1. Что определяет температуру поверхности Земли? Баланс потоков тепловой энергии. Температура на поверхности Земли определяется
балансом приходящей и уходящей энергии. Основным и подавляющим источником энергии, поступающей к поверхности Земли, является солнечное излучение (вклад источников энергии из недр Земли в настоящую эпоху в десятки тысяч раз меньше солнечного и потому сейчас практически не играет роли).
Рис. Потоки приходящей к Земле тепловой энергии, и уходящей от нее. Когда солнечные лучи достигают Земли, они начинают разогревать ее. Как известно, любое тело с температурой выше абсолютного нуля (0 K), излучает тепловую энергию. И чем больше температура, тем сильнее и излучение. Таким образом, когда солнечные лучи прогреют Землю до такой температуры, что уходящий поток энергии (тепловое излучение Земли) достигнет такой же величины, как и приходящий поток солнечного излучения, установятся условия
лучистого равновесия, и температура перестанет повышаться. Если бы температура росла дальше, то увеличивался бы поток уходящей энергии, он был бы больше приходящего и нарушался бы закон сохранения энергии.
Указанные выше условия работают для Земли в целом, как для единой системы – важно чтобы сохранялось равенство приходящих и уходящих потоков
на границе Земли. В случае
отсутствия атмосферы условия лучистого равновесия устанавливались бы
прямо на поверхности Земли, и ее температура определялась бы, как указано выше, из условия равенства приходящего и уходящего потока излучения, и была бы по закону Стефана-Больцмана в настоящую эпоху равной 255 К (–18 °С), с учетом того, что часть солнечного излучения Земля не поглощает и не нагревается от этого, а отражает сразу, т.е. с учетом альбедо. Кроме того, очевидно, что нельзя ожидать, что температура поверхности Земли будет равной температуре поверхности Солнца, ведь Земля находиться на значительном расстоянии от Солнца, и приходящая на единицу площади солнечная энергия на таком расстоянии намного ниже, чем та, которая уходит с поверхности Солнца (зависимость обратно пропорциональна квадрату расстояния). Поэтому кстати, отвод энергии от Земли излучением идет в другом диапазоне длин волн, в силу закона смещения Вина.
Рис. Спектры излучения Земли и Солнца, в шкале волновых чисел Но при
наличии атмосферы граница, где устанавливаются условия равенства приходящего и уходящего потоков, сдвигается вверх, в атмосферу. Это происходит потому, что излучение взаимодействует с атмосферой, она вносит помехи в его распространение. Взаимодействие это заключается как в рассеянии и отражении солнечного излучения атмосферными аэрозолями, так и препятствовании распространению земного инфракрасного излучения парниковыми газами. Подробнее об этом будет рассказано в соответствующих разделах. Стоит сейчас только указать, что при преобладании первого эффекта температура на поверхности Земли будет ниже чем на указанной выше границе, при преобладании второго – температура на поверхности будет выше.
Итак, мы выяснили основные факторы, влияющие на температуру поверхности Земли
в целом, т.е. для всей поверхности планеты – это
прежде всего величина потока солнечного излучения, приходящего к Земле (которая определяется расстоянием до Солнца, и в общем случае, условиями распространения солнечного света в среде на пути от Солнца к Земле, т.е. возможным наличием газа и пыли, которые будут ослаблять поток), а также
условия распространения приходящего и уходящего излