You are hereРадиационное равновесие и парниковый эффект

Радиационное равновесие и парниковый эффект


By tookitook - Posted on 03 Январь 2010

Начинаем публикацию некоторых частей из классической работы А. Гилла "Динамика атмосферы и океана".

Модели радиационного равновесия

Так как источником энергии в системе океан — атмосфера служит солнечная радиация, то важно знать, как на эту радиарадиацию влияют атмосфера и океан. Детальное обсуждение можно найти, например, в книгах [267], [411], [610]. Здесь будут обобсуждены лишь самые основные моменты.


Прежде всего рассмотрим равновесие, которое бы установилось, если бы Земля не имела жидкой оболочки1. Поверхность отражала бы часть приходящей радиации и поглощала бы остальную. Поглощенная энергия будет вызывать нагревание поверхности до тех пор, пока ее излучение в мировое пространство не станет равно поглощаемой энергии. Когда температура поверхности достигнет величины T, то количество энергии E, излучаемой в единицу времени, будет определяться законом Стефана

`E=sigma T^4` (1.3.1)

где

`sigma = 5.7xx10^{-8} \ W*m^{-2}*K^{-4}`    (1.3.2)

Для радиации, фактически поглощаемой Землей, такое равновесие наступит, когда температура на экваторе достигнет 270 К, на Южном полюсе 150 К и на Северном полюсе 170 К. Фактически поверхность Земли значительно теплее, а контраст температур между экватором и полюсом намного меньше. Отличие от наблюдаемой температуры поверхности обусловлено существованием жидкой оболочки Земли. Последняя может повлиять на достижение равновесия двумя путями. Во-первых, радиация может поглощаться самой атмосферой. Во-вторых, атмосфера и океан могут переносить тепло от одной области к другой, влияя тем самым на баланс энергии.

В этом разделе первый эффект будет рассматриваться изолировано от второго. В последующих разделах будет обсуждено влияние движения атмосферы и океана на равновесие. Это движение составляют ветры, океанические течения и другие явления, которые будут главной темой этой книги.

Радиационное равновесие, которое будет исследоваться в отсутствие движения, было вычислено Мёллером и Манабе [554] и обсуждено в [267, гл. 8]. Полученный при этом профиль средней температуры показан сплошной линией на рис. 1.4. В некотором смысле левая часть рисунка дает более правильное представление, так как на ней равным массам воздуха даются равные веса. В нижнем (70% по массе) слое атмосферы основным физическим фактором, отвечающим за достижение равновесия, является поглощение радиации водяным паром, присутствующим в атмосфере. В своих вычислениях Мёллер и Манабе использовали наблюдаемое распределение водяного пара по высоте. На более высоких уровнях становятся более важными другие поглощающие среды, такие, как углекислый газ и озон. Рисунок 1.4 показывает, что наличие атмосферы приводит к значительно более высокой температуре поверхности Земли, чем та, что наблюдалась бы в ее отсутствие. Это является следствием «парникового эффекта», который будет обсуждаться в разд. 1.4.

Рис. 1.4. Радиационное равновесие (сплошная линия), соответствующее наблюдаемому распределению поглощающих сред в атмосфере на 35 с. ш. в апреле, наблюдаемой средней инсоляции всей атмосферы и отсутствию облаков. Штриховая кривая показывает результат конвективного приспособления к постоянному вертикальному градиенту температуры 6,5 К/км. На рис. (а) кривые построены в масштабе, линейном относительно давления, т. е. равные интервалы соответствуют равным массам воздуха. На рис. (б) масштаб линеен по высоте. [Из [515, рис. 4].]

 

Парниковый эффект

Радиационное равновесие, показанное на рис. 1.4, имеет температуру почвы намного большую, чем при отсутстьии атмосферы. Это вызвано «парниковым эффектом», принцип которого будет объяснен ниже. Чтобы рассмотреть формирование парникового эффекта, поместим горизонтальный лист стекла над почвой, как показано на рис. 1.5. Используемое стекло прозрачно для радиации с длинами волн ниже 4 мкм, но частично поглощает радиацию с большими длинами волн. Предположим, что стекло и почва вначале имеют одну и ту же температуру, затем «включается» сверху поток I солнечной радиации. Эта радиация пройдет через стекло неослабленной и поглотится почвой. Почва нагреется до температуры Tg и будет испускать вверх поток длинноволновой радиации U, определяемый по закону Стефана:

