Радиационный баланс земли (ликбез)

Примечания и ссылки

1. Если R — радиус Земли и F = 1361  Вт / м 2 , солнечная постоянная, мощность, получаемая падающей поверхностью Земли, выражается в ваттах . Это распределено по площади , так что средняя мощность , полученная на земном шаре Р / 4  Вт / м 2 = 340,25  Вт / м 2 , или 173,55  PW для всей планеты. Точнее, с учетом наземной экваториальный радиус (6,378.137  км ) и полярного земной радиус (6356752  км ), немного меньший, частота поверхность сплюснутого диска на равноденствия, таким образом , (127,373 5 × 10 6 км 2 ) и Площадь эллипсоида (510,065 6  млн км 2 ) также меньше, чем у сферы. Мощность , принимаемая затем будет более точно F / 4,004 5  Вт / м 2 = 339,87  Вт / м 2 , или 173,36  PW для всей планеты. Эта минимальная разница в 0,38  Вт / м 2 , умноженная на поверхность Земли, по-прежнему дает 0,19  ПВт = 1,9 × 10 14 Вт , или за один год 6 × 10 21 Дж , что также в десять раз превышает мировое годовое потребление первичной энергии.πр2×F{\ displaystyle \ pi R ^ {2} \ times F}4πр2{\ displaystyle 4 \ pi R ^ {2}}π×реq×рпол{\ displaystyle \ pi \ times Req \ times Rpol}   
2. (in) HN Pollack , SJ Hurter и JR Johnson , «  Тепловой поток из недр Земли: анализ глобального набора данных  » , Reviews of Geophysics  (in) , vol.  30, п о  3,1993 г., стр.  267–280 .
3. ↑ и (ru) Бо Норделл и Бруно Гервет , «  Глобальное накопление энергии и чистое тепловыделение  » , Международный журнал глобального потепления , Технологический университет Лулео , вып.  1, n кость  1/2/3,2009 г..
4. (в) .
5. (in) А. Э. Рой и Д. Кларк, Астрономия: принципы и практика , Тейлор и Фрэнсис ,1 — го июня 2003, 4- е  изд. , стр.  21 год.
6. (in) Барри У. Джонс, , Springer,11 февраля 2004 г..
7. Сильви Joussaume, Парниковый газ предупреждение , Налейте ла науки , п о  300, октябрь 2002, стр.  85 .
8. Средняя температура, измеренная на земле, колеблется примерно от -50  ° C до 40  ° C в зависимости от местоположения.
9. Изменение климата 2013. Научные элементы. Вклад Рабочей группы I в Пятый оценочный доклад МГЭИК. Резюме для политиков , стр.  12.
10. (in) Герхард Герлих и Ральф Д. Чойшнер, «  Фальсификация атмосферного CO _2.Парниковые эффекты в рамках физики  » , International Journal of Modern Physics  (en) B , vol.  23, п о  3,2009 г., стр.  275-364 .

• Метеорологический портал
• Энергетический портал
• Климатический портал

Средняя температура Земли

Земля не является мелкомасштабной и в краткосрочной перспективе находится в состоянии теплового равновесия , определение средней температуры Земли требует рассмотрения ее в целом и в долгосрочной перспективе. С этой точки зрения, поверхность Земли излучает инфракрасное излучение 390  Вт / м2 . Эта величина позволяет приписать поверхности Земли теоретическую среднюю температуру, уподобив Землю черному телу . Закон Стефана-Больцмана дает возможность определить температуру такого тела от количества радиации , что он излучает, по формуле:

Mзнак равноσТ4{\ Displaystyle M = \ sigma T ^ {4}}

с участием:

M  : мощность, излучаемая на единицу площади ( Вт / м 2 );

T  : температура тела в Кельвинах  ;

σ{\ displaystyle \ sigma}= 5,670 367 (13) × 10 −8  Вт⋅м −2  ⋅K −4  : постоянная Стефана-Больцмана .

При M = 390  Вт / м 2 , формула дает температуру 15  ° С . Это значение соответствует теоретической радиационной температуре земной поверхности, называемой эффективной температурой . Инфракрасное излучение испускается в пространство составляет 235  Вт / м 2 и соответствуют теоретической температуре -19  ° C . Разница между мощностью, излучаемой земной поверхностью, и мощностью, излучаемой в космос, а именно 155  Вт / м 2 , соответствует парниковому эффекту , который также известен как радиационное воздействие . Поэтому он естественного происхождения нагревает поверхность земли примерно на 30  ° C , из которых 20  ° C приходится на водяной пар в атмосфере, а 10  ° C — на CO _2..

