全球能源和熵平衡

在前面章节中,我们已经考虑热力学过程大部分规模小,比如那些与个人相关的云滴,大气与海洋的本地接口,小规模的海洋中混合事件,盐水在海冰的口袋。本章探讨世界范围的能量和熵。考虑地球的总能量和熵提供洞察的维护和稳定地球的气候和气候变化是认识的起点。raybet雷竞技最新这样的考虑不仅需要检查的内部流程地球大气层热力学系统,而且还与系统的交互环境,尤其对太阳辐射的强度以及地球和太阳之间的几何关系。

净的纬度变化辐射通量大气顶部的结果在整个热传输从赤道到两极地区。实际上,大气是热机,吸收辐射的一部分(热源)转换成动能(工作)。的效率大气的热量发动机低,因为强烈的不可逆性的系统产生主要来自一个高度不可逆传热的太阳辐射到地球上。最后,全球hydrologi-cal周期调节地球的能量和熵通过辐射和预算潜在的加热。

12.1行星辐射平衡

在地球辐射平衡,太阳辐射被地球吸收的数量等于它的排放地面辐射当全球平均每年循环。因为大气排放和吸收辐射,地球表面比在温暖的氛围的缺失。

的太阳的光度10 ~ 3.9 x 1026 W,总速率释放的能量是太阳。从这个值,它可以估计太阳发出辐射在一个等效黑体温度约为6000 K。因为空间本质上是一个真空,能量是守恒的,辐射的量达到一个星球是成反比的平方地球和太阳之间的距离

(平方反比定律)。地球和太阳之间的距离确定太阳平均距离和偏心和倾斜的轨道平面。的轴向倾斜,转动轴之间的夹角和正常的平面轨道,日晒的季节和纬度变化造成的影响。太阳常数,年代,被定义为单位时间内所获得的太阳辐射数量和单位面积上,垂直于太阳光线在大气中,在平均日地距离。太阳常数可以评估的平方反比定律是c - U

J是平均日地距离的地方。太阳常数被卫星监测,发现大约1370±4 W m - 2.1

太阳辐射的接收到地球及其大气层等于太阳常数-反射的短波辐射的空间量,乘以地球的横截面积,垂直于太阳辐射光束平行。假设地面排放相当于黑体通量在温度T *,大量的地球相当于黑体发出的长波辐射通量乘以地球的表面积。因此我们可以编写以下表达式地球辐射能量平衡条件下的辐射平衡(图12.1):

[\ - ap) 7 crl =不* * 4 nrp (12.1)

或f (i -«f) = < rr; 4 (i2.ib)

rP是固体地球的半径和美联社行星反照率。因子4在分母上来自一个球体的表面积之比它的横截面积。地球的太阳辐射截获的SitrP2全球平均日晒的顶部是S / 4 = 342 W nr2氛围。解决等效黑体温度(12.磅),T *,我们获得

1自太阳系的形成,太阳光度(因此)增加了20 - 30%。

图12.1辐射地球的能量平衡。地球吸收能量从太阳和失去能量通过长波发射。

图12.1地球辐射能量平衡。地球从太阳吸收的能量通过长波辐射和失去能量。

温度T *不一定是实际的地球表面和大气温度;它只是相当于黑体排放温度一颗行星需要平衡吸收的太阳辐射。使用美联社的价值= 0.31,我们从(12.1 c)获得T * = 254 K的值。注意,这个温度远低于观察到的全球平均地表温度T0 = 288 K。T * T0的区别来自热辐射的排放大气气体和云比T0冷的温度。

图12.2描述了地球的全球和每年平均辐射和能量平衡。342 W的净传入的太阳辐射nr2部分反映在表面,云、气溶胶、大气气体(107 W m - 2), 67 W m - 2(20%)在大气中吸收和168 W m - 2(49%)吸收的表面。热辐射离开大气层源于地球表面和大气中的。的内部能源交易所长波辐射表面与大气之间的更大的大小甚至比日晒顶部的气氛。这些大震级表示的意义所谓的地球大气层的温室效应。这个词温室作为一个松散的类比,因为大多数的太阳辐射经过大气畅通,而发出的热辐射是比地球表面温度冷的气氛。水汽和云提供了大约80%的温室效应,微小的贡献来自二氧化碳、臭氧、和其他几个痕量气体。图12.2显示了大气受到约90 W nr2净冷却;这是平衡的潜在和显热从表面转移到大气中。

图12.2年平均估计地球全球能量平衡。单位是W m ~ 2(基尔和Trenberth, 1997)。

顶部的太阳能通量的气氛,然后给出的

F™= S (ffcosZ (12.2)

