纯为真实气体的大气辐射平衡

纯辐射平衡相当于一个all-stratosphere模型的大气,是一个与我们一直在讨论的all-troposphere模型。实际大气坐两个极端之间,有时很近一个理想化。在本节中,我们将专注于纯粹的红外辐射平衡。的影响太阳能吸收在真实气体会了吗

第五章。

从简单的分析解决方案,我们知道基本上都知道纯灰色气体辐射平衡。很重要的结构,理解不了这些事情,因为大气对流的相互作用的结果和纯辐射平衡。全面了解纯辐射平衡提供了必要的基础决定平流层开始,及其热结构。现在我们将检查的行为的关键要素是如何纯辐射平衡真实气体而有所不同。需要解决的具体问题有:

•灰色气体的辐射平衡,最低温度是基于OLR的皮肤温度,并在光学薄大气的一部分在缺乏大气的太阳能吸收。对于真实气体,可以辐射平衡温度是低于皮肤温度多少?

•一个灰色的气氛吸收器与给定的垂直分布,辐射平衡温度剖面图是唯一决定一旦OLR指定。具体地说,一个可以确定辐射平衡平流层的温度曲线,而不需要了解troposapheric温度结构。这是在多大程度上也适用于真正的气体?

•灰色气体氛围与给定吸收器的垂直分布,规范化温度剖面图T (p) / Tg是独立的地面温度。这意味着辐射平衡温度曲线具有相同的形状,无论太阳辐射的大小与大气的平衡。这个结果的变化对于真实气体多少钱?

•灰色气体,温度跳在地上是最大的大气光学薄时,大气和消失成为光学厚。对于真实气体,大气光学厚的部分地区的光谱,光学薄。在这种情况下温度跳是由什么决定的?

•灰色气体最不稳定的对流光学厚的地方。在光学厚极限下,斜率dln T / d lnp = 4没有压力的扩大,与压力展宽和1。因此,干绝热线可以稳定在地面附近只有R / cp < 4没有扩大的压力,或R / cp < 1与扩大的压力。这些阈值不同的怎么样?

所有的问题,除了的行为静态稳定附近地面semi-grey模型很好地展示,更诗意,我们称为“一个乐队Oobleck“4.1.1节中。在这个模型中,我们假设k在一群常数宽度频率集中在签证官,和零。保持简单的代数我们将额外的假设A是足够小,基本上可以被认为是在乐队frequency-independent;这种假设可以很容易地摒弃稍微涉及成本的计算。使semigrey模型易于管教的9是红外线加热仅仅在于吸收频带内的流量,这样一个仍然可以处理一个光学厚度没有任何需要或者积分频率和净加热。

首先,让我们考虑semigrey辐射平衡在光学薄极限。4.2.2节的结果,各级红外辐射冷却只是2 nb(签证官,T),而

9的近似解semigrey (window-grey)模型提出了萨根于1969年伊卡洛斯(290 - 300)。多次独立模型被重新发现。

加热的上升流红外吸收地面nB(签证官,Tg)。平衡两者,给出了方程确定大气温度:

由于T是独立的方程的级别,我们得出这样的结论:在光学薄的情况下,大气红外辐射平衡等温,正如它是光学薄灰情况。由此产生的大气温度总是低于地面温度,并可能被称为semigrey皮肤温度。灰色气体,Tskin / Tg = 1/21/4«点。但semigrey情况下,比例取决于吸收频带的频率。从普朗克函数的形式,它可以很容易地显示Tskin / Tg取决于频率只有通过hvo / kT比。一个简单的分析计算表明,Tskin / Tg ^ 1小的值hvo / kTg和Tskin / Tg ^ 1当hvo / kTg变得很大;一个简单的数值解表明两者之间的比率增加单调极限情况(见问题? ?)。grey-gas皮肤温度比坐在中间的范围,实际上对于频率峰值附近的普朗克函数,semigrey比率不从灰度值有很大的不同。例如,650 cm - 1,地面温度280 k, semigrey皮肤温度为233 k,而灰色皮肤温度为235 k

