством теплового излучения и конвекции . Если бы эта энергия беспрепятственно излучалась в космос и если бы в то же время не добавлялась дополнительная солнечная радиация, средняя температура земной поверхности была бы рассчитана как -18 ° C, тогда как оценки фактически составляют примерно +14,8 ° C.

Разница в 32,8 ° C в основном объясняет парниковый эффект . Так называемые парниковые газы в атмосфере (особенно водяной пар и углекислый газ ) поглощают уходящее от Земли длинноволновое тепловое излучение и повторно излучают его во всех направлениях, в том числе к поверхности земли. В результате только часть лучистой энергии, излучаемой земной поверхностью, достигает космоса напрямую, так что отражение от атмосферы ослабляет охлаждение земной поверхности.

Эти числа применимы только к Земле в целом. На местном и региональном уровне условия зависят от множества факторов:

• от альбедо земной поверхности — (например, снег 40–90%, пустыня 20–45%, лес 5–20%)
• от упомянутого выше угла падения солнечных лучей и продолжительности их воздействия
• облаков и влажности
• перенос тепла ветром , стратификацией воздуха, океанскими течениями и т. д.
• от близости к воде
• экспозиции и высоты (отрицательный градиент температуры в тропосфере)

Некоторые из этих факторов можно смоделировать, но это не относится ко всем факторам, таким как эффект запруживания гор или неравномерное движение областей с низким давлением . Для хороших прогнозов , помимо огромных вычислительных мощностей, метеорология также требует плотной глобальной сетки измеренных значений по всем слоям атмосферы, что на практике имеет свои пределы.

Прямое наблюдение

Глобальный радиационный баланс Земли колеблется по мере того, как планета вращается и вращается вокруг Солнца, а также по мере возникновения и рассеивания тепловых аномалий глобального масштаба в наземных, океанических и атмосферных системах (например, ENSO ). Следовательно, «мгновенное радиационное воздействие» (IRF) планеты также является динамичным и естественным образом колеблется между состояниями общего потепления и похолодания. Комбинация периодических и сложных процессов, порождающих эти естественные колебания, обычно возвращается в течение периодов продолжительностью до нескольких лет, чтобы получить чистую нулевую среднюю IRF. Такие колебания также маскируют долгосрочные (десятилетние) тенденции воздействия, связанные с деятельностью человека, и, таким образом, затрудняют прямое наблюдение за такими тенденциями.

Операционные миссии Отделения наук о Земле НАСА

С 1998 года радиационный баланс Земли непрерывно отслеживается с помощью инструментов НАСА « Облака» и «Системы радиантной энергии Земли» (CERES). Каждое сканирование земного шара дает оценку общего (по всему небу) мгновенного радиационного баланса. Эта запись данных фиксирует как естественные колебания, так и влияние человека на IRF; включая изменения в парниковых газах, аэрозолях, поверхности земли и т. д. Запись также включает запаздывающие радиационные реакции на радиационные дисбалансы; происходит в основном за счет обратной связи системы Земли по температуре, альбедо поверхности, водяному пару атмосферы и облакам.

Исследователи использовали измерения от CERES, AIRS , CloudSat и других спутниковых инструментов в Системе наблюдения за Землей НАСА, чтобы проанализировать вклад естественных колебаний и обратной связи системы. Удаление этих вкладов из многолетней записи данных позволяет наблюдать антропогенную тенденцию в ВИП в верхних слоях атмосферы (TOA). Анализ данных также был выполнен с вычислительной эффективностью и не зависел от большинства связанных методов и результатов моделирования . Таким образом, непосредственно наблюдалось, что радиационное воздействие увеличилось на +0,53 Вт м -2  (+/- 0,11 Вт м -2 ) с 2003 по 2018 год. Около 20% этого увеличения было связано со снижением нагрузки атмосферных аэрозолей, и большая часть оставшихся 80% приходится на рост выбросов парниковых газов.

