辐射率和全球变暖

如今，人们打开报纸或杂志都能看到关于全球变暖即将到来的警告，原因是臭名昭著的温室效应。由于这种非同寻常的宣传，对温室效应的解释更多地是考虑到记者和政客，而不是科学家。即使是那些在科学期刊上发表文章比在通俗刊物上发表文章更频繁的人，他们也认为科学的重要性温室效应是“关闭大气窗口”的结果，从而“捕获”辐射，或者它是大气排放增加的结果。当两种解释的支持者发生冲突时，结果确实是变暖，尽管是局部的而不是全球的。

如果我们撇开对…的批评不谈温室效应这个术语(温室的功能主要是通过包围一个被太阳辐射加热的空间来抑制对流)，我们仍然面临着试图解决两个显然不可调和的物理解释的任务。

为了做到这一点，我们转向一个简单的例子辐射平衡，对于由两个均匀平板组成的系统，一个在另一个之上(图1.15)。顶板的绝对温度

图1.15:两块均匀平板之间的辐射平衡，横向范围无穷大。顶板对入射短波辐射是透明的，而两个板都能发射和吸收长波辐射。底板对长波辐射呈黑色。

助教;底板为Te。顶板的吸收率对底层板(假设为黑体)发射的辐射光谱的平均为a。我们假设顶板的发射率e(对其发射光谱的平均)等于a，这不是严格正确的，除非两个温度相等或发射率和吸收率与频率无关。我们还假设顶板不反射来自底板的辐射，因此透射率t(的分数入射辐射顶板的透射率为1 - a =1 - e。顶板对系统外部从上方照射它的源的辐射是透明的，其中S是源的净辐照度(单位时间内穿过单位面积的净辐射能)。源光谱与发射光谱几乎没有重叠。

首先考虑两个平板作为一个单独的系统。如果处于辐射平衡状态，则输入到其上的净辐射能必须由底板发射和顶板传输的辐射加上顶板发射的辐射来平衡:

S = aTe4(1 - e) + eaT4。(1.70)

辐射能量平衡应用于顶部板产生

eaT = aaT^ = eaT^。(1.71)

左边的项是顶部平板的总排放量，它向上和向下都有排放(因此是因子2);右边的项是上层吸收下层辐射的结果。

我们可以解这两个方程得到S

对于辐射平衡温度底板的。没有其他的能量传递模式;平板悬浮在真空中。

由于假设a = e = 1 - t，我们可以将式(1.72)重写为

请注意，板的温度是外部源的结果，但对于固定的S，平衡温度取决于辐射特性(e或，等价地，t)的顶板。

这一切与大气，特别是全球变暖有什么关系?上面的板子代表大气，下面的板子代表地面。总金额太阳辐射能被地球拦截的是S0nRl, Re是它的半径。然而，总表面积是4nR^，因此均匀分布在整个地球上的太阳辐照度是(1369/4)Wm-2。只是这个的一小部分辐射能是从卫星照片上可以明显看出，在可见光波段上，地球大部分是黑暗的(海洋)，被云层照亮了一些地方。总分数的估计值反射太阳辐射，行星反照率a为0.30(30%)。这就得到了净太阳辐照度S = S0(1 -a)/4 = 240 Wm~2(反照率或多或少与反射率同义，尽管反照率通常适用于反射在一个半球方向上的辐射，而反射率可能适用于反射在特定方向或一个半球方向上的辐射)。这是输入到地球的净太阳辐射能平均分布在整个星球上。如果我们取式(1.72)中S的这个值，我们得到不同的温度Te取决于e。对于e = 1, Te = 303 K(30°C)，而对于e = 0, Te = 255 K(-18°C)。这些温度至少与地球表面附近的典型气温一致，既不会高得离谱，也不会低得离谱。

虽然氮和氧是大气中在数值上占主导地位的气体，但它们在辐射上并不占主导地位。对发射率的贡献(在普朗克光谱上的典型地球温度)大部分是地球的大气层从相对少量的某些红外活性气体(见章节2)，到目前为止，水蒸气是最丰富的，尽管仍然不到大气的1%。二氧化碳是另一种红外活跃气体，其丰度约为360ppm。即使地球上没有人类居民，这种气体也会存在于大气中，但自地球灭绝以来，这种气体一直在增加工业革命的开端这可能是因为化石燃料的燃烧增加了。

目前大气的发射率为0.8，如果用S = 240 Wm~2代入式(1.72)，则得到Te = 289 K(16°C)。我们注意到这不是全球平均温度。首先，没有所谓的平均温度(或任何平均值)，而是无限多可能的平均值，这取决于平均温度的函数及其加权方式。Te对应的是什么?是地面的温度吗?如果是这样的话，这不是空气温度，因为空气温度随高度而变化，特别是在接近地面的地方。我们可以肯定的是，Te = 289 K是吸收约240 Wm~2辐射能的平板的辐射平衡温度，高于此温度的是另一个£= 0.8但不吸收任何太阳辐射的平板。此外，下层的平板对上层的辐射呈黑色，而辐射是能量传递的唯一形式(这就是辐射平衡的意思)。