В этой упрощенной модели эффективная температура — это всего лишь транскрипция в Кельвинах среднего излучения энергии на всей Земле, без учета местных температурных различий между полюсами и экватором или в зависимости от времени года.

2.4. Естественная освещенность

Естественная освещенность является одной из важных радиационных характеристик. Эта характеристика зависит от продолжительности дня, прозрачности атмосферы и других факторов. На рис. 3 показана продолжительность дня и ночи на 15-е число каждого месяца. Продолжительность самого короткого дня в Магадане составляет 6 ч. С 13 июня до 1 июля с 22 ч 10 мин до 3 ч 35 мин солнце хотя и находится за горизонтом, но полной темноты не наступает, сохраняется сумеречная освещенность. Продолжительность дня в этот период составляет 18 ч 50 мин. Измерения освещенности на территории СССР носят эпизодический характер. Однако разработанный расчетный метод позволяет с достаточной степенью точности получить характеристики освещенности, используя составляющие солнечной радиации и световой эквивалент. Световой эквивалент — это отношение освещенности (клк) к интенсивности радиации (МДж/м2). Различают освещенность суммарную, Eq, создаваемую прямой и рассеянной радиацией, и рассеянную освещенность Ed, источником которой служит рассеянная солнечная радиация в пасмурную погоду при отсутствии прямой. Световой эквивалент рассчитывается как для суммарной, так и для рассеянной радиации. Световой эквивалент рассеянной радиации зависит от условий облачности, а световой эквивалент суммарной радиации — от высота солнца. Световые эквиваленты, использованные для расчетов приведены в табл. 5 приложения. В тех случаях, когда отмечалась пасмурная погода и солнце слабо просвечивало через облака, применялся световой эквивалент, равный 3 клк/(МДж-м −2 мин-1). При расчетах рассеянной освещенности при ярком солнце световой эквивалент принимался равным 3,4 клк/(МДж-м −2 мин-1), при умеренном солнце— 3,3 клк/(МДж-м −2 мин-1).

Результаты расчетов суммарной и рассеянной освещенности приведены в табл. 6. Максимальная суммарная и рассеянная освещенность отмечается в июне и составляет соответственно 90-104 и 54-104 клк; минимальная суммарная и рассеянная — в декабре и составляет соответственно 2,2-104 и 1,8-104 клк. В Ленинграде с сентября по май суммарная освещенность ниже, а в летний период выше, чем в Магадане. Рассеянная освещенность в течение года, за исключением , июля и августа, в Магадане выше, чем в Ленинграде.

За нижний предел естественной освещенности для бытовых и технических целей принимают освещенность 4–5 клк, называемую сумеречной освещенностью. В табл. 7 содержатся сведения о времени наступления и окончания освещенности величиной 5 клк на широте 60°. Освещенность 5 клк наблюдается при высоте солнца не менее 2°. Гражданские сумерки наступают при переходе солнца через линию горизонта. Освещенность в этот период понижается от 600–650 до 10 лк и считается достаточной для выполнения работ на открытом воздухе без искусственного освещения. В Магадане, так же как и в Ленинграде, в период «белых ночей» уличное освещение не зажигается.

Обмены между космосом, земной поверхностью и атмосферой

Баланс теплообмена между космосом, атмосферой и земной поверхностью.

Радиационный баланс Земли в целом равен нулю, то есть количество поглощенной энергии равно количеству повторно испускаемой энергии, так что средняя температура практически постоянна. Точнее, полученное Землей излучение (в основном солнечное) глобально переизлучается. Однако общий баланс несколько положительный из-за , измененного теплом, выделяемым или поглощаемым океанами, в течение времени порядка тысячелетия.

Падающее солнечное излучение, оцениваемое в 342  Вт / м 2 , можно разбить на:

• • 107  Вт / м 2, отраженное атмосферой (77  Вт / м 2 ) и земной поверхностью (30  Вт / м 2 ). Средний альбедо Бонд системы Земля-атмосфера является 0,306, то есть 30,6% от радиации , полученной в верхней части атмосферы находит свое отражение в атмосфере, облако или поверхность атмосферы. Земли ( океаны , снег ,  и т.д. ) без изменения длины волны. Остальное эффективно поглощается земной поверхностью или атмосферой в виде тепла;
  • 67  Вт / м 2 поглощается непосредственно в атмосферу с помощью молекул из воздуха и облака. Ультрафиолетовое поглощаются в основном с помощью озона (O ₃) и инфракрасное излучение водяным паром и углекислым газом (CO ₂). Видимый свет частично поглощается облаками, но большая его часть достигает поверхности Земли;
  • 168  Вт / м 2 поглощается земной поверхностью (океаны и континенты).

Атмосфера получает 519  Вт / м 2, распределяется следующим образом:

• • 67  Вт / м 2 от падающего солнечного излучения, как уже упоминалось;
  • 78  Вт / м 2 поглощается при испарении воды. Соответствующая энергия преобразуется в скрытую теплоту испарения и выделяется в атмосферу, когда водяной пар конденсируется с образованием облаков;
  • 24  Вт / м 2 за счет конвекции воздуха у поверхности земли. Эта подводимая энергия составляет основную часть подводимого тепла тропосферы , это явный тепловой поток . Фактически, инфракрасные и ультрафиолетовые лучи в значительной степени поглощаются стратосферой, а видимые — едва ли поглощаются молекулами воздуха;
  • 350  Вт / м 2 за счет поглощения инфракрасного излучения, испускаемого земной поверхностью.

Эти 519  Вт / м 2 повторно излучаются следующим образом:

• 324  Вт / м 2 излучаются инфракрасным излучением для нагрева поверхности земли;
• Инфракрасное излучение излучает в космос 195  Вт / м 2 .

На земную поверхность приходится 492  Вт / м 2, распределяемые следующим образом:

• • 168  Вт / м 2 поступает от солнечной радиации, достигающей поверхности земли;
  • 324  Вт / м 2 поступают из атмосферы в виде инфракрасного излучения.

Эти 492  Вт / м 2 повторно излучаются следующим образом:

• 78  Вт / м 2 за счет испарения воды с поверхности Мирового океана;
• 24  Вт / м 2 за счет конвекции воздуха на поверхности Земли;
• 350  Вт / м 2 испускаются земной поверхностью в виде инфракрасного излучения в сторону атмосферы;
• 40  Вт / м 2 испускаются земной поверхностью в виде инфракрасного излучения в сторону космоса.

На площадь поступает 342  Вт / м 2, которые распределяются следующим образом:

• • 107  Вт / м 2 отражается атмосферой и земной поверхностью;
  • 195  Вт / м 2, испускаемое атмосферой в виде инфракрасного излучения в сторону космоса;
  • 40  Вт / м 2 излучается земной поверхностью в виде инфракрасного излучения в сторону космоса.

Последние два образуют уходящее длинноволновое излучение .

Влияние парникового эффекта

Пример оценки доли тепла, аккумулированного соответственно почвой, поверхностью океана и глубоководным океаном (по отношению к почве, выделено красным цветом), здесь с 1960 года.

Недавно наблюдаемое явление глобального потепления связано с увеличением концентрации парниковых газов , что усиливает как прямое поглощение инфракрасного света, излучаемого Солнцем (но не обязательно глобальное поглощение Земля — ​​атмосфера), так и радиационное воздействие, возникающее в результате поглощение энергии Земли. Глобальное повышение температуры вызвано небольшим дисбалансом в радиационном балансе: количество энергии, поглощаемой системой Земля / океан-атмосфера, становится немного больше, чем энергия, повторно излучаемая в космос, так что средняя температура увеличивается настолько, что это дисбаланс продолжается в силу принципа сохранения энергии .

Согласно пятому докладу МГЭИК, увеличение антропогенного радиационного воздействия в период с 1750 по 2011 год оценивается в 2,29 (1,13–3,33) Вт / м 2 .

Понятие эффективной температуры иногда используется климатоскептиками для оспаривания порядков эволюции глобальной средней температуры Земли с использованием радиационных моделей. Эта работа вызвала много критики.

2.3. Радиационный режим наклонных и вертикальных поверхностей

При решении практических задач часто необходимо оценить, какое количество солнечной радиации поступает на наклонные и вертикальные поверхности, различно ориентированные относительно сторон света.

Сведения о количестве радиации, поступающей на склоны разной ориентации, позволяют уточнить продолжительность вегетационного периода, сроки схода снежного покрова, оценить влагосодержание почвы и т. п.

Количество прямой солнечной радиации, приходящей к склону, зависит от экспозиции и крутизны склонов. Расчет радиации, поступающей на склон — процесс трудоемкий. Для упрощения пересчета суточных сумм радиации с горизонтальной поверхности на наклонную, применяется коэффициент К (табл. 2 приложения), который изменяется в зависимости от времени года, крутизны склона и ориентации поверхности.

На Дальнем Востоке на широте 60° с. южные склоны всегда получают больше тепла от прямых солнечных лучей, чем горизонтальная поверхность и склоны других экспозиций. Наибольшие различия в поступлении солнечных лучей на южные и северные склоны отмечаются в зимний период. Так, в ноябре—январе северный склон крутизной 5° получает только 40–60 % солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность; на южный склон такой же крутизны приходит радиации в 1,5 раза больше, чем на горизонтальную поверхность. Чем больше угол наклона южного склона, тем больше тепла получает этот склон зимой. На склоны северной экспозиции крутизной 20° в течение почти всего зимнего периода прямой солнечной радиации не поступает. Южные склоны крутизной 10° больше тепла получают в апреле. В теплый период поток солнечной радиации на северные склоны увеличивается. Так, северный склон крутизной 5° и горизонтальная площадка в июне и июле получают почти одинаковое количество солнечной радиации. Восточные и западные склоны в течение года получают примерно одинаковое количество тепла по сравнению с горизонтальной поверхностью.

Большую роль играют потоки солнечной радиации, поступающей на стены зданий. Солнечная радиация оказывает влияние на тепловой режим внутри помещений, продолжительность отопительного периода, на освещенность квартир и служебных помещений и др.

Из данных табл. 2 видно, что продолжительность облучения южных стен солнечными лучами больше. Так, в марте продолжительность облучения стен южной ориентации составляет в среднем 7 ч в день. Стены западной ориентации в течение года имеют большую продолжительность облучения солнцем, чем восточные.

Наибольшая продолжительность облучения стен северной ориентации отмечается в мае и июне (1,7 ч).

Следует отметить, что действительная продолжительность облучения стен вследствие облачности меньше, чем теоретически возможная. Так, в период с марта по май отношение действительной продолжительности облучения к возможной для южной стены. составляет 53–62 % (табл. 3). На рис. 2 показано изменение возможной продолжительности облучения стен разной ориентации в течение года. О количестве прямой и рассеянной солнечной радиации, поступающей на вертикальную поверхность разной ориентации, можно судить по данным табл. 4.

Возможное время начала и конца облучения стен северной и южной ориентации приведено в табл. 5. По этим данным можно получить сведения о продолжительности облучения восточных и западных стен. Так, в июле возможное облучение восточных стен начинается с 2 ч 56 мин и длится до 12 ч, южные стены облучаются с 6 ч 52 мин до 17 ч 08 мин, северные — с 2 ч 56 мин до 6 ч 52 мин и с 17 ч 08 мин до 21 ч 04 мин, западные — с 12 ч до 21 ч 04 мин.

2.1. Продолжительность солнечного сияния

Одной из самых распространенных характеристик солнечной радиации является продолжительность солнечного сияния. Различают действительную и возможную продолжительность солнечного сияния. Действительная продолжительность регистрируется прибором в естественных условиях на метеорологической площадке, зависит от времени года и наличия или отсутствия облачности на небе. Возможная продолжительность -условная характеристика продолжительности солнечного сияния при полном отсутствии облачности, — определяется временем восхода и захода солнца и степенью закрытости горизонта.

Ниже для сравнения приведены данные о действительной продолжительности солнечного сияния (в часах) в Магадане и ,Ленинграде, расположенных приблизительно на одной широте:

В Магадане солнце за год в среднем светит 1822 ч, т. е. продолжительность солнечного сияния на 70 ч. больше, чем в Ленинграде. Для пунктов, расположенных на широте 60°, средняя продолжительность солнечного сияния за год лишь на 8 ч больше, чем в Магадане. В теплый период продолжительность солнечного сияния за сутки в Магадане меньше, чем в Ленинграде, и других пунктах, расположенных на этой широте, а в зимний период за счет большой повторяемости ясной погоды в Магадане число часов солнечного сияния значительно больше. В целом за год в Магадане насчитывается 117, в Ленинграде 124, во Владивостоке 56 дней без солнца.