Тенденция к увеличению радиационного дисбаланса из-за увеличения глобального CO2ранее наблюдался наземными приборами. Например, такие измерения были собраны отдельно в условиях ясного неба на двух пунктах измерения атмосферной радиации (ARM) в Оклахоме и на Аляске. Каждое прямое наблюдение установлено , что связанная с излучательной (ИК) нагревание поверхности испытывают жители выросли на +0,2 Вт м -2  (+/- 0,07 Вт м -2 ) в течение десятилетия , заканчивающийся 2010. В дополнение к его акцентом на длинноволновой радиации и тому наиболее влиятельный нагнетающий газ ( CO2) только этот результат пропорционально меньше воздействия TOA из-за его буферизации атмосферным поглощением.

Радиационный баланс

Атмосферные газы поглощают энергию только некоторых длин волн, но прозрачны для других. Картины поглощения водяного пара (синие пики) и углекислого газа (розовые пики) перекрываются в некоторых длинах волн. Углекислый газ не является таким сильным парниковым газом, как водяной пар, но он поглощает энергию с длиной волны (12-15 микрометров), которой не обладает водяной пар, частично закрывая «окно», через которое тепло, излучаемое поверхностью, обычно выходит в космос. (Иллюстрация НАСА, Роберт Роде)

Почти вся энергия, влияющая на климат Земли, поступает от Солнца в виде лучистой энергии . Планета и ее атмосфера поглощают и отражают часть энергии, а длинноволновая энергия излучается обратно в космос. Баланс между поглощенной и излучаемой энергией определяет среднюю глобальную температуру. Поскольку атмосфера поглощает часть повторно излучаемой длинноволновой энергии, планета теплее, чем была бы в отсутствие атмосферы : см. Парниковый эффект .

Радиационный баланс изменяется такими факторами, как интенсивность солнечной энергии , отражательная способность облаков или газов, поглощение различными парниковыми газами или поверхностями и тепловыделение различными материалами. Любое такое изменение является радиационным воздействием и меняет баланс. Это происходит постоянно, когда солнечный свет попадает на поверхность, образуются облака и аэрозоли, меняется концентрация атмосферных газов, а время года меняет почвенный покров .

Связанные метрики

Другие показатели могут быть построены для той же цели, что и радиационное воздействие. Например, Shine et al. говорят: «… недавние эксперименты показывают, что для изменений в поглощающих аэрозолях и озоне предсказательная способность радиационного воздействия намного хуже … мы предлагаем альтернативу,« скорректированное воздействие тропосферы и стратосферы ». Мы представляем расчеты GCM, показывающие, что это является значительно более надежным предсказателем изменения температуры поверхности этого GCM, чем радиационное воздействие. Это кандидат на добавление радиационного воздействия в качестве показателя для сравнения различных механизмов … ». В этой цитате GCM означает « модель глобальной циркуляции », а слово «прогнозирующий» не относится к способности GCM прогнозировать изменение климата. Вместо этого это относится к способности альтернативного инструмента, предложенного авторами, помочь объяснить реакцию системы.

Таким образом, концепция радиационного воздействия развивалась от первоначального предложения, называемого в настоящее время мгновенным радиационным воздействием (IRF), до других предложений, которые направлены на то, чтобы лучше связать радиационный дисбаланс с глобальным потеплением (средняя глобальная температура поверхности). В этом смысле скорректированное радиационное воздействие в своих различных методологиях расчета оценивает дисбаланс после того, как температура стратосферы была изменена для достижения радиационного равновесия в стратосфере (в смысле нулевых скоростей радиационного нагрева). Эта новая методология не оценивает какие-либо корректировки или обратную связь, которые могут возникнуть в тропосфере (в дополнение к корректировкам температуры стратосферы), для этой цели было введено другое определение, названное эффективным радиационным воздействием . В целом, ERF является рекомендацией анализа радиационного воздействия CMIP6, хотя методологии с поправкой на стратосферу все еще применяются в тех случаях, когда корректировки и обратная связь по тропосфере не считаются критическими, как, например, в случае хорошо смешанных парниковых газов и озона. Методология, называемая подходом с радиационным ядром, позволяет оценивать обратные связи климата в автономных расчетах на основе линейного приближения.