时产生的辐射平衡灰色气体,我们指定OLR,作为一个边界条件用于确定热结构;然后计算地面温度的下边界通量。对于真实气体,它证明了更方便指定地面温度Tg,并找到生成的温度结构和OLR。我们采用这种方法不仅semigrey解析解的情况下,还在我们的数值解实际气体。当修复Tg和光学厚度增加,OLR下降,所以的数量吸收太阳辐射需要保持Tg减少。

完整的推导过程红外辐射平衡解决方案对于semigrey的情况是一样的,我们曾经在灰色的情况下,用下面的替换:(1)光学厚度t是基于k的值仅在吸收带,(2)aT4被nB(签证官,t)(3)通量我+和-仅代表通量集成在乐队,和(4)OLR出现在顶部边界条件不再是净OLR发出的行星,但只有部分OLR(称之为OLRa)发出的吸收带。红外平衡的假设仍然意味着通量I + 1 _常数等于OLR,但因为这个通量只是部分OLR的乐队,它不再是先天的决定行星能量平衡。相反,它必须确定两边界条件,利用I - = 0的气氛,我和+ = nB(签证官,Tg)底部的气氛(假设地面单元发射率)。应用边界条件的结果

这等于地面发射光学薄的情况下,趋于0,气氛更加光学厚。但是请注意,这仅仅是乐队的OLR趋于零;净排放的方法有限,可能很多,下界,因为排放的大气的频谱是透明的是地面发射。用向上的净通量的表达式表达我+ + 1 -,我们发现以下表达式确定T (T)

B(签证官,T) = +°°T B(签证官,Tg) (4.97)

其中t是带内的光学厚度k是零。顶部的气氛,这降低了B (vT) = B(签证官,Tg) /(2 +参加)请注意,这总是小于semi-grey皮肤温度,相比变得越来越冷,皮肤温度大。对于semigrey的情况,然后,平流层温度不同于灰色气体在两个重要方面。首先,如大气光学厚度的吸收带,平流层温度趋于0尽管净OLR仍然是有限的(由于发射通过光谱的透明部分)。因此,stratosperic温度可以比grey-gas皮肤温度更冷,解决在第三章提出的窘境。此外,光学大气的厚度实际上是增加,平流层温度低于甚至semigrey皮肤温度;这与灰色的情况下,最上层大气的温度总是接近皮肤温度,无论光学厚的大气层。这个重要的区别是因为semigrey情况下,大气的下部的光学厚度导致上升流频谱照明平流层中耗尽那些频率平流层吸收最好。尽管如此,平流层继续排放有效地在这些频率,导致温度很冷。这种损耗也有这么重要的后果,平流层温度不再是独立于对流层的存在,或的对流层顶高度和对流层的热结构。这有可能影响对流层顶高度的计算当我们把辐射平衡与对流。

抓住地面温度是由B(签证官,Tsa) = ((1 + rTO) / (2 + rTO)) B(签证官,Tg),具有相同的形式作为灰色气体情况下对应的表达,除了外观的普朗克函数代替< rT4。在灰色的气体情况下,跳的最大光稀薄的大气层,并消失在光学厚的极限。这里的主要区别是,可以跳到消失,使大气光学厚度仅在有限频谱的一部分,尽管大气光学薄(在本例中是绝对透明的)。此功能将出现在我们的讨论辐射平衡提供了一种氛围,使得红外吸收二氧化碳。随着大气光学厚的吸收带,不稳定的温度跳跃在地面减少,但室内静态稳定地面附近的空气吗?判断,求导Eq。4.97和乘以ps / TSa得到对数在地面辐射平衡温度梯度:

