Исходящая длинноволновая радиация

Спектральная интенсивность солнечного света (средняя в верхних слоях атмосферы) и теплового излучения, испускаемого поверхностью Земли.

В науке о климате длинноволновое излучение ( LWR ) — это электромагнитное тепловое излучение, испускаемое поверхностью Земли, атмосферой и облаками. Его также можно назвать земной радиацией . Это излучение находится в инфракрасной части спектра, но отличается от коротковолнового (КВ) ближнего инфракрасного излучения, встречающегося в солнечном свете.

Исходящая длинноволновая радиация ( OLR ) — это длинноволновое излучение, испускаемое в космос из верхних слоев атмосферы Земли. Его также можно назвать испускаемой земной радиацией . Уходящая длинноволновая радиация играет важную роль в охлаждении планеты.

Длинноволновое излучение обычно охватывает длины волн от 3 до 100 микрометров (мкм). Отсечка в 4 мкм иногда используется, чтобы отличить солнечный свет от длинноволнового излучения. Менее 1% солнечного света имеет длину волны более 4 мкм. Более 99% исходящего длинноволнового излучения имеет длину волны от 4 до 100 мкм.

Поток энергии , переносимый исходящим длинноволновым излучением, обычно измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт⋅м ⁻² ). В случае глобального потока энергии, Вт/м ² Значение получается путем деления общего потока энергии по поверхности земного шара (измеряется в ваттах) на площадь поверхности Земли, 5,1 × 10 ¹⁴ м ² (5.1 × 10 ⁸ км ² ; 2.0 × 10 ⁸ квадратных миль).

Испускание исходящей длинноволновой радиации — единственный способ, которым Земля теряет энергию в космос, т. е. единственный способ, которым планета охлаждается . Радиационный нагрев от поглощенного солнечного света и радиационное охлаждение в космос через OLR приводят в действие тепловой двигатель , который управляет атмосферной динамикой .

Баланс между OLR (потеря энергии) и приходящей солнечной коротковолновой радиацией (получение энергии) определяет, испытывает ли Земля глобальное нагревание или охлаждение (см. Энергетический бюджет Земли ).

Планетарный энергетический баланс

Рост энергетического дисбаланса Земли по данным спутниковых и натурных измерений (2005–2019 гг.). Показатель +1,0 Вт/м ² суммирование по поверхности планеты соответствует непрерывному поглощению тепла около 500 тераватт (~ 0,3% падающего солнечного излучения).

Исходящая длинноволновая радиация (OLR) представляет собой важнейший компонент энергетического баланса Земли .

Принцип сохранения энергии гласит, что энергия не может появиться или исчезнуть. Таким образом, любая энергия, которая входит в систему, но не уходит, должна сохраняться внутри системы. Итак, количество энергии, сохраняемой на Земле (в земной климатической системе), определяется уравнением:

[изменение энергии Земли] = [приходящая энергия] − [уходящая энергия] .

Энергия поступает в виде поглощенной солнечной радиации (ASR). Энергия уходит в виде исходящего длинноволнового излучения (OLR). Таким образом, скорость изменения энергии в климатической системе Земли определяется энергетическим дисбалансом Земли (EEI):

$\mathrm {EEI} =\mathrm {ASR} -\mathrm {OLR}$.

Когда энергия поступает с большей скоростью, чем уходит (т. е. ASR > OLR, так что EEI положителен), количество энергии в климате Земли увеличивается. Температура является мерой количества тепловой энергии в веществе. Таким образом, в этих обстоятельствах температура в целом имеет тенденцию повышаться (хотя в некоторых местах температура может снизиться по мере изменения распределения энергии). По мере повышения температуры количество испускаемого теплового излучения также увеличивается, что приводит к увеличению исходящего длинноволнового излучения (OLR) и меньшему энергетическому дисбалансу (EEI).

Аналогичным образом, если энергия поступает с более низкой скоростью, чем уходит (т. е. ASR < OLR, поэтому EEI отрицателен), количество энергии в климате Земли уменьшается, и температура в целом имеет тенденцию к снижению. По мере снижения температуры OLR уменьшается, приближая дисбаланс к нулю.

Таким образом, планета естественным образом постоянно регулирует свою температуру, чтобы поддерживать небольшой энергетический дисбаланс. Если солнечной радиации будет поглощено больше, чем излучено OLR, планета нагреется. Если OLR будет больше, чем поглощенная солнечная радиация, планета остынет. В обоих случаях изменение температуры смещает энергетический дисбаланс к нулю. Когда энергетический дисбаланс равен нулю, говорят, что планета находится в радиационном равновесии . Планеты естественно стремятся к состоянию примерного радиационного равновесия.