Значение глобального радиационного баланса

Эффективный энергетический баланс почти равен нулю, потому что он должен стабилизироваться на значении в долгосрочной перспективе, при условии, что астрофизические каркасные условия стабильны ( первый закон термодинамики для замкнутых систем), и, следовательно, — в геологическом масштабе — приводит к в основном стабильный климат (среднемировая температура). То, что оно не совсем равно нулю, существенно для изменения климата в целом и для современного глобального потепления в частности .

Энергия составляет около 341,3 Вт / м². Это значение рассчитывается на основе солнечной постоянной , которая составляет в среднем около 1367 Вт / м² с течением времени, а также учитывает, что поверхность Земли математически подвергается солнечному излучению только 1/4 дня из-за ее воздействия. сферическая форма и вращение.

Радиационный баланс

Радиационный баланс может быть положительным и отрицательным. Этим определяется нагревание или охлаждение поверхности почвы. Для радиационного баланса характерны суточная и годичная периодичность. В околополуденные часы он имеет максимальные значения и ночью — минимальные ( отрицательные); в годичном цикле максимальные показатели летом и минимальные — зимой. Солнечная радиация, достигая поверхности почвы, превращается в тепловую.
 

Радиационный баланс на территории СССР, за исключением Арктики и ледниковых районов, в среднем за год положительный.
 

Радиационный баланс поверхности может быть вычислен также с помощью ее лучистого теплообмена с остальными поверхностями помещения.
 

Радиационный баланс Rn определяется в основном величиной поглощенной солнечной радиации S ( — а), так как Rn S ( l — а) — t — Возрастающая продолжительность залегания снежного покрова на больших высотах над уровнем моря вызывает уменьшение поглощенной коротковолновой радиации, и в общем за год радиационный баланс имеет тенденцию убывать с увеличением высоты. Слабое возрастание инфракрасной радиации увеличивает этот эффект.
 

Увеличение радиационного баланса, а также выделение тепла промышленными установками и транспортом способствуют повышению среднегодовой температуры воздуха. В городах она обычно на 0 5 — 1 5 С выше, чем на незастроенной территории.
 

Изучение радиационного баланса основывается на трех основных способах измерений: контроль баланса коротковолнового и длинноволнового излучений в верхних слоях атмосферы; измерение коротковолнового излучения у поверхности Земли; а также измерение полного приходящего потока электромагнитного излучения в широкой полосе частот.
 

В целом радиационный баланс Земли положителен и составляет 72 ккал / см2 в год.
 

Запись уравнений радиационного баланса относительно потоков тепла Е неудобна в инженерных расчетах.
 

Годовые суммы радиационного баланса изменяются от 1050МДж / см2 на широте полярного круга до 1900 — 2100 МДж / см2 в год на юго-востоке Европейской России.
 

Для оценки радиационного баланса газопровода, величиной которого определяется Ts, воспользуемся формулой ( 6), из которой видно, что количество тепла, получаемое надземным газопроводом, зависит от суммы прямой, рассеянной и отраженной солнечной радиации, угла JO D Z и альбедо труб. Угол Z зависит от положения солнца на небосводе и ориентации газопровода на местности. Поскольку для инженерного расчета необходимо знать максимально возможные значения параметров, то cos Z 1 0 при расположении газопровода перпендикулярно меридиану, cos Z 0 96 ( в условиях Средней Азии) и cos Z 0 74 ( на Крайнем Севере) при расположении газопровода вдоль меридиана для наивысшего стояния солнца.
 

В метеорологии радиационным балансом называется соотношение между поступлением и расходом лучистой энергии.
 

Как известно, радиационный баланс представляет собой те запасы солнечной энергии, которые расходуются па испарение и нагревание поверхности земли и воздуха.
 

Дневной свет

А от чего зависит солнечная радиация еще? Не следует сбрасывать со счетов и фактор мутности. Ведь ослабление радиации происходит двумя путями — собственно атмосферой и водяным паром, а также различными примесями. Уровень запыленности возрастает летом (как и содержание в атмосфере водяного пара).

Под ней подразумевается общее количество радиации, падающей на земную поверхность, — и прямой, и рассеянной. Суммарная солнечная радиация уменьшается при облачной погоде.