`U=sigma T_{g}^4`     (1.4.1)

Практически вся радиация, излучаемая при температуре, характерной для атмосферы, имеет длины волн свыше 4 мкм (в диапазоне 4 `-:` 100 мкм), так что часть е этой радиации будет поглощаться стеклом. Вследствие этого стекло также будет нагреваться и излучать радиацию. Предположим, что этот поток излучения в обоих направлениях равен В. Равновесие будет достигаться тогда, когда поток снизу будет равен потоку, идущему сверху, т. е. когда

`I=(1-e)U+B=U-B`

Разрешая уравнения A.4.1) и A.4.2), получаем, что температура почвы равна

`sigma T_{g}^4 = U = I/(1-e/2)`

Поэтому Tg выше (на 19%), чем она была бы при отсутствии стекла (е = 0). Именно на этом принципе основан парниковый эффект. Этот эффект проще понять в экстремальном случае, когда стекло поглощает всю длинноволновую радиацию (е = 1). Тогда (рис. 1.5) I=B, что приводит к тому, что стекло достигает такой же температуры, что и почва при отсутствии стекла. Так как другая сторона стекла имеет ту же самую температуру, она излучает вниз поток длинноволновой радиации, так что почва получает суммарный поток I+B=2I. Согласно закону Стефана, почва достигает температуры, равной температуре при отсутствии стекла, умноженной на `2^{1/4}` = 1,19. Для других не равных нулю значений е поверхность также получает обратный поток излучения дополнительно к коротковолновому потоку I, так что она достигает более высокой температуры, чем в его отсутствие. В атмосфере поглощающая субстанция распределена непрерывно по вертикали, а не ограничена тонким слоем. Однако обобщение предыдущих идей на этот случай очевидно [267, разд. 8.4; 116, разд. 1.2] и приводит к профилям температуры для нижней атмосферы, которые аналогичны профилям, полученным Мёллером и Манабе. Для более точных расчетов необходимо разбить радиационную энергию на несколько диапазонов длины волн, а не только на два («длинные» и «короткие» волны), и учесть поглощение в каждом диапазоне отдельно. Кроме того, должны быть сделаны поправки на отражение и рассеяние. Они зависят от распределения и альбедо облаков и от альбедо подстилающей поверхности.

Рис. 1.5. Парниковый эффект. Стекло прозрачно для коротковолновой радиации, суммарный направленный вниз поток которой равен I.
Уравновешивающий направленный вверх поток длинноволновой радиации от почвы равен
U, доля е которого поглощается стеклом и нагревает его, что вызывает излучение потока В в обоих направлениях.

Расчет радиационного баланса атмосферы приведен на рис. 1.6. Принимая приходящий поток за 100 единиц, находим, что отраженный и рассеянный поток коротковолновой радиации будет равен `100 alpha ~~ 30`  30 единицам. Остается 70 единиц суммарного направленного вниз потока коротковолновой радиации на верхней границе атмосферы, из которых 19 единиц поглощается в атмосфере и только оставшаяся 51 единица поглощается поверхностью. Имеется также большое количество (по оценке [473], 98 единиц) длинноволновой радиации, поглощаемой поверхностью. Это обратная радиация от атмосферы. (Возможно, что обратная радиация превышает приходящую. Это можно показать, обобщая рис. 1.5 на случай нескольких листов стекла.)

Суммарное излучение поверхностью (разность между направленными вверх и вниз потоками) длинноволновой радиации составляет 21 единицу, оставшийся направленный вверх поток в 30 единиц передается через конвекцию. Поднимающийся к верхней границе атмосферы поток равен 70 единицам, как требуется для баланса пришедшей коротковолновой радиации. Средняя температура поверхности соответствует 98 + 51 = 149 единицам радиационного потока энергии на поверхности, а не 70 единицам, излучаемым на верхней границе атмосферы. Последний поток проще связать с температурой на верхней границе облаков.

Рис. 1.6. Радиационный баланс атмосферы. [Переработано из «Understanding Climatic Change», U. S. National Academy of Sciences, Washington, D. C, 1975, p. 14, и использовано с разрешения.]

1) Имеется в виду отсутствие атмосферы и океана. — Прим. переводчика

 

Скачать без регистрации и бесплатно  учебник А.Гилл "Динамика атмосферы и океана" ]]>можно здесь]]>