向上通量Wm

图3.7:1986年1月观测到的地球纬向平均OLR。这些观测是由卫星仪器进行的地球辐射预算实验(ERBE)，并沿纬度圈平均。该图还显示了如果大气对红外辐射是透明的，那么地表将向太空发射的辐射(aTf)。

凝结的物质和水一样能吸收红外线。液态甲烷(在土卫六上很重要)和二氧化碳冰(在现在和早期火星上很重要)是相对较差的红外吸收剂。它们以一种完全不同的方式影响OLR，通过反射而不是吸收和发射。这将在第5章讨论。

简单地说，就是这样温室效应是如何起作用的:从能量平衡的要求吸收的太阳辐射确定有效黑体辐射温度Trad。这不是表面温度;相反，它是在大气中某个压力水平下遇到的温度，它表征了大气的红外不透明度，特别是红外光子逃逸到太空的典型高度。大气压由大气中的温室气体浓度决定。表面温度是通过从固定温度Trad开始，利用大气的递减率从prad推断到表面压力ps来确定的，大气的递减率大致受适当绝热的控制。自温度随海拔升高而降低在典型大气的大部分深度上，这样得到的表面温度通常大于Trad，如图3.6所示。增加温室气体的浓度会降低prad，因此会增加表面温度，因为温度是在更大的压力范围内从Trad推断出来的。认识到温室变暖依赖于大气温度的降低是非常重要的温度随高度变化，这通常是由于对流建立的绝热剖面。温室效应是通过使行星在比表面温度更低的温度下辐射而起作用的，但要使这成为可能，必须有一些冷空气在高空使温室气体发挥作用。

对于一个由干绝热曲线给出温度分布的大气，其表面温度为

用这个公式，地球目前的表面温度可以用prad/ps = .67来解释，其中prad«670mb。地球的实际辐射压力略低于这个估计值，因为大气温度随高度的衰减比干绝热层要小。高面金星温度可以用prad/ps = .0095来解释，假设温度分布是由纯CO2大气的非冷凝绝热曲线给出的。考虑到金星的表面压力为93bar，辐射水平为880mb，有趣的是，这只比地球表面的压力略低。地球从非常接近其表面的区域向太空辐射，而金星只从靠近大气层顶部的薄壳中辐射。请注意，从图2.2中观测到的金星温度分布来看，辐射温度(253K)是在p = 250mb时遇到的，而不是我们估计的更高的压力。至于地球，我们对金星的精确数值prad的估计是错误的，因为理想气体不凝结绝热并不是实际温度分布的精确模型。以金星为例，问题很可能来自于理想气体假设和忽略cp的变化，而不是凝结。

辐射水平和辐射温度的概念也使我们能够理解能量平衡限制木星和土星等气体巨星气候的方式，因为它们没有明显的表面。raybet雷竞技最新我们已经做过的岩质行星计算的本质是使用顶部大气能量预算确定绝热曲线的参数，然后沿绝热曲线外推表面温度。对于非冷凝绝热体，符合能量平衡的大气廓线为T(p) = Trad(p/prad)R/Cp。对于气体巨星的(非冷凝)对流外层来说，这仍然是一个合适的温度剖面，与前一种情况的唯一区别是，对于气体巨星来说，没有表面作为绝热区域的自然下界。在某一深度，对流会消失，绝热必须与其他温度模型相匹配，以确定对流区域的底部，并确定较深区域的温度。再也没有了

观测OLR (W/m2)吸收太阳通量(W/m2) Trad(实际)Trad(仅限太阳能)

木星14.3 12.7 126K 110K

土星4.6 3.8 95K 81K

天王星。52 .93 55K 58K

海王星。61 .38 57K 47K

表3.1:气体巨行星的能量平衡，以及推断的辐射温度。Trad的唯一太阳值是在没有任何太阳能的情况下，将平衡观测到的吸收太阳能的辐射温度内部热量源。

任何明显的表面都不会因温室效应而变暖，但大气中的温室气体浓度仍然通过prad影响T(p)。例如，在木星大气对流的外部区域增加一些额外的温室气体会降低prad，因此会增加在1巴压力水平下遇到的温度。

能量平衡足以唯一地确定温度分布，因为非冷凝绝热是一个单参数的温度分布族。冷凝气体和非冷凝气体混合物的饱和绝热也是一个参数族，由式2.33定义，因此可以类似地处理。如果该行星的适当绝热值有不止一个自由参数，就需要能量预算以外的额外信息来解决问题。另一方面，单组分冷凝大气(如式2.27所述)产生的温度分布没有可调节的自由参数，以满足能量预算。这种困境的后果将作为我们讨论的一部分失控的温室现象，在第4章。

利用地球上和太空中的红外望远镜，人们可以直接测量太阳系中行星的OLR。在气体巨星的情况下，辐射能量大大超过吸收的太阳辐射。表3.1比较了气体巨星观测到的OLR与吸收的太阳通量。除了天王星之外，其他气体巨星似乎都有一个巨大的内部能量来源，这使得辐射温度大大超过了行星被加热时的温度太阳能吸收一个人。天王星是反常的，因为它实际上发射的能量比它从太阳接收到的能量要少。观测到的天王星OLR的不确定性实际上允许发射与太阳吸收保持平衡，但似乎仍然排除了任何重要的内部能量来源。这可能表明天王星内部动力学的深刻差异。另一方面，天王星旋转轴异常大的倾斜意味着天王星有异常强烈的太阳加热季节变化，可能是迄今为止观测到的半球还没有时间达到平衡，这就会打乱能量平衡的估计。