Полученная энергия

Спектры мощности солнечного излучения в верхней части атмосферы и на земле.

Общая потребляемая мощность в системе почва-атмосфера-океан оценивается в 174 PETA Вт ( PW ). Этот поток состоит из:

• солнечная радиация (99,97%, т.е. 173  ПВт ):
  • эта величина рассчитывается путем оценки того, что средняя солнечная радиация имеет плотность энергии, равную 1361  Вт / м 2 на расстоянии в одну астрономическую единицу , и что это излучение перехватывается земной поверхностью, видимый (плоский) диск которой имеет площадь падения. 1 273 735 × 10 14  м 2 . Полученная таким образом энергия, распределенная по всему земному шару ( эллипсоид с общей площадью 5100 656 × 10 14  м 2 ), соответствует средней мощности около 340 Вт / м2 , то есть в всего 1,734 10 × 10 17  Вт  ;
  • система почва-атмосфера-океан не поглощает всю эту падающую энергию, часть ее отражается (за счет эффекта альбедо , в зависимости от почвы, океанов, облаков, льда и, следовательно, климата, что приводит к значительным обратным или очень сложным усиливающим эффектам, особенно потому, что мы стремимся к высокой точности). Около 30% полученной солнечной энергии отражается, но не поглощается;
  • солнечная радиация непостоянна (см. солнечный цикл ), и она не известна с большей точностью, чем около одного ватта на квадратный метр;
• геотермальная энергия  : мощность, возникающая в результате составляет примерно 0,025% от общей полученной энергии, примерно 44,2  тераватт (или ТВт );

Эволюция тепловой энергии радиогенного происхождения во внутренних слоях Земли во времени.

• ископаемое топливо и радиоактивное деление, производимые человеком: они составляют 0,009%, или 15  ТВт . Общая энергия, использованная из коммерческих источников энергии в период с 1880 по 2000 год, включая ископаемую нефть и ядерную энергию , оценивается в 13,9 × 10 21  Дж  ; годовая мировая первичная энергия составляет 6 × 10 20  Дж , или средняя непрерывная мощность 19  ТВт  ;
• трение , вызванные приливами  : 0,002% или 3321  ТВт .

Что такое солнечная радиация?

Солнечная радиация, — источник и двигатель всех процессов на Земле, в том числе климатообразующих. Солнечная радиация включает все виды солнечного излучения — световое, тепловое, ультрафиолетовое. Она измеряется в килокалориях на 1 см2 (ккал/см2) или в мегаджоулях на 1 м2 (МДж/м2) в год.

Прямая радиация поступает на поверхность Земли в ясный солнечный день. В облачную погоду значительная часть солнечных лучей, проходя через атмосферу и сталкиваясь с молекулами газа и пара, беспорядочно изменяет направление движения и углы падения на земную поверхность, т. е. рассеивается. Рассеянная радиация создаёт сплошную освещённость в дневное время даже там, куда не проникают прямые лучи солнца, например под пологом леса. Вместе прямая и рассеянная радиация составляют суммарную солнечную радиацию.

Не вся суммарная радиация поглощается земной поверхностью, часть её отражается. Количество отражённой радиации зависит от характера подстилающей поверхности. Наибольшую отражательную способность имеет снег (70—90%), наименьшую — влажный чернозём (5%). Поскольку поглощённая радиация меньше, чем суммарная, возникает разница (баланс).

Радиационный баланс, в отличие от суммарной солнечной радиации, поступление которой на земную поверхность зависит только от широты места, изменяется от места к месту иначе. На карте (рис. 36) видно, что при примерно одинаковой суммарной радиации (на одной широте) в Якутии радиационный баланс меньше, чем в тайге Европейского Севера. В Якутии зимой почти всегда ясная и сухая погода, земная поверхность быстро отдаёт тепло, выхолаживается, и от неё охлаждается воздух.

Радиационный баланс определяет распределение температур в почве и нижних слоях тропосферы, интенсивность испарения и таяния снега. Радиационный баланс в России в среднем за год положительный, по зимой он повсеместно отрицательный, а летом положительный.