大气的影响太阳能吸收纯辐射平衡

现在我们将研究大气的吸收太阳辐射在一个如何影响温度大气的结构在辐射平衡。这个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随着高度增加吗?的影响太阳能吸收等气体巨行星木星更重要。因为没有明显的表面吸收阳光,所有太阳能驱动的大气气态巨行星来自沉积的太阳能在大气中。在这种情况下,吸收的形象在很大程度上决定了,如果任何地方,大气辐射平衡对流不稳定,因此在对流层往往会形成。答案确定对流对气态巨行星部分由太阳能加热而上升的浮力羽流携带热量从地球内部深处。

在地球的平流层,太阳能吸收主要是由于臭氧吸收的紫外线。地球上以及其他行星大气层有可观的水,水蒸气和太阳能的吸收近红外水的云是很重要的。二氧化碳也具有显著的近红外吸收,这是相对不重要在现在的地球上的二氧化碳浓度,但成为重要的在早期地球二氧化碳浓度高得多;太阳能近红外吸收二氧化碳CO2当然是重要的统治火星的大气层(当前和过去的)和金星。太阳能吸收灰尘是重要的火星大气的热结构在整个深度。土卫六是太阳能吸收有机霾云控制的热结构上层大气。太阳能吸收也至关重要的理解的影响温室气体甲烷和二氧化硫等强烈吸收阳光除了辐射活跃热红外。强大的太阳能吸收也会发生在高空灰尘和烟尘云,漂浮在全球热核战争或小行星撞击后(“核冬天”问题)。

自从Schwartzschild方程本章仅用于描述红外通量,太阳能加热的加入不会改变这些方程。加热由于太阳能吸收只改变为当地的平衡条件,目前涉及太阳能以及红外的沉积通量。我们写太阳能加热率每单位光学深度的Qq = dFQ / dT,其中Fq是净向下太阳能通量作为红外光学深度的函数。顶部的氛围,Fq = (1 - a),其中一个是行星反照率,反射率测量大气顶部的。由于atm在典型的行星的温度下不排放显著太阳光谱,没有内部源太阳能通量和因此Fq必须减少单调从大气层的顶端到地面。

净辐射加热在一个给定的位置现在是红外线和节气之和,即:

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

积分方程和要求的大气能量预算与当地的平衡吸收太阳辐射,我们发现

顶部的氛围,这样可以减少OLR, (1 -) S = 0,即要求的气氛能量平衡。因为不改变太阳能吸收红外Schwartzschild方程,Eq。4.41是不变的情况下纯辐射equiibrium没有太阳能的吸收。4.51用情商和集成,我们获得

我们写这个表达式的使用边界条件1 + - 1 - = OLR = (1 -) S顶部的气氛。热量平衡方程4.40需要稍微修改,由于红外冷却现在余额太阳能加热,而不是设置为0。因此,dTFQ = dT (1 + - 1) = - (1 + + 1 -) + 2 fft4 (4.53)

2 at4 = - F©+ / Fq (T)的博士+ (1 - a) (4.54)

这给温度的垂直剖面的垂直剖面的太阳能通量;以前的情况下(没有太阳能吸收)可以通过设置恢复F0 = const = (1 - a)。顶部的氛围,情商的积分。4.53消失,和温度成为相同的皮肤层的温度加热太阳能吸收,在第三章推导(Eq。3.27)。

利用导数t收益率d d2

_ ^ = f0 - f0 (455)

这个方程提供了一个简单的准则确定当太阳能吸收引起温度随高度增加。当没有吸收,F0是一个常数,因为它是积极的温度随高度。数量J | F0 1 d2F0 / dT2 |当地太阳能通量衰减速率,表示在单位的红外光学深度。地方太阳能衰变率小于团结——这意味着太阳能通量衰减率比红外辐射较低平衡温度随高度。在当地太阳能衰变率大于团结,温度随高度增加。请注意,这是太阳能灭绝率相对于红外消光率才是最重要的。人能让温度随高度增加增加太阳能不透明度或减少红外不透明度(通常通过减少温室气体的浓度)。太阳能吸收的太阳能吸收器的垂直分布也敏感。在太阳能吸收器与高度急剧增加,是地球上的臭氧或有机霾土卫六,平流层温度随高度增加。

说明,假设网络下行太阳能通量衰减指数,因为它穿透大气层。具体地说,让Fq =(1 -)饱和度指数(- (t0 - t) / t),在ts是一个常数。ts是太阳辐射的衰减率,测量红外光学深度单位。当ts很大,太阳能吸收比红外吸收弱,一个人必须去很远的地方之前,阳光也明显下降。相反,当ts很小,太阳能吸收强和太阳光束衰减到一分之零距离短,红外不减。假设形式的太阳能通量、温度曲线