Согласно измерениям, в последние десятилетия энергия поступает на Землю с большей скоростью, чем уходит, что соответствует планетарному потеплению. Энергетический дисбаланс усиливается. Могут потребоваться десятилетия или столетия, чтобы океаны нагрелись, а температура планеты изменилась настолько, чтобы компенсировать энергетический дисбаланс.

Эмиссия

Тепловое излучение излучается почти всем веществом пропорционально четвертой степени его абсолютной температуры.

В частности, излучаемый поток энергии, $M$ (измеряется в Вт/м ² ) определяется законом Стефана–Больцмана для нечернотельной материи :

$M=\epsilon \,\sigma \,T^{4}$

где $T$ абсолютная температура , $\sigma$ – постоянная Стефана–Больцмана , а $\epsilon$ это излучательная способность . Коэффициент излучения — это значение от нуля до единицы, которое указывает, насколько меньше излучения излучается по сравнению с тем, что излучало бы идеальное черное тело .

Поверхность

Измеренная излучательная способность поверхности Земли находится в диапазоне от 0,65 до 0,99 (на основе наблюдений в диапазоне длин волн 8–13 микрон), причем самые низкие значения наблюдаются в бесплодных пустынных регионах. Коэффициент излучения в основном превышает 0,9, а средний глобальный коэффициент излучения поверхности оценивается примерно в 0,95.

Атмосфера

Наиболее распространенные газы в воздухе (например, азот, кислород и аргон) обладают незначительной способностью поглощать или излучать длинноволновое тепловое излучение. Следовательно, способность воздуха поглощать и излучать длинноволновую радиацию определяется концентрацией примесей газов, таких как водяной пар и углекислый газ.

Согласно закону теплового излучения Кирхгофа , излучательная способность вещества всегда равна его поглощательной способности на данной длине волны. На некоторых длинах волн парниковые газы поглощают 100% длинноволнового излучения, испускаемого поверхностью. Итак, на этих длинах волн излучательная способность атмосферы равна 1, и атмосфера излучает тепловое излучение так же, как идеальное черное тело. Однако это применимо только к длинам волн, где атмосфера полностью поглощает длинноволновое излучение.

Хотя парниковые газы в воздухе имеют высокую излучательную способность на некоторых длинах волн, это не обязательно соответствует высокой интенсивности теплового излучения, испускаемого в космос. Это связано с тем, что атмосфера, как правило, намного холоднее поверхности, а скорость излучения длинноволнового излучения измеряется как четвертая степень температуры. Таким образом, чем выше высота, на которой испускается длинноволновое излучение, тем ниже его интенсивность.

Атмосферное поглощение

Атмосфера относительно прозрачна для солнечной радиации, но почти непрозрачна для длинноволновой радиации. Атмосфера обычно поглощает большую часть длинноволнового излучения, испускаемого поверхностью. Поглощение длинноволнового излучения предотвращает попадание этого излучения в космос.

На длинах волн, при которых атмосфера поглощает поверхностное излучение, некоторая часть поглощенного излучения заменяется меньшим количеством теплового излучения, испускаемого атмосферой на большей высоте.

При поглощении энергия, передаваемая этим излучением, передается веществу, которое ее поглотило. Однако в целом парниковые газы в тропосфере излучают больше теплового излучения, чем поглощают, поэтому длинноволновая радиационная теплопередача оказывает чистое охлаждающее воздействие на воздух.

Атмосферное окно

При отсутствии облачного покрова большая часть приземных выбросов , достигающих космоса, поступает через атмосферное окно . Атмосферное окно — это область спектра электромагнитных волн от 8 до 11 мкм, где атмосфера не поглощает длинноволновое излучение (за исключением диапазона озона от 9,6 до 9,8 мкм).

Газы

Парниковые газы в атмосфере ответственны за большую часть поглощения длинноволновой радиации в атмосфере. Наиболее важными из этих газов являются водяной пар , углекислый газ , метан и озон .

Поглощение длинноволнового излучения газами зависит от конкретных полос поглощения газов в атмосфере. Конкретные полосы поглощения определяются их молекулярной структурой и энергетическими уровнями. Каждый тип парниковых газов имеет уникальную группу полос поглощения , которые соответствуют определенным длинам волн излучения, которые газ может поглощать.

Облака

На баланс OLR влияют облака, пыль и аэрозоли в атмосфере. Облака имеют тенденцию блокировать проникновение восходящей длинноволновой радиации, вызывая меньший поток длинноволновой радиации, проникающей на большие высоты. Облака эффективно поглощают и рассеивают длинноволновое излучение и, следовательно, уменьшают количество исходящего длинноволнового излучения.

