大气太阳吸收对纯辐射平衡的影响

现在我们将考察大气中太阳辐射的吸收是如何影响温度的大气结构在辐射平衡．这种计算的主要应用是了解平流层的热结构。在什么情况下平流层的温度会随着高度而升高?的影响太阳能吸收对木星这样的气体巨行星的影响更为重要。由于没有明显的表面吸收阳光，大气对气体巨星的所有太阳驱动都来自于沉积物太阳能在大气中。在这种情况下，吸收的剖面在很大程度上决定了辐射平衡大气对对流不稳定的位置，因此对流层将倾向于在哪里形成。这个答案决定了气态巨行星上的对流是否部分是由太阳加热驱动的，而不是由从行星内部深处携带热量的浮力羽状物上升驱动的。

在地球的平流层，太阳的吸收主要是由于臭氧对紫外线的吸收。在地球和其他行星上，它们的大气中有可观的水，水蒸气对太阳近红外的吸收水的云是很重要的。CO2还具有显著的近红外吸收，这在当今地球上的CO2浓度下相对不重要，但在早期地球上CO2浓度高得多的时候就变得重要了;在以二氧化碳为主的火星(现在和过去)和金星的大气中，二氧化碳对太阳近红外的吸收当然是重要的。尘埃对太阳的吸收对火星大气深处的热结构很重要。在土卫六上，有机雾霾对太阳的吸收控制着上层大气的热结构。太阳吸收对于理解CH4和SO2等温室气体的影响也至关重要，这些气体除了在大气中具有辐射活性外，还强烈吸收阳光热红外．在全球热核战争或小行星撞击地球(“核冬天”问题)之后，高空尘埃和煤烟云也会产生强烈的太阳吸收。

由于本章中的Schwartzschild方程仅用于描述红外通量，因此太阳加热的加入不会改变这些方程。由于太阳吸收而产生的加热只改变了局部平衡的条件，现在涉及到太阳和红外通量的沉积。我们将每单位光学深度的太阳加热速率写成Qq = dFQ/dT的形式，其中Fq是净向下太阳通量作为红外光学深度的函数。在大气顶部，Fq = (1 - a)S，其中a是行星反照率——即在大气顶部测量的反照率。因为在典型的行星温度下，大气并不会显著地排放太阳光谱时，没有太阳通量的内部来源，因此Fq从大气顶部到地面的过程必然单调减小。

在给定位置的净辐射热现在是红外和节气的和，即。

- dt (1+ - j -) + dTFQ = 0 (4.50)

对这个方程积分，要求大气能量预算要与地方收支平衡吸收的太阳辐射，我们发现

在大气的顶部，这减少到OLR - (1 - a)S = 0，这是对的要求大气顶部能量平衡。由于太阳吸收不改变红外Schwartzschild方程，公式4.41与没有太阳吸收的纯辐射平衡情况相同。将Eq 4.51代入积分，得到

在写这个表达式时，我们利用了大气顶部的边界条件1+ - 1 - = OLR = (1 - a)S。热平衡方程4.40需要稍微修改，因为红外冷却现在平衡太阳能加热，而不是被设置为零。因此,dTFQ = dT (1 + - 1) = - (1 + + 1 -) + 2 fft4 (4.53)

2aT4 = - F©+/ Fq(T')dr' + (1 - a)S (4.54)

这就给出了太阳通量垂直剖面下温度的垂直剖面;通过设置F0 = const = (1 - a)S，可以恢复前一种情况(没有太阳吸收)。在大气顶部，公式4.53中的积分消失，温度变得与第3章(公式3.27)中推导出的被太阳吸收加热的皮肤层的温度相同。

对t求导得到dd2

_ ^ =f0 - f0 (455)

这个方程提供了一个简单的标准来确定太阳吸收什么时候导致温度随高度而增加。当没有吸收时，F0是一个常数，由于它是正的，温度随高度而降低。量J|F0 1 d2F0/dT2|为局地太阳通量衰减率，以红外光学深度为单位。在当地太阳衰减率小于单位的地方——这意味着太阳通量的衰减率比红外低——辐射平衡温度随着高度的增加而减少。当本地太阳衰变率大于单位时，温度随高度升高而升高．请注意，这是相对于红外消光率的太阳消光率。人们可以通过增加太阳不透明度或降低红外不透明度(通常是通过降低温室气体浓度)来使温度随高度增加。太阳能吸收的剖面对太阳能吸收器的垂直分布也很敏感。在太阳吸收体随高度而急剧增加的地方，例如地球上的臭氧或土卫六上的有机雾霾，平流层温度随高度而升高。

为了说明，让我们假设净向下的太阳通量在穿透大气层时呈指数衰减。具体来说，令Fq = (1 - a)Sexp(- (t0 - t)/ts)，其中ts是常数。Ts是太阳辐射的衰减率，以红外光学深度单位测量。当ts较大时，太阳吸收较红外吸收微弱，人们必须走很远的距离才能使太阳光束明显衰减。相反，当ts很小时，太阳吸收很强，太阳光束在很短的距离内衰减到零，以至于红外几乎没有衰减。在假定的太阳通量形式下，给出了温度分布