在光学厚极限下,第二个因素是统一没有压力的扩大,扩大或2与压力。大气光学厚度时,第一个因素可以与Tsa = Tg评估。与代数,第一项可以重写(exp (u) - 1) / (u exp (u)), u = hvo / (kTg);这学期有一个最大值的团结在u = 0(高频或低温)和衰减到零像1 / u u(低频或高温)。u = 1将普朗克函数的最大值附近的吸收带,价值点。semi-grey模型,我们得出这样的结论:不稳定的程度的辐射平衡光学厚限制为界;例如,与u = 1,将压力展宽,靠近地面的辐射平衡是静态不稳定当R / cp >。315(与阈值的灰色气体。5)。因此,semigrey案件有所增强的不稳定在地面比灰色的情况,但差别不是很大。我们很快就会看到,这是一个方面的定性行为真实气体的semigrey情况有很大区别。

最后,让我们看看如何semigrey大气辐射平衡剖面的变化如果我们改变Tg,让一切固定的。灰色气体,函数T / Tg是不变的,因为表面发射和内部大气排放增加一个d ln T _ B (v0, rg) ps / g d ln p w (ps)有限合伙人_ TsadB(签证官,Tsa) 2 +

1带Oobleck 2乐队Oobleck——<年代——300 ppm二氧化碳CO2 - e -3000 ppm

1带Oobleck 2乐队Oobleck——<年代——300 ppm二氧化碳CO2 - e -3000 ppm

120 160

120 160

0.2 0.4 0.6 0.8对数的斜率

图4.41:左面板:红外辐射平衡温度资料和双波段Oobleck,和300 ppmv和3000 ppmv CO2-air混合物,一个固定的地面温度280 k。Oobleck的情况下,吸收系数选择这样大气的光学深度作为一个整体是10的强吸收带(650 - 700 cm - 1)和1在侧翼疲软的乐队(600 - 650 cm - 1和700 - 750 cm - 1)。右面板:相应的logarathmic坡,d ln T / b4 dlnp因素如果我们取代Tg■Tg的b。semigrey的情况下,发射是由B(签证官,T),这不再是一个简单的力量T .这意味着比T / Tg Tg的不再是独立的。依赖性的性质是留给读者探索的问题? ?

工作升职到现实,我们现在一些数值解严格Oobleck和混合物的二氧化碳在空气中。后者使用我们的家酿指数计算和辐射的代码,将压力展宽的影响但没有考虑温度定标。这足以说明这个极端的吸收系数在一个典型的真实气体影响辐射平衡。的平衡被发现一个简单的时间步进方法与固定Tg。对于任何给定的初始温度剖面T (p)可以计算出红外通量,因此,通过在垂直差分,红外线加热率。这些是用于更新T (p),重复整个过程,直到达到平衡,红外线加热是零和温度不再变化。因为我们只有感兴趣的平衡和不平衡的方法的时候,我们可以有点草率时域方法,只要它是足够稳定取得一个平衡。图4.41显示了生成的均衡配置文件的双波段Oobleck secondary-band吸收系数十分之一的主要的价值,以及CO2-air混合在一个类似地球大气层,在300 ppmv和3000 ppmv。左边的面板显示温度曲线,而右边的面板了对数的斜率温度,决定了静态稳定的气氛。相比之下,一个乐队的分析推导结果pressure-broadened Oobleck (semigrey模型)也显示。 These calculations were carried out with a ground temperature Tg = 280K. Some key characteristics of the results are summarized in Table 4.4.

比较曲线1-band和严格Oobleck显示添加的弱吸收波段降低了垂直温度梯度除了在地面附近的一个薄层。从这个意义上说,最大气的行为就好像它是更加光学薄,尽管我们已经让气氛更加不透明红外线通过添加新的吸收额外的乐队没有拿走吸收在最初的乐队。事实上,OLR下降从333 W / m2 1-band案件309 W / m2在最严格的情况下,尽管后者的温度在空中。这种行为的关键是指出在4.2.2节的结束在一个大气光学薄在光谱的某些部分但在其他光学厚,加热速率(进而决定了辐射平衡)是由光学厚度的部分的频谱是最近的统一。这是较弱的吸收带的原因控制温度的行为的内部氛围。相关的减少温度梯度使大气升温到高处,在压力低于700 mb。从本质上说,疲弱的乐队让上游的氛围捕捉更多的红外上升流从下面;有些广泛传播的吸收的光谱在本质上使问题更像一种灰色气体,并使上层空气温度比较接近灰色气体皮肤温度。