Облака обладают как охлаждающим, так и согревающим эффектом. Они обладают охлаждающим эффектом, поскольку отражают солнечный свет (измеряемым альбедо облаков ), и согревающим эффектом, поскольку поглощают длинноволновое излучение. Для низких облаков отражение солнечной радиации имеет больший эффект; Итак, эти облака охлаждают Землю. Напротив, для высоких тонких облаков в холодном воздухе поглощение длинноволновой радиации является более значительным эффектом; поэтому эти облака согревают планету.

Подробности

Взаимодействие испускаемого длинноволнового излучения с атмосферой осложняется факторами, влияющими на поглощение. Путь излучения в атмосфере также определяет поглощение излучения: более длинные пути через атмосферу приводят к большему поглощению из-за совокупного поглощения многими слоями газа. Наконец, температура и высота поглощающего газа также влияют на его поглощение длинноволнового излучения.

На OLR влияет температура кожи поверхности Земли (т. е. температура верхнего слоя поверхности), излучательная способность поверхности кожи, температура атмосферы, профиль водяного пара и облачный покров.

День и ночь

В суммарной всеволновой радиации в ночное время и в полярных регионах преобладает длинноволновая радиация. Хотя поглощенная солнечная радиация в ночное время отсутствует, земная радиация продолжает излучаться, прежде всего за счет поглощенной в течение дня солнечной энергии.

Связь с парниковым эффектом

Исходящая радиация и парниковый эффект как функция частоты. Парниковый эффект виден как область верхней красной области, а парниковый эффект, связанный с CO _{2 ,} виден непосредственно как большой провал вблизи центра спектра OLR.

Уменьшение исходящей длинноволновой радиации (OLR) по сравнению с длинноволновой радиацией, испускаемой поверхностью, лежит в основе парникового эффекта .

Более конкретно, парниковый эффект можно определить количественно как количество длинноволновой радиации, испускаемой поверхностью и не достигающей космоса. На Земле по состоянию на 2015 год около 398 Вт/м. ² длинноволновая радиация испускалась поверхностью, а OLR, количество, достигающее космоса, составляло 239 Вт/м. ² . Таким образом, парниковый эффект составил 398−239 = 159 Вт/м. ² , или 159/398 = 40% приземных выбросов, не достигающих космоса.

Эффект увеличения выбросов парниковых газов

Когда концентрация парниковых газов (таких как углекислый газ (CO ₂ ), метан (CH ₄ ), закись азота (N ₂ O) и водяной пар (H ₂ O)) увеличивается, это имеет ряд последствий. На заданной длине волны

• доля поглощаемых приземных излучений увеличивается, что снижает OLR (если только 100% приземных излучений на этой длине волны уже не поглощаются);
• высота, с которой атмосфера излучает эту длину волны в космос, увеличивается (поскольку высота, на которой атмосфера становится прозрачной для этой длины волны, увеличивается); если высота излучения находится в пределах тропосферы, температура излучающего воздуха будет ниже, что приведет к уменьшению OLR на этой длине волны.

Размер снижения OLR будет зависеть от длины волны. Даже если OLR не уменьшается на определенных длинах волн (например, поскольку 100% приземных излучений поглощается, а высота выброса находится в стратосфере), повышенная концентрация парниковых газов все равно может привести к значительному снижению OLR на других длинах волн, где поглощение слабее.

Когда OLR уменьшается, это приводит к энергетическому дисбалансу, при этом получаемая энергия превышает потерянную, вызывая эффект потепления. Таким образом, увеличение концентрации парниковых газов приводит к накоплению энергии в климатической системе Земли, способствуя глобальному потеплению .

Поверхностная бюджетная ошибка

Если поглощательная способность газа высока и газ присутствует в достаточно высокой концентрации, поглощение на определенных длинах волн становится насыщенным. Это означает, что газа достаточно, чтобы полностью поглотить излучаемую энергию на этой длине волны до того, как она достигнет верхних слоев атмосферы.

Иногда ошибочно утверждают, что это означает, что увеличение концентрации этого газа не окажет дополнительного влияния на энергетический бюджет планеты. Этот аргумент игнорирует тот факт, что исходящее длинноволновое излучение определяется не только количеством поглощенного поверхностного излучения , но также высотой (и температурой), на которой длинноволновое излучение испускается в космос. Даже если 100% приземных излучений поглощаются на определенной длине волны, OLR на этой длине волны все равно может быть уменьшено за счет увеличения концентрации парниковых газов, поскольку повышенная концентрация приводит к тому, что атмосфера излучает длинноволновое излучение в космос с большей высоты. Если воздух на большей высоте холоднее (как и во всей тропосфере), то тепловые выбросы в космос уменьшатся, что уменьшит OLR.

Ложные выводы о последствиях «насыщения» поглощения являются примерами ошибки поверхностного бюджета , то есть ошибочных рассуждений, возникающих в результате сосредоточения внимания на обмене энергией на поверхности вместо сосредоточения внимания на энергетическом балансе верхней части атмосферы (TOA).

Измерения

Пример спектра волновых чисел инфракрасного излучения Земли (400–1600 см). ⁻¹ ), измеренное IRIS на спутнике Nimbus 4 в 1970 году.

Измерения уходящей длинноволновой радиации в верхних слоях атмосферы и длинноволновой радиации, возвращающейся к поверхности, важны для понимания того, сколько энергии сохраняется в климатической системе Земли: например, как тепловое излучение охлаждает и нагревает поверхность и как эта энергия распространяется, чтобы повлиять на развитие облаков. Наблюдение этого потока излучения с поверхности также дает практический способ оценки температуры поверхности как в локальном, так и в глобальном масштабе. Это распределение энергии является движущей силой атмосферной термодинамики .

ОЛР

Исходящая длинноволновая радиация (OLR) отслеживается и сообщается с 1970 года с помощью ряда спутниковых миссий и инструментов.

• Самые ранние наблюдения проводились с помощью инфракрасного интерферометра-спектрометра и радиометра приборов (IRIS), разработанных для программы «Нимбус» и развернутых на «Нимбус-3» и «Нимбус-4». Эти интерферометры Майкельсона были разработаны для охвата длин волн от 5 до 25 мкм.
• Улучшенные измерения были получены, начиная с приборов «Баланс радиации Земли» (ERB) на «Нимбусе-6» и «Нимбусе-7».
• За ними последовали сканеры эксперимента по радиационному бюджету Земли и несканнерный сканер. о спутниках NOAA-9, NOAA-10 и спутнике радиационного баланса Земли; а также приборы «Облака и система лучистой энергии Земли» на борту «Аква», «Терра», «Суоми-АЭС» и NOAA-20, а также прибор «Бюджет геостационарной радиации Земли» (GERB) на спутнике «Метеосат второго поколения» (MSG).

Поверхностное ДВ-излучение

Длинноволновое излучение у поверхности (как наружу, так и внутрь) измеряется в основном пиргеометрами . Наиболее известной наземной сетью для мониторинга приземного длинноволнового излучения является Базовая сеть приземного излучения (BSRN) , которая обеспечивает важные, хорошо откалиброванные измерения для изучения глобального затемнения и просветления.

Данные

Данные о поверхностном длинноволновом излучении и OLR доступны из ряда источников, включая:

• Бюджет НАСА GEWEX по приземному излучению (1983–2007 гг.)
• Проект НАСА «Облака и система лучистой энергии Земли» (CERES) (2000–2022 гг.)

Расчет и моделирование OLR

Смоделированный спектр волновых чисел уходящего длинноволнового излучения Земли (OLR) с использованием ARTS . Кроме того, излучение черного тела для тела при температуре поверхности T _s и тропопаузы температуре T _{min .} показано

Смоделированный спектр длин волн OLR Земли в условиях ясного неба с использованием MODTRAN .

Многие приложения требуют расчета величин длинноволнового излучения. Локальное радиационное охлаждение за счет уходящей длинноволновой радиации, подавление радиационного охлаждения (за счет нисходящей длинноволновой радиации, компенсирующей передачу энергии восходящей длинноволновой радиацией) и радиационный нагрев за счет приходящей солнечной радиации определяют температуру и динамику различных частей атмосферы.

Используя яркость , измеренную прибором с определенного направления, о свойствах атмосферы (таких как температура или влажность можно получить обратно обратные выводы ) . Расчеты этих величин решают уравнения переноса излучения , описывающие излучение в атмосфере. Обычно решение осуществляется численно с помощью кодов переноса атмосферного излучения, адаптированных к конкретной задаче.

Другой распространенный подход — оценить значения с использованием температуры поверхности и излучательной способности верхней части атмосферы , а затем сравнить их с яркостью или яркостной температурой спутника .

Существуют интерактивные онлайн-инструменты, которые позволяют увидеть спектр уходящего длинноволнового излучения, которое, по прогнозам, достигнет космоса при различных атмосферных условиях.

См. также

• Эффективная температура
• Спутниковое измерение температуры
• Коротковолновое излучение

Внешние ссылки

• Центр климатической диагностики NOAA
• Исходящее тепловое излучение Земной обсерватории НАСА
• Управление обработки и распространения спутниковых данных, Радиационный бюджет в Wayback Machine (архивировано 5 мая 2008 г.)
• Метеорологический спутниковый центр Японского метеорологического агентства на Wayback Machine (архивировано 27 сентября 2007 г.)
• Планетарный энергетический баланс, физическая география