如果t > 1温度随高度,如果ts < 1温度随高度增加。皮肤温度定义为Tskin = (^ (1 a))) 1/4大气顶部的温度(1 + 1 / ts) Tsfcm,降低皮肤温度当ts很大而且变得远远大于皮肤温度,当ts很小。如果气氛足够深,基本上所有太阳辐射被吸收在到达地面之前,那么指数项消失在深层的气氛,气氛变得等温温度(1 + ts) Tskin。因此,当ts很小,所有的太阳辐射被吸收在大气层的顶端附近的一个薄层。温度随高度迅速增加在这一层,但大量的大气低于大约是在皮肤温度等温。强大的太阳能吸收导致大气层深处和地面(如果有的话),将冷比一直缺乏一种氛围。这是因为anti-greenhouse影响深大气加热只有下降solar-absorbing发出的红外层。向上向下辐射等于辐射损失的空间,必须相等(1 - a)来满足的大气的平衡。深大气落在皮肤温度,因为它正在被这个通量从一边,但从其顶部和底部散热。这个极限是核冬天相关现象,精力充沛的爆炸和火灾阁楼全球或半球solar-absorbing烟尘和粉尘云高海拔地区。同样的情况会发生大的火球后(小行星或彗星)的影响。在这两种情况下,煤烟层下面的气氛会变得寒冷的冬天的深度,但此外放松到均匀温度状态将关闭在很大程度上驱动的对流水文循环。

它可能发生大气深度足以吸收太阳辐射到达地面之前,即使太阳能吸收的速率是软弱和ts > > 1。这个如果大气中会发生如此害怕的红外光学厚的r / n /泰/ rS > > 1尽管ts。大气层深处在这种情况下,仍然是等温的,但是它变得比皮肤温度热——实际上就没有绑定ts是大热。在这种情况下,它是大气顶部的平衡相对寒冷的皮肤温度,大气而深展品强烈的温室效应。因为大气层深处等温,

稳定,不会产生对流层。这是一个可能的模型内部状态的气体或与小冰巨人内部热量通量的气氛是红外光学厚但只有弱的太阳能吸收大气层深处。

在Eq。4.56表明,给出的解决方案可以占地球平流层的温度升高,如果上层大气强烈吸收太阳辐射。地球大气层的模型,然而,它的缺点,如果一个使平流层吸收强大到足以产生温度随高度增加,基本上所有的阳光都是消耗在同温层,留下一个等温对流层低层大气,不会对流传热,并创建一个。发生在地球的真正的平流层臭氧是一种好的吸收器只有在紫外线太阳光谱的一部分。一旦耗尽紫外线,剩下的通量在低层大气只是弱吸收大气中。Eq。4.55,太阳衰变率^ J | F (_1 d2Fq ^ / d, T2 |很大在高层大气中,仍有大量的紫外线吸收;因此,温度随高度增加。在低层大气太阳能衰变率变小了,小的辐射平衡温度随高度。也有大量的太阳辐射加热地面,破坏大气层,并创建一个对流层。

情商的解决方案。4.56也解释了为什么人为增加二氧化碳在过去的一个世纪已经导致对流层变暖平流层冷却,如图1.17所示。增加温室气体浓度相当于增加参加。如果一块温度压力的函数序列增加参加,这种现象是明显的情况下高层太阳能吸收足够强大。的行为是探索问题? ?。没有太阳能吸收,增加各级大气变暖,虽然变暖的数量随高度的温度渐近线皮肤温度。然而太阳能吸收,增加红外冷却的上层大气补偿越来越变暖由于太阳能吸收,导致冷却。在现实大气对流修改低层大气的温度曲线。进一步说,一个人必须考虑真实气体红外吸收和太阳能为了定量解释观察到的温度变化趋势。尽管如此,grey-gas纯辐射平衡计算捕获机制的本质。

一般教训从这个讨论是太阳能吸收的顶部附近大气中稳定的氛围,减少温室效应,冷却较低部分的大气和地面。这是很重要的在限制温室气体甲烷和二氧化硫的有效性,大大吸收太阳辐射浓度时变得非常高。它也是高海拔solar-absorbing阴霾的云层在泰坦和也许早期地球冷却对流层行动。烟尘和尘云漂浮的小行星撞击行为相似。相比之下,太阳能吸收集中在地面附近有影响没多大区别仅仅是减少地面反照率的本身。

继续阅读:441年真实气体辐射基本原理概述OLR同甘共苦

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