发射率和全球变暖

一个不能打开报纸或杂志这些天没有遇到警告即将发生的全球变暖,因为名声不好的巴以温室效应。由于这种非凡的宣传、解释温室效应的设计比科学家与记者和政治家。即使是那些在科学期刊上发表更频繁地在大众媒体断言温室效应是“关闭大气窗口”的结果,从而“捕获”的辐射,或者是大气中的排放增加的结果。当信徒解释发生冲突,结果确实是变暖,尽管当地而不是全球性的。

如果我们留出的批评温室效应这个词(温室的作用主要是抑制对流通过封闭空间被太阳辐射加热),我们还剩下的任务显然试图广场两个不可调和的物理解释。

这样做我们求助于一个简单的例子辐射平衡组成的一个系统,这两个统一的石板,在另一片之上(图1.15)。前板的绝对温度

图1.15:两个均匀板之间的辐射平衡,在横向范围无限。顶部板是透明事件短波辐射,而板发出和吸收长波辐射。长波辐射板底部是黑色的。

助教;Te的底板。的吸收率最高板平均的光谱辐射的底板(假定为黑体)。我们假设发射率e的前板(平均超过其发射光谱)等于一,这并不完全正确,除非这两个温度相等或发射率和吸收率是独立的频率。我们还假设板并不能反映辐射板底部,因此的透射率t(分数入射辐射传播)的前板1 - 1 = - e。顶部板外辐射从源系统是透明的,其中S是净辐照度(净辐射能穿过单位面积在单位时间)的来源。源光谱几乎重叠石板的发射光谱。

首先考虑两个板视为一个系统。如果是在辐射平衡,净辐射能量的输入必须平衡由辐射板底部,通过板+辐射的大板:

S = aTe4 (1 - e) + eaT4。(1.70)

辐射能量平衡应用顶部板产量

2 eata4 = aaT ^ ^ =吃。(1.71)

左边的项由前板排放总量,既散发出上下2)(因此因素;右边的词是由前板吸收的辐射板底部。

我们可以解决这两个方程获得

的辐射平衡温度板的底部。没有其他的能量传递方式;板是悬浮在真空中。

因为假设= e = 1 - t,我们可以重写Eq。(1.72)

请注意板的温度是外部源的结果,但对于固定平衡温度取决于辐射特性(e,或者说等价于t)的前板。

这都与大气,特别是全球变暖吗?板代表大气顶部,底部板来表示。的总量太阳辐射能拦截了地球S0nRl,再保险是它的半径。总表面积,然而,是4 nr ^,所以太阳辐照度均匀传播在整个全球Wm-2 (1369/4)。但是这的一小部分辐射能量反映,从卫星照片明显,(可见波长)显示大部分黑暗地球(海洋)点亮了,云。估计的总分数反射太阳辐射、行星反照率是0.30 (30%)。这净收益率太阳能辐照度S = S0 (1 -) / 4 = 240 Wm ~ 2(反照率是或多或少的反射率的代名词,尽管反照率通常应用于辐射反映在一个半球的方向而反射率可以申请辐射反映在某一方向或半球的方向)。这是净太阳能辐射能输入地球均匀分散于整个地球。如果我们把这个值S Eq。(1.72)我们获得不同的温度Te根据e。e = 1, Te = 303 K (30°C),而对于e = 0, Te = 255 K (-18°C)。这些温度至少符合典型的地球表面附近的空气温度,既不高还是低得离谱。

尽管氮气和氧气的数值主要大气气体,它们不是辐射占主导地位。发射率的贡献(普朗克频谱为典型的地面温度)地球大气层主要是相对少量的某些红外激活气体(见Ch。2),水蒸气是迄今为止最丰富,虽然仍然低于1%的气氛。二氧化碳是另一个红外激活气体,周围有大量的360 ppm。这种气体会出现在地球大气中即使没有人类居民,但是一直在增加工业革命的开始,大概是因为燃烧化石燃料的增加。

当前大气的辐射率,0.8,如果替换在Eq。(1.72)和S = 240 Wm ~ 2收益率Te = 289 K (16°C)。我们注意到,这并不是全球平均温度。首先,没有所谓的平均温度(或平均),而是无限多可能平均根据加权平均温度的函数,以及它如何。Te究竟对应?地面的温度吗?如果是这样,这不是空气温度,随高度,特别是在地面附近。我们可以肯定的是,Te = 289 K是一块的辐射平衡温度,吸收大约240 Wm ~ 2的辐射能,上面是另一个板与£= 0.8但不吸收太阳辐射。此外,较低的板是黑色上的辐射板,和辐射是能量传递的唯一形式(这就是所谓的辐射平衡)。