虽然疲软的乐队的添加降低了温度梯度高空,因此稳定大气对流,这是以牺牲地面附近的梯度增加,不稳定层。这个稳定/不稳定模式出现明显的情节对数温度导数右边面板的图4.41所示。基于R / cp = 2/7,一个乐队Oobleck配置文件是不稳定的压力高于450 mb,而双波段的情况是只不稳定压力高于760 mb,虽然在不稳定层严格的情况下比一个乐队更不稳定的情况。在双波段的情况下,更多的净大气的垂直温度对比集中在地面附近的一个薄层。总体而言,大气中充当如果光学厚附近地面,但相对光学薄在空中。地面附近的行为结果极强的吸收二氧化碳吸收带的中心附近。这个光谱区域捕获上升流从地面辐射,还没有耗尽的强烈吸收波数。如果有间断附近的地面温度,吸收会导致强烈的低水平的辐射加热空气;因此在辐射平衡的唯一方法就是空气温度接近地面的温度。更多的数学来说,出现这种现象是因为低水平加热控制主要由边界条件在情商的通量积分4.9,进而由强烈吸收光谱区域。

真实气体二氧化碳的结果有很多特性与严格Oobleck一样,尤其是弱者的内部大气中温度梯度和温度梯度的增强在地面附近。地面附近的强扰动对二氧化碳更加明显,因为它有一个吸收峰值远远强于Oobleck情况下我们认为,因为吸收变化在更大范围内的值。相关的光学厚度附近地面之间也保持稳定的温度跳跃地面和上方的空气小。光学薄grey-gas会有很大的不稳定温度跳在地上。真实气体的强吸收带消除这种不连续层移动到一个有限宽度的室内氛围。从对流产生的角度来看,几乎没有物理区别两种情况。

二氧化碳之间的主要差异情况下,Oobleck病例出现在上层大气二氧化碳的情况下显示大幅下滑温度随高度——尽管不陡峭,破坏上层大气。底部边界,罪魁祸首是吸收系数的光谱区域的峰值。这些地区带来很强的排放上层大气的,这是自上升流红外吸收差补偿

		OLR, W / m2	Tskin	T (0)	T (P / Ps = 5)	Tg - T (Ps)
1-band Oobleck		333年	232 k	161 k	206 k	6.5 k
严格Oobleck		309年	228 k	182 k	215 k	12.75 k
二氧化碳/空气300 ppmv		295年	226 k	126 k	214 k	2.8 k
二氧化碳/空气3000 ppmv		275年	222 k	115 k	214 k	1.75 k
火星、二氧化碳、ps = 7 mb		303年	227 k	128 k	215 k	2.9 k
火星,二氧化碳,ps = 7 mb, Tg =	250 k	192年	203 k	126 k	196 k	4.4 k
火星、二氧化碳、ps = 2条		86年	166 k	102 k	208 k	1.3 k
金星,二氧化碳,ps = 90酒吧,Tg	= 700 k	55	148 k	77 k	500 k	.1K

表4.4:总结性质的红外辐射平衡的解决方案。计算了

表4.4:总结性质的红外辐射平衡的解决方案。计算了Tg = 280 k除非另有注明。

到达上层大气在大部分吸收波数已经耗尽。强烈的排放导致顶部附近的温度远低于皮肤温度。基于净OLR,灰色两个二氧化碳气体皮肤温度情况下有点高于220 k,而实际的温度在1 mb级别是126 k 300 ppmv病例和115 k的光学厚3000 ppmv情况。最后,我们注意到,二氧化碳的增加10倍有相对较少的影响辐射平衡温度剖面,尽管增加降低了OLR近20 w / m2。地面附近的变化主要是看到,翅膀的光学厚度的增加降低了表面温度跳跃。而双波段Oobleck模型再现了靠近地面destablization出现在真正的二氧化碳计算,它不能同时代表温度跳在地上。缺乏极强的峰值吸收二氧化碳,在严格的弱吸收翅膀Oobleck让预算法案表面像一个光学薄的大气层,增加表面跳。