子太阳天顶角,d是地球到太阳距离的,和J = 150 x 1011 m是它的平均值。

傅里叶级数的扩张意味着日地距离的平方比实际距离是由

(f) = J ^„cos (n < pd) + bnsin {n < pd) (12.3)

在哪里

dn是一天(1月1 0;364年12月31日)。傅里叶系数(12.3)给出的(斯宾塞,1971):

0.006918 0 0

1)-0.399912 - 0.070257

2 -0.006758 - 0.000907

3 -0.002697 - 0.001480

太阳天顶角,Z,被定义为垂直方向之间的角度和方向的入射太阳光束(见3.3节),是由罪因为Z = < j >罪5 + cos < f因为S cos y / (12.4)

其中0是纬度(0 -在南半球),8是太阳赤纬角,角和y /小时。中午在太阳时角为零,增加为每小时15°太阳中午之前或之后。太阳赤纬角是一个函数只有一天,是独立的位置。它随23°45 -23年6月21到45°的12月21日,在春分和秋分是零。的倾斜角可以近似系数是由(斯宾塞,1971):

0.006918 0 0

1)-0.399912 - 0.070257

2 -0.006758 - 0.000907

3 -0.002697 - 0.001480

使用(12.1)计算日均日晒是如图12.3所示。年平均辐射收到两极是在赤道大约一半。一个非常小的年度周期在赤道,略微半年在春分和秋分以及振荡有最大值最小值在二至点。在北极,阳光直射的一半年缺席。然而,夏至附近每日收到的辐射接收杆超过赤道,因为太阳在地平线为每天24小时。轻微的不对称在半球间的日晒,是因为地球更接近太阳在北半球冬季,因为它的轨道的偏心率。

图123日均日晒顶部的大气季节和纬度的函数。单位是W nr2。虚线表示的纬度太阳直接开销。(从哈特曼,1994)。

100年0

1 0

图12.4年平均吸收短波,即将离任的长波,净辐射平均纬度圈。(从哈特曼,1994)。

图12.4年平均吸收短波,即将离任的长波,净辐射平均纬度圈。(从哈特曼,1994)。

净的纬度变化短波和长波辐射顶部的气氛是如图12.4所示。尽管巨大的半球表面的差异地表反射率从大陆地出现在北半球,TOA辐射在两个半球几乎是相同的。净的半球对称TOA辐射产生以来半球云属性的差异取消表面反射率的差异。

12.2全球热机

图12.4显示,年平均净辐射是正朝赤道方向40°的纬度和负在高纬度地区。因为极地气温并没有观察到冷却和热带的温度并没有观察到温暖的平均传输的热量从赤道到两极地区必须发生。这运输通过流体运动发生在大气和海洋是由横向压力梯度产生的不均匀加热。

估计总额的年平均经向能源运输需要平衡pole-equator辐射平衡给出如图12.5所示。虽然所需的总能量运输很容易由能量平衡顶部的氛围,分区大气和海洋之间的运输是更加困难。气象分析的一个方法是评价运输的温度、湿度和风速,然后确定海洋运输总量之间的残余和大气能量传输。另一种方法

图12.5年平均北方能源传输需要平衡pole-equator辐射不平衡。实线代表top-of-the-atmosphere辐射预算,虚线代表大气,虚线代表了海洋(从张和Rossow, 1997)。

推断出能源运输的分区的区别在顶部的能量平衡的大气和硕士接口(9.1)。

自从近对称半球TOA抵消产生的辐射平衡不对称的表面和云属性,海洋和大气之间的分区能源运输必须两个半球之间的不同。向极大气传输是在南半球比在北半球,但海洋运输是在北半球比在南半球。因为在TOA净半球附近的平衡辐射通量,几乎没有净cross-equatorial传输的热量。然而,由于分区的半球不对称海洋和大气之间的交通,有cross-equatorial运输海洋中向北和向南cross-equatorial大气中传输。图12.5表明,海洋运输20°附近的山峰在两个半球,和大气传输高纬度地区占主导地位。

了解分区大气和海洋能源运输的,我们必须考虑互变现象中动能,势能,和内部的能量。当辐射吸收地球表面或大气中,它表现为内部能量。单位的内部能量水平的面积层的空气与单位质量u = cvT。的内部能量的单位面积列氛围,从地球表面的大气层,是由迪士尼。

在地球大气层内系统内部能量可以转让一个地方到另一个特别是底层表面与大气之间通过辐射和传导,但通过这些过程的净加热系统是零。潜热是内部能量的一部分(见(6.5)),但它是有用的考虑潜热分别从内部的能量。