是有点伸展说简单的系统组成的两个板图1.15所示是一个大气的模型。最好是在一个模拟,有助于帮助我们理解一些基本的物理知识,甚至可能帧可测试的假设,估计相对变化如果明智地使用。例如,如果£大气正在增加,因为增加数量的红外激活气体,这表明,低层大气的温度可能增加。

方程(1.73)是解释全球变暖的基础是“关闭窗口”的结果。随着大气(模拟)的透射率减少,增加辐射平衡温度。方程(1.72)是口译的基础的全球变暖是由于排放增加。随着发射率的增加,辐射平衡温度。的解释是正确的吗?一种解释不能正确和其他错误,如果他们都是基于相同的理论。这两个解释仅仅是两种不同的方式说同样的事情。

虽然不能正确和其他错误的一种解释,一种可能是误导性的,比其他更恰当。我们愿意增加排放解释几个原因。根据这一解释我们温暖地球的表面辐射的两个来源:太阳和大气中。与这个解释大气中实际上是做一些(排放)而根据其他解释只阻止事情发生。此外,大气辐射陷阱的概念是在最好的一个糟糕的比喻,在最坏的情况完全是愚蠢的。在排放大气辐射的来源解释,不是一个光子畜栏陷阱,任性的光子并将它们发送回地球就像一个逃学的官返回任性的孩子上学。逃学的官员可以返回孩子上学,因为他们是可区分的,而光子则不是。如果这不会困扰你,事实上,地面辐射的光谱的气氛不一样的光谱辐射到地面的大气?

进一步加强排放解释,考虑下面的思想实验。很快油漆整个全球高导电金属油漆,从而减少表面的发射率接近于零。因为表面不再发出辐射,没有一个可以“被困”的氛围。然而大气中不断辐射,无视缺乏辐射表面(至少最初;随着大气的温度下降,其发射率下降)。当然,如果表面不放出辐射,但继续吸收太阳辐射,表面温度上升和平衡是不可能的,直到发射光谱变化地区的辐射率不为零。

物理相关的数量超过温度向下发射的辐射,这从方程式。(1.71)和(1.72)

这个方程是地球的辐射预算简而言之。它告诉我们,从大气中排放的表面是一个辐射能变换的结果。太阳辐射(S)转换,因为吸收的表面,在长波长辐射

Fi从大气中。但这种转变不能发生除非大气中有一个非零的发射率。随着e增加,向下辐射增加,增加的速度是最大的e = 1。S是净传入的太阳辐射到地球,这是云的辐射特性的影响及其空间范围以及太阳和地球到太阳距离的输出。虽然我们类比的石板被制服,气氛不是。天空多云或清晰或两者同时,我们已经看到,云的辐射率大于清晰的空气。这个点云在减少Fi的对立的角色,因为更大的反射(S)减少和增加,因为更大的发射。

总额的所有波长吸收的辐射能(表面)板底部

平均温度(或更好的是,有效),有明确的物理意义是有效的地球辐射平衡温度苔麸定义为黑体的温度排放总量等于净太阳辐射受到地球整个表面平均:S

S = 240 W m - 2,画眉草= 255 K。这相当于黑体温度一个观察者在月球上推断出地球被看作一个红外太阳。正如我们在地球上说太阳相当于6000 K黑体(基于太阳辐照度),在月球上一个观察者认为地球相当于一个255 K黑体(基于地面辐照度)。注意定义的有效温度Eq。(1.76)没有(直接)的方式取决于地球大气层的发射特性。

一般来说,能源(或权力)是一种比温度相关的物理量。能量是添加剂,温度就不明智了;能量是守恒的,温度是没有。能量流驱动大气过程。但Wm-2禁止美国报纸,因为它是一个如果数量和因为它太科学的读者甚至最自命不凡的报纸在地上。同样,相反的能量通量得到风寒温度,掩盖了一个事实,那就是,能量通量,没有温度,杀人,体温过低。加拿大气象学家,或许仍然给了能量通量(从身体的能量传递率),我们回忆起曾经看到一个值1000 Wm-2在冬季,很多让你颤抖如果你理解能量通量。

大气辐射的总量在给定的时间和一个给定的区域是一个明确的数字。它可能难以衡量,但并不平均。

方程(1.74)包含一个陷阱,而非辐射陷阱但粗心的,这引起了一些大鱼。乍一看似乎可能出现的最坏情况是e达到1,因此大气中的最大辐照度的表面会盯住美国的红外激活气体会没有影响。这个可疑的结论说明了类比推太远的危险。我们做了一个简化的假设可能成为无效的随着红外激活气体的浓度增加

长波短波

继续阅读:吸收截面

这篇文章有用吗?

0 1