说明辐射平衡解决方案与Tg尺度,我们展示的资料T / Tg表面温度从240 k到320 k。只显示300 ppmv二氧化碳的情况下,尽管其他大气对图4.41产生类似的结果。灰色气体,所有的曲线对于一个给定的大气成分将会崩溃到一个通用配置文件;原因semigrey讨论的情况下,这是对于真实气体不再如此。然而,尽管温度在空中不规模与地面温度精确,偏差足够温和,人们仍然可以得到有用的直觉的行为系统,假设温度与地面辐射平衡温度范围。二氧化碳的实际温度在空中总是比,哪一个会较为寒冷的地区,估计比例缩放地面温度上升从冷到暖的温度。回想一下,这些计算是没有温度伸缩的吸收系数,所以显示的效果是纯粹由于普朗克函数的形状。

遇到的一般特征在陆地上面讨论计算携带到纯二氧化碳大气现在和(可能)火星早期的特征。火星辐射平衡解决方案与7 mb稀薄的大气或2条厚厚的大气层如图4.43所示。这些解决方案的最显著特征是增加大气的质量很少会增长近300倍在垂直温度对比。这种鲜明对比灰色气体情况下,巨大的光学深度的增加从7 mb的2条案件会导致后者的温度下降到几乎为零的短距离内地面。和之前一样,温度曲线的相对不敏感的原因是辐射供暖,主要取决于光谱光学深度在哪里的一部分订单统一。目前火星,这发生在不远的翅膀

图4.42:温度曲线的形状的变化作为地面温度的函数。结果显示300 ppmv的二氧化碳在空气中。

图4.43:红外辐射平衡与火星重力纯二氧化碳大气。结果显示早期火星2条表面压力和280 k地面温度,和现在的火星病例700 mb表面压力和250 k和280 k的地面温度。可以比较的情况下,温度已经被绘制为p / p的函数。2条案件包括连续介质吸收的二氧化碳。

的原则吸收峰,而对于早期火星发生在连续窗口区域。允许这两种情况下的转变行为大致像情况统一光学深度,除了地面和附近的辐射边界的薄层顶部。温度资料是相似的,尽管这需要303 w / m2的吸收太阳辐射,保持表面温度280 k的稀薄的火星大气,但只有86 w / m2在2酒吧的气氛中。对于现在的火星的情况,我们也包括计算与实际冷白天表面温度,平衡温度在空中与观测相比太冷。这表明太阳能吸收再一次一个重要的角色在决定火星大气的温度结构的礼物。

只有当我们去金星这样大规模的大气,大气中成为整个光谱光学厚,允许垂直温度对比显著增加。没有温度的简化计算缩放和忽视排放超过2300 cm - 1,表明700 k地面温度,辐射平衡温度下降到500 k中点的大气和100 mb到80 k的水平。这产生一个很强的温室效应:它只需要很少的55 w / m2的吸收太阳辐射保持地面的温度。但是请注意,重要的是,大量的细流在地上,被吸收而不是在上游的氛围;否则深气氛变得等温,事实上成为冷如皮肤温度在极端情况下,4.3.5章节中讨论。所以热的维护结构而言,金星的对流层更像南极的冰川比就像地球的对流层。逃离地球内部的热量的细流在冰川-仅30 mW / m2足以提高基底冰的温度熔点和创建冰川下的沃斯托克湖正是因为冰的热扩散系数很小。所以,金星的大气;极光学厚tropophere呈现辐射的热扩散系数非常小,并允许小的太阳辐射到达低层大气中的表面积累和提高温度极端值。然而不像冰川,低层大气变得足够热的时候,可以开始对流传热。对流取代辐射热流,还建立了绝热线,让表面更热比辐射水平。