大气科学的基本问题之一是确定太阳所产生的内部能量转化为势能和动能。势能,广州,每单位质量的大气是由单位面积列显示了潜在的和内部大气中的能量并不是独立的能源形式。因此方便考虑的总势能,Et = Ej + Ev。内部能量转化为动能发生可逆

通过压力梯度力。相应的动能,EK,是由

埃克=呢? pu2dz = \ ^ u2 dp (12.7)

你在哪里风速度。只有那些过程涉及暴力产生或能摧毁动能。向上或向下运动的气氛(或海洋)或反对的重力势能转换成动能,反之亦然,可逆绝热地。大气运动的摩擦力,和随之而来的摩擦加热,将动能转化为内能。

实际上,大气是热机,吸收辐射的一部分(热源)转换成动能(工作)。大气热力发动机,热量流动在整个冷水槽从温暖的来源。执行的工作大气热力发动机维护的动能循环对连续排水通过摩擦耗散的能量。摩擦加热产生必要的熵的增加。动量通量与表面摩擦耗散行为驱动海洋运动。

热循环的强度取决于热机的效率。对于一个可逆卡诺热机,我们从(2.30 b)

如果我们确定T \ = 300 K与热带表面热源和T2 = 200 K的高纬度地区上层大气冷水槽,如果= 33%,我们获得。因为地球的气候系统是不可逆转的,实际raybet雷竞技最新的地球作为一个热机的效率要小得多。可以确定一个更有意义的估计效率

术语的意思是传入的太阳辐射加热,= (1 - aP) S / 4 = 238 W m ~ 2。估计工作项,w,假定生产动能被摩擦耗散平衡,维持大气的平均动能。这个词已经被奥尔特估计,Peixoto (1983) = 2 W nr2,收益率0.8%的效率。

了解大气热机的效率低的原因,我们必须检查为什么只有一小部分可用的总势能转化为动能,而大部分的总势能是无法使用。

考虑一个大气静压没有水平温度梯度等压表面(正压大气)。这种大气的总势能可以计算加法(12.5)和(12.6)。虽然正压大气的总势能可以非常大,没有机制产生动能,气氛将保持静止。

假设最初正压大气加热在低纬度和高纬度地区冷却的方式,没有净加热在世界各地。在静水的气氛中,等压面之间的一层的厚度(1.45)增加在低纬度和减少在高纬度地区,等压面倾斜。这产生一个不均匀的分布密度和温度在等压面(a斜压大气),因此横向压力梯度,导致势能被用于转换成动能。

这个过程如图12.6所示的两种非混相流体的不同密度是相邻的。假设两个液体流体静力学平衡压力梯度力直接从较重的液体轻,导致重流体加速向轻。接下来的运动将导致较重的液体轻躺下。通过密度流体的下沉和上升的打火机液,降低系统的重心,势能转换为动能流体运动。

可用势能的定义是相对于理想参考大气状态的总势能最小和最大熵。参考状态是正压,静压和静态稳定。如果质量是守恒的,质量是允许发生的再分配等熵,然后内部的总和,潜力,动能是不变的。可用的势能,因此定义的

图12.6 (a)(阴影)和重较轻的液体隔开一个活动分区,AB,点代表了重心。(b)流体在运动后删除的分区。(c) Equilibriumconfigurationof液体afterthemotionhas消散。

r下标表示参考状态和m是质量。这个表达式代表了最大可能的总势能可转化为动能。从长远来看,可用势能被转换为动能必须更换加热如果气候系统仍处于平衡状态。raybet雷竞技最新

如果地球没有旋转,大气传输的热量从南极到赤道附近会发生直接热循环:加热在赤道地区导致上升运动的表面热量传递向极在上层水平-»沉没发生在极地»循环完成后由低级回流冷空气从高到低的纬度。实际的意思是equator-to-pole在大气中传输的热量由地球自转是复杂的大大,角动量注意事项和随后的流动的不稳定,特别是亚热带向极。大规模的涡流(如风暴)在中纬度地区生产迅速向极来满足传热全球能量平衡。

除了全球子午热量的传递从低到高纬度地区,热传递发生在大水平尺度,主要是为了应对湍流热通量到大气中引起的表面温度梯度引起的大陆的地理分布。的沃克环流(图12.7)通常是对称的赤道上升运动的印度和太平洋暖池地区和印尼rchipelago,降落在太平洋印度洋西部和东部。削弱或逆转沃克环流,哪里有运动在东太平洋上升和下沉运动在西太平洋,十年来多次发生,被称为厄尔尼诺现象。Asian-Australian季风(图12.8)是一个全球环流模式不对称是赤道,其重点和基本迫使在东半球的陆地/海洋分布。如果没有热带大陆和海洋继续完全在赤道,一个广泛的最大海洋表面温度会跨越赤道低纬度海洋最热的位置

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