说图1.15所示的由两块平板组成的简单系统是大气模型有点牵强。它充其量是一个类比，有助于我们理解一些基本物理，可能有助于构建可验证的假设，如果使用得当，甚至可以估计相对变化。例如，如果大气的£是由于红外活性气体数量的增加而增加的，这表明低层大气的温度可能会增加。

式(1.73)是将全球变暖解释为“关闭窗口”的结果的基础。随着(模拟)大气透射率的降低，辐射平衡温度Te升高。式(1.72)是将全球变暖解释为排放增加的结果的基础。随着发射率的增加，辐射平衡温度也随之增加。哪种解释是正确的?如果基于同一理论，就不可能一种解释是对的，另一种解释是错的。这两种解释只是说同一件事的两种不同的方式。

虽然一种解释不可能是对的，另一种解释是错的，但一种解释可能比另一种解释误导更少，更恰当。出于几个原因，我们更倾向于增加排放的解释。根据这种解释，我们在地球表面是由两种辐射源变暖的:太阳和大气。根据这种解释，大气实际上是在做一些事情(排放)，而根据另一种解释，它只是阻止一些事情的发生。此外，大气捕获辐射的概念往好了说就是一个糟糕的比喻，往坏了说就是彻头彻尾的愚蠢。在辐射解释中，大气是一个辐射源，而不是一个光子陷阱，它把任性的光子聚集起来，并把它们送回地球，就像一个逃学的官员把任性的孩子送回学校一样。旷课官可以把孩子送回学校，因为他们是可区分的，而光子则不然。如果你对此不感到困扰，那么地面向大气发射的辐射光谱与大气向地面发射的辐射光谱是不一样的这一事实又如何呢?

为了进一步支持发射解释，考虑下面的思想实验。快速地用高导电金属涂料涂满整个地球，从而将表面的发射率降低到接近零。因为火星表面不再发射辐射，所以没有任何物质能被大气层“俘获”。然而，大气层仍然像以前一样不断地辐射，对表面没有辐射的情况浑然不觉(至少在最初是这样;随着大气温度的下降，其排放速率也随之下降)。当然，如果表面不发射辐射，但继续吸收太阳辐射，表面温度上升，不可能达到平衡，直到发射光谱转移到发射率不为零的区域。

一个比温度在物理上更相关的量是向下发射的辐射。(1.71)和(1.72)为

这个方程是地球辐射收支的简单概括。它告诉我们从大气向地表的辐射是辐射能转换的结果。太阳辐射(S)由于被表面吸收而转变为波长更长的辐射

来自大气层的菲。但除非大气的辐射率非零，否则这种转变不可能发生。随着e的增加，向下的辐射增加，在e = 1时增加的速度最大。S为太阳对行星的净入射辐射，受云的辐射特性及其空间范围、太阳输出和地日距离等因素的影响。虽然在我们的类比中，平板是均匀的，但大气却不是。天空可以是多云的，也可以是晴朗的，或者两者兼而有之，我们已经看到，云的发射率比晴朗空气的发射率要大。这表明了云在减少Fi(因为反射更大(减少S))和增加Fi(因为更大的排放)方面的相反作用。

底(面)板吸收的所有波长的辐射能总量为

一个具有明确物理意义的平均(或更好的，有效)温度是地球的有效辐射平衡温度Teff，它被定义为总发射等于的黑体的温度净太阳辐射地球在其整个表面的平均接收量:S

当S = 240w m-2时，Teff = 255 K。这相当于月球上的观测者将地球视为红外太阳时推断出的黑体温度。正如我们在地球上说太阳相当于一个6000k的黑体(基于太阳辐照度)，月球上的观察者会说地球相当于一个255k的黑体(基于地球辐照度)。请注意，式(1.76)定义的有效温度不(直接)依赖于地球大气的发射特性。

一般来说，能量(或功率)是一个比温度更相关的物理量。能量是附加的，而温度不是;能量是守恒的，而温度不是。能量通量驱动大气过程。但是Wm-2在美国的报纸上是被禁止的，一方面是因为它是一个SI量，另一方面是因为它对于美国最虚伪的报纸的读者来说也太科学了。同样，我们得到的不是能量通量，而是风寒温度，这掩盖了一个事实，即能量通量，而不是温度，导致人体温过低。加拿大气象学家曾经给出过能量通量(能量从身体转移的速率)，我们记得在冬天曾经看到过一个1000 Wm-2的数值，如果你了解能量通量的话，这个数字会让你发抖。

在一定的时间和一定的区域内，大气所放射出的辐射总量是一个确定的数字。这可能很难衡量，但它不是一个平均值。

式(1.74)包含一个陷阱，不是辐射陷阱，而是为粗心的人准备的陷阱，它捕捉到了一些大鱼。乍一看，可能发生的最坏情况似乎是e达到1，因此从大气到地表的最大辐照度将被固定在s。任何红外活性气体的添加都不会有任何影响。这个可疑的结论说明了把类比做得太过的危险。我们所作的简化假设随着红外活性气体浓度的增加而变得不成立

长波短波

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