因为地球是母星，所以卫星一直在密切监测地球的辐射收支。的间接推论海洋热吸收指示大气顶部辐射预算目前是不平衡的，地球从太阳吸收接收约1W/m2比它发射到太空的红外3。这与由内部加热引起的不平衡相反。这是由地球上人类居民的繁忙活动引起的二氧化碳和其他温室气体迅速上升的直接后果。温室气体的迅速增加降低了OLR，但由于海洋升温和冰融化需要时间，地球温度还没有上升到足以恢复能量平衡的程度。

3在撰写本文时，大气层顶部卫星测量还不够准确，无法直接观测到这种不平衡

3.3.2一个典型的饱足的人在休息状态下以食物的形式消耗能量100W，基本上所有的能量都以热量的形式释放到周围的环境中。一名宇航员在一个半径为r的球形逃生舱中，远远超出了冥王星的轨道，因此它基本上不会接收到来自阳光的能量。逃生舱里的空气是等温的。逃生舱的外壳是热的良好导体，因此球体的表面温度与内部温度相同。表面像一个理想的黑体一样辐射。

找出温度用r表示的表达式，并求出几个合理的值。大豆荚好还是小豆荚好?在设计这样的逃生舱时，你是否应该包括一个额外的热源如果你想让宇航员舒服的话?

如果豆荚是圆柱形的而不是球形的，你的答案会有什么变化?如果豆荚是立方体的?

像水星或月球这样的天体代表了均匀温度极限的另一个极端。由于没有大气或海洋来传输热量，而且在岩石表面，热量的传导极其缓慢，这颗行星的每一部分，几乎都是与其他部分在热上隔离的。而且，到达岩石表面只需很短的时间平衡温度，因此，每一点的地表温度与瞬时吸收的太阳辐射非常接近平衡，几乎没有昼夜或季节的平均。在这种情况下，平均行星表面的能量预算不能很好地估计温度，而单独计算行星表面每个小块的瞬时平衡温度会更准确。例如，考虑行星上的一个点，在某个特定的时刻，太阳正处于我们的头顶上。此时，太阳光垂直地射向一小块地面，单位面积吸收的太阳辐射简单地为(1 - a)LQ;那么决定地面温度的能量平衡是

更一般地说，当进行能量平衡计算时，我们想到的温度是地球上适当部分和适当时间间隔的平均温度，其中“适当”取决于响应时间和所考虑的行星的热传输机制的效率。相应地，要使用的适当的入射太阳通量是每单位辐射表面的入射太阳通量，其平均值与温度一致。对于等温行星，我们将用符号S表示平均太阳通量S = 4lq，而在相反的极端，S = Lq表示太阳下点的瞬时响应。在其他情况下，沿着纬度圈或在一个半球上进行平均可能是合适的。更完整的处理地理，季节和白天的温度将在第7章给出各种变化。

练习3.3.3假设有一颗行星与它的太阳处于潮汐锁定状态，所以它总是显示相同的状态

表面类型

干净的新H2O雪裸露的海冰干净的H2O冰川冰深水撒哈拉沙漠火星砂玄武岩(任何行星)花岗岩石灰岩草原落叶林针叶林苔原

反照率

表3.2:不同地表类型的典型反照率值。这些只是有代表性的值。反照率可以作为详细条件的函数而有很大的变化。例如，海洋反照率取决于太阳辐射撞击地表的角度(表中给出的值为近正常的发病率)，而裸露海冰的反照率则取决于气泡的密度。

它在轨道上运行时面朝太阳(就像月球总是对着地球一样)。假设被照亮的面是等温的，但假设没有热量泄漏到夜晚的面，估计行星白天一侧的平均温度。

反照率不是行星形成时确定的静态量。在很大程度上，反照率是由大气和地表的过程决定的，这些过程对气候状况非常敏感。raybet雷竞技最新云是由悬浮的微小颗粒组成的，这些颗粒是某些大气成分的液体或固体相;这些粒子是可见光和紫外线的非常有效的反射器，几乎不管它们是由什么组成的。云几乎完全控制着地表反射率金星，土卫六和所有的气体巨行星，也发挥了重要作用地球的反照率．此外，行星表面的性质会随着时间的推移而变化，许多表面特征都受到气候的强烈影响。raybet雷竞技最新表3.2给出了地球上常见地表类型的反照率。地球上被海冰、雪、冰川、沙漠或各种植被覆盖的比例由温度和降水模式决定。随着气raybet雷竞技最新候的变化，地表特征也会发生变化，由此产生的反照率变化会反馈给气候状态。气候引起反照率还是反照率引起气候，这不是一个“先有鸡还是先有蛋”的问题;raybet雷竞技最新相反，这是一个与气候影响反照率和反照率影响气候的物理方式相一致的状态。raybet雷竞技最新从这个意义上说，反照率的变化导致了一种形式的气候反馈。raybet雷竞技最新我们将在气候系统中遇到许多其他类型的反馈循环。raybet雷竞技最新

在所有反照率反馈中，与高反射性雪或冰覆盖地表有关的反照率反馈在思考地球气候的演变过程中起着重要作用。raybet雷竞技最新让我们考虑一下，对于一个完全被水海洋覆盖的行星，反照率是如何随温度变化的——这是对地球的合理近似，它是|海洋。我们将用全球平均地表温度Ts来描述气候的特征，但假raybet雷竞技最新设温度也像地球一样

继续阅读:部分吸收大气

这篇文章有用吗?

0 0