Что происходит с суммарной радиацией на земной поверхности? Попадая туда, она в большинстве своем поглощается верхним слоем почвы или воды и превращается в тепло, часть ее при этом отражается. Степень отражения зависит от характера земной поверхности. Показатель, выражающий процентное отношение отраженной солнечной радиации к общему ее количеству, попадающему на поверхность, именуют альбедо поверхности.

Доказано, что встречное излучение практически всегда меньше, чем земное. Из-за этого поверхность земли несет тепловые потери. Разность величин собственного излучения поверхности и атмосферного получило название эффективного излучения. Это фактически чистая потеря энергии и как результат — тепла ночью.

Примечания и ссылки

1. Если R — радиус Земли и F = 1361  Вт / м 2 , солнечная постоянная, мощность, получаемая падающей поверхностью Земли, выражается в ваттах . Это распределено по площади , так что средняя мощность , полученная на земном шаре Р / 4  Вт / м 2 = 340,25  Вт / м 2 , или 173,55  PW для всей планеты. Точнее, с учетом наземной экваториальный радиус (6,378.137  км ) и полярного земной радиус (6356752  км ), немного меньший, частота поверхность сплюснутого диска на равноденствия, таким образом , (127,373 5 × 10 6 км 2 ) и Площадь эллипсоида (510,065 6  млн км 2 ) также меньше, чем у сферы. Мощность , принимаемая затем будет более точно F / 4,004 5  Вт / м 2 = 339,87  Вт / м 2 , или 173,36  PW для всей планеты. Эта минимальная разница в 0,38  Вт / м 2 , умноженная на поверхность Земли, по-прежнему дает 0,19  ПВт = 1,9 × 10 14 Вт , или за один год 6 × 10 21 Дж , что также в десять раз превышает мировое годовое потребление первичной энергии.πр2×F{\ displaystyle \ pi R ^ {2} \ times F}4πр2{\ displaystyle 4 \ pi R ^ {2}}π×реq×рпол{\ displaystyle \ pi \ times Req \ times Rpol}   
2. (in) HN Pollack , SJ Hurter и JR Johnson , «  Тепловой поток из недр Земли: анализ глобального набора данных  » , Reviews of Geophysics  (in) , vol.  30, п о  3,1993 г., стр.  267–280 .
3. ↑ и (ru) Бо Норделл и Бруно Гервет , «  Глобальное накопление энергии и чистое тепловыделение  » , Международный журнал глобального потепления , Технологический университет Лулео , вып.  1, n кость  1/2/3,2009 г..
4. (в) .
5. (in) А. Э. Рой и Д. Кларк, Астрономия: принципы и практика , Тейлор и Фрэнсис ,1 — го июня 2003, 4- е  изд. , стр.  21 год.
6. (in) Барри У. Джонс, , Springer,11 февраля 2004 г..
7. Сильви Joussaume, Парниковый газ предупреждение , Налейте ла науки , п о  300, октябрь 2002, стр.  85 .
8. Средняя температура, измеренная на земле, колеблется примерно от -50  ° C до 40  ° C в зависимости от местоположения.
9. Изменение климата 2013. Научные элементы. Вклад Рабочей группы I в Пятый оценочный доклад МГЭИК. Резюме для политиков , стр.  12.
10. (in) Герхард Герлих и Ральф Д. Чойшнер, «  Фальсификация атмосферного CO _2.Парниковые эффекты в рамках физики  » , International Journal of Modern Physics  (en) B , vol.  23, п о  3,2009 г., стр.  275-364 .

• Метеорологический портал
• Энергетический портал
• Климатический портал

Радиационный баланс

Влияние склонов на радиационный баланс особенно сложное, так как здесь имеет дополнительное значение инфракрасная радиация.
 

Влияние освоения территории на радиационный баланс выражается в ослаблении интенсивности суммарной радиации, увеличении поглощения коротковолновой радиации п уменьшении эффективного излучения Земли. Причиной этого является индустриальное загрязнение атмосферы на территориях промышленных предприятий и городов, а также изменение в черте застройки свойств подстилающей поверхности. Наибольшие изменения составляющих радиационного баланса происходят при наличии на застроенной территории дымовых покрывал.
 

Однако описанный метод измерения радиационного баланса дает значительные погрешности вследствие влияния на приемные поверхности движущегося воздуха — ветра. Изменение температуры приемной поверхности под влиянием ветра практически очень трудно учесть, в результате чего абсолютная достоверность измерений оказывается низкой.
 

Обязательным этапом в изучении радиационного баланса Земли, а также важной задачей климатологических исследований является измерение альбедо. Объясняется это тем, что до 30 % солнечной энергии, падающей на Землю, отражается облаками и земной поверхностью.
 . Выражение ( 1) есть радиационный баланс, характеризующий приток энергии к поверхности земли.
 

Выражение ( 1) есть радиационный баланс, характеризующий приток энергии к поверхности земли.
 

Приведенные выше данные о составляющих радиационного баланса следует рассматривать как усредненные более пли менее реалистичные оценки.
 

Формирование таких температур обусловлено малыми величинами радиационного баланса, низкими среднегодовыми температурами воздуха, очень небольшой ( 15 — 25 см) мощностью и высокой ( 0 25 — 0 4 г / см3) плотностью снежного покрова, характерными для тундровой зоны. Это объясняется, по-видимому, тем, что с сильно расчлененных участков снег сдувается почти полностью, в то время как на плоских, обычно кочковатых территориях в течение зимы существует устойчивый снеж-кый покров небольшой мощности.
 

Учитывая огромную роль облаков в формировании радиационного баланса Земли, рассматриваемый эффект может иметь значимые климатические последствия.
 

Последнее означает, что изменяется структура радиационного баланса коротковолновой радиации. Для среднего глобального состояния атмосферы аэрозоль приводит к потеплению в тропосфере и увеличению температуры подстилающей поверхности за счет действия парникового механизма, приводящего к понижению радиационной температуры планеты за счет поглощения длинноволновой радиации аэрозолем. В пределах погрешностей выполненного моделирования потепление в пограничном слое атмосферы составляет 1 — 3 К.
 

Главную роль в теплообмене Каспийского моря играют радиационный баланс и испарение. Таким образом, наибольшей расходной статьей в тепловом балансе Каспийского моря являются потери тепла на испарение, которые превышают потери тепла за счет излучения.
 

Разность между приходом и расходом радиации представляет радиационный баланс, или остаточную радиацию. Радиационный баланс Земли за год в среднем равен нулю, хотя по разным широтам может быть и положительным, и отрицательным.
 

О географическом распределении радиации

Наибольшее значение суммарная солнечная радиация в течение года имеет в субтропических пустынях с малооблачной атмосферой. Гораздо меньше оно в лесных областях экваториального пояса. Причина этого — повышенная облачность. По направлению к обоим полюсам этот показатель убывает. Но в районе полюсов возрастает заново — в северном полушарии меньше, в районе снежной и малооблачной Антарктиды — больше. Над поверхностью океанов в среднем солнечная радиация меньше, чем над материками.

Но вышесказанное не означает ежегодного потепления земной поверхности. Излишек поглощенной радиации компенсируется утечкой тепла с поверхности в атмосферу, что происходит при изменениях фазы воды (испарении, конденсации в виде облаков).

Солнечная радиация: определение

Плотность потока радиации (или энергетическая освещенность) служит мерой ее количества, падающего на определенную поверхность. Это объем лучистой энергии, попадающей в единицу времени на единицу площади. Измеряется данная величина — энергетическая освещенность — в Вт/м 2 . Наша Земля, как всем известно, обращается вокруг Солнца по эллипсоидной орбите. Солнце находится в одном из фокусов данного эллипса. Поэтому ежегодно в определенное время (в начале января) Земля занимает положение ближе всего к Солнцу и в другое (в начале июля) — дальше всего от него. При этом величина энергетической освещенности меняется в обратной пропорции относительно квадрата расстояния до светила.

Однородна ли солнечная радиация? Виды ее после всех «потерь» в атмосфере могут различаться по своему спектральному составу. Ведь лучи с различными длинами и рассеиваются, и поглощаются по-разному. В среднем атмосферой поглощается около 23% ее первоначального количества. Примерно 26% всего потока превращается в рассеянную радиацию, 2/3 которой попадает затем на Землю. В сущности, это уже другой вид радиации, отличный от первоначального. Рассеянная радиация посылается на Землю не диском Солнца, а небесным сводом. Она имеет другой спектральный состав.

Рассеяние радиации, ослабляющее ее, происходит для любых длин волн спектра. В процессе его частицы, попадая под электромагнитное воздействие, перераспределяют энергию падающей волны во всех направлениях. То есть частицы служат точечными источниками энергии.

Полученная энергия

Спектры мощности солнечного излучения в верхней части атмосферы и на земле.

Общая потребляемая мощность в системе почва-атмосфера-океан оценивается в 174 PETA Вт ( PW ). Этот поток состоит из:

• солнечная радиация (99,97%, т.е. 173  ПВт ):
  • эта величина рассчитывается путем оценки того, что средняя солнечная радиация имеет плотность энергии, равную 1361  Вт / м 2 на расстоянии в одну астрономическую единицу , и что это излучение перехватывается земной поверхностью, видимый (плоский) диск которой имеет площадь падения. 1 273 735 × 10 14  м 2 . Полученная таким образом энергия, распределенная по всему земному шару ( эллипсоид с общей площадью 5100 656 × 10 14  м 2 ), соответствует средней мощности около 340 Вт / м2 , то есть в всего 1,734 10 × 10 17  Вт  ;
  • система почва-атмосфера-океан не поглощает всю эту падающую энергию, часть ее отражается (за счет эффекта альбедо , в зависимости от почвы, океанов, облаков, льда и, следовательно, климата, что приводит к значительным обратным или очень сложным усиливающим эффектам, особенно потому, что мы стремимся к высокой точности). Около 30% полученной солнечной энергии отражается, но не поглощается;
  • солнечная радиация непостоянна (см. солнечный цикл ), и она не известна с большей точностью, чем около одного ватта на квадратный метр;
• геотермальная энергия  : мощность, возникающая в результате составляет примерно 0,025% от общей полученной энергии, примерно 44,2  тераватт (или ТВт );

Эволюция тепловой энергии радиогенного происхождения во внутренних слоях Земли во времени.

• ископаемое топливо и радиоактивное деление, производимые человеком: они составляют 0,009%, или 15  ТВт . Общая энергия, использованная из коммерческих источников энергии в период с 1880 по 2000 год, включая ископаемую нефть и ядерную энергию , оценивается в 13,9 × 10 21  Дж  ; годовая мировая первичная энергия составляет 6 × 10 20  Дж , или средняя непрерывная мощность 19  ТВт  ;
• трение , вызванные приливами  : 0,002% или 3321  ТВт .

Влияние парникового эффекта

Пример оценки доли тепла, аккумулированного соответственно почвой, поверхностью океана и глубоководным океаном (по отношению к почве, выделено красным цветом), здесь с 1960 года.

Недавно наблюдаемое явление глобального потепления связано с увеличением концентрации парниковых газов , что усиливает как прямое поглощение инфракрасного света, излучаемого Солнцем (но не обязательно глобальное поглощение Земля — ​​атмосфера), так и радиационное воздействие, возникающее в результате поглощение энергии Земли. Глобальное повышение температуры вызвано небольшим дисбалансом в радиационном балансе: количество энергии, поглощаемой системой Земля / океан-атмосфера, становится немного больше, чем энергия, повторно излучаемая в космос, так что средняя температура увеличивается настолько, что это дисбаланс продолжается в силу принципа сохранения энергии .

Согласно пятому докладу МГЭИК, увеличение антропогенного радиационного воздействия в период с 1750 по 2011 год оценивается в 2,29 (1,13–3,33) Вт / м 2 .

Понятие эффективной температуры иногда используется климатоскептиками для оспаривания порядков эволюции глобальной средней температуры Земли с использованием радиационных моделей. Эта работа вызвала много критики.