如果ts > 1，温度随高度而降低，如果ts < 1，温度随高度而升高。定义皮肤温度为Tskin = (^ (1-a)S))大气顶部温度的1/4为(1 + 1/ts)Tsfcm，当ts较大时降低到皮肤温度，当ts较小时则大大大于皮肤温度。如果大气层足够深，基本上所有的太阳辐射在到达地面之前都被吸收了，那么指数项在大气层深处消失，大气层深处变成温度为(1 + ts)Tskin的等温。因此，当ts很小时，所有的太阳辐射都被大气层顶部附近的一层薄层所吸收。在这一层中，温度随着高度的增加而迅速升高，但下面的大部分大气在皮肤温度下近似等温。强烈的太阳吸收使深层大气层和地面(如果有的话)比没有大气层时更冷。这种反温室效应的产生是因为深层大气只有通过太阳吸收层发射的向下的红外线才能加热。这个向下的辐射等于向上的辐射损失到空间，它必须等于(1 - a)S以满足的顶部大气的平衡．深层大气下降到皮肤温度，因为它被从一侧的通量照亮，但从它的顶部和底部都辐射出去。这一极限与核冬天现象有关，在核冬天现象中，高能爆炸和火灾将全球或半球吸收太阳的烟灰和尘埃云发射到高空。同样的情况也会发生在大型火流星(小行星或彗星)撞击的后果中。在任何一种情况下，烟灰层以下的大气将变得像深冬一样寒冷，而且，松弛到均匀的温度状态将切断对流，而对流在很大程度上推动着水文循环。

即使太阳辐射的吸收率很低，而且没有到达地面，大气层的深度足以吸收所有的太阳辐射，这是有可能发生的。如果大气的红外光谱非常厚，尽管ts很大，但r/¿n/ty/rS >> 1，就会发生这种情况。在这种情况下，深层大气仍然是等温的，但它变得比皮肤温度热得多——事实上，随着ts变大，它变得越来越热。在这种情况下，大气的顶部在相对较低的表面温度下保持平衡，而大气深处则表现出强烈的温室效应。因为深层大气是等温的，它是由

稳定且不会产生对流层。这是一个可能的模型，用于气体或冰巨星的内部状态内部热量通量，其大气在红外波段上光学较厚，但在大气深处只有微弱的太阳吸收。

公式4.56给出的解表明，如果上层大气强烈吸收太阳辐射，就可以解释地球平流层的温度升高。然而，作为地球大气的一个模型，它有一个缺点，如果一个人使平流层吸收足够强，使温度随高度而升高，基本上所有的太阳光束在平流层中都被耗尽了，留下一个等温的低层大气，不会对流并形成对流层。在地球真正的平流层中，臭氧只在太阳光谱的紫外线部分是一个很好的吸收体。一旦紫外线耗尽，进入低层大气的剩余通量只能被大气微弱地吸收。由式4.55可知，太阳衰减率^J|F(_1 d2Fq^/d,T2|在上层大气中较大，上层大气中仍有大量的紫外线可吸收;结果，那里的温度随高度而升高。在低层大气中，太阳衰减率变小，因此辐射平衡温度随高度而降低。还有大量的太阳辐射会加热地面，破坏大气层的稳定，并形成对流层。

公式4.56中的解也解释了为什么在过去一个世纪中人为引起的二氧化碳增加导致对流层变暖而平流层变冷，如图1.17所示。增加温室气体浓度相当于增加tto。如果有人将温度作为压力的函数绘制成tto增加的序列，在上层太阳吸收足够强的情况下，这种现象立即显现出来。这种行为在《问题》中进行了探讨。如果没有太阳吸收，温度的增加会使大气在各个层面上变暖，尽管变暖的量随着高度的增加而减少，因为温度逐渐接近皮肤温度。然而，由于太阳吸收，上层大气增加的红外冷却抵消了越来越多由于太阳吸收引起的变暖，导致那里变冷。在现实中大气对流修改低层大气的温度分布。此外，为了定量地解释观测到的温度趋势，必须考虑实际气体红外和太阳吸收。尽管如此，灰色气体纯辐射平衡计算抓住了机制的本质。

从这个讨论中可以得到的一般教训是，大气层顶部附近的太阳吸收稳定了大气层，减少了温室效应，并冷却了大气层的下部和地面。这对于限制CH4和SO2等温室气体的有效性非常重要，当它们的浓度变得非常高时，它们会显著吸收太阳辐射。这也是土卫六和早期地球上高空吸收太阳的雾霾冷却对流层的方式。煤烟和尘云被小行星撞击的阁楼也有类似的行为。相比之下，集中在地面附近的太阳吸收的效果与简单地降低地面本身的反照率没有太大区别。

继续阅读:真实气体辐射基本原理441概述OLR的各种情况

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