不同noncondensible温室气体辐射平衡配置文件的细节有所不同,但一般情况不会有很大的不同从我们学会了通过观察二氧化碳。当温室气体可以浓缩在地面附近,然而,情况就变得完全不同。水蒸气在空气的情况下提供了一个典型的例子。如果地面温度足够高,水蒸气的量存在于饱和使低层大气光学厚,那么温度将下降迅速,高度离地面,因为这是什么光学厚的大气辐射平衡。水蒸气展览这一效应尤其强烈,因为它容易使大气光学厚窗外到处区域的光谱,甚至窗户关闭超过300 k。然而,随着温度降低,水蒸气含量减少依照所强加的限制克劳修斯——克拉珀龙方程。在一个小的距离离地面,空气很冷,几乎没有水蒸气离开,和大气中进一步在空中变成光学薄。结果,大多数的大气光学厚度的变化集中到一个薄,辐射地面附近的边界层,光学(以及温度)厚度变化很大在这一层。由于强烈的温度梯度和高光学边界层的厚度,一个强大的温室效应是生成完全在边界层内,导致低OLR。如果一个强加均衡吸收太阳辐射与地球相似,地面温度必须增加温度超过320 k达到平衡,和饱和蒸汽压与温度的急剧增加进一步加剧了高辐射边界层的温度梯度。它有点像

整个金星的大气光学厚度都挤进一个边界层的深度一公里或更少。添加一个不能凝固的气体如二氧化碳混合改变了温度曲线在边界层之上,但并不能消除的基本病理情况。平衡剖面在这种情况下是没有身体的后果,因为轻微的对流或其它湍流混合会瘦辐射边界层,混合变暖和湿润更深层大气的辐射平衡的解决方案,我们一直在研究不能凝固的情况值得长期考虑,因为它们提供了一些有用的洞察力为更现实的大气平流层的温度有一些低水平对流。同样不能说纯辐射平衡的冷凝水汽/空气系统,这是一个练习病理有很少或没有影响的操作真实的大气。

虽然真实气体辐射平衡不会顺从的完整的解决方案我们喜欢灰色的气体情况下,其行为可以很好被几个概论,总结如图4.44所示。为真实气体灰色气体加热红外发射从边界越低,温度随距离边界。这可以被视为一种热扩散的传热是温度梯度,虽然描述的过程只是一个真正的地方扩散光学厚的限制。真实气体的行为就好像他们是光学厚在地面附近,表现出强烈的对流不稳定的温度梯度和没有地面和上方的空气之间的温度跳跃。室内的温度梯度减弱,但通常是一个地区的强,虽然稳定,温度下降的顶部附近的大气。高层大气中远远的冷灰色气体皮肤温度,因为(通过基尔霍夫定律)强烈的大气辐射有效吸收部分的光谱,但上层大气的辐射照明耗尽这部分频谱。与灰色气体情况下,大气的温度对比整个深度相对不敏感的温室气体在大气中。只要有一些光谱区域大气光学厚,和一些大气的光学薄,辐射冷却往往是由中间光谱区域。因此,温度下降的趋势之间的两到三倍地面和高空大气层,只有轻微的增加,即使温室气体含量增加了许多数量级。这种行为持续直到现在是如此多的温室气体,整个气氛变得非常光很厚热红外谱,在金星上一样。

这一切的结果是,大气的温度是由吸收上升流从黑体红外表面不会表现出纯辐射平衡。总是会有一层在地表附近对流不稳定。如果大气光学薄,不稳定是由一个温度跳跃在海面。如果大气光学厚度和压力展宽,产生的不稳定是强大的内部大气中温度梯度在地表附近。这句话甚至定性适用于气态巨行星没有表面,随着大气深足够致密,它可以开始像一个黑体虽然没有明显的表面。氛围可以稳定在其深度,然而,如果它受到大气太阳能加热增加高度以合适的方式。

继续阅读:真实气体的大气对流层顶高度

这篇文章有用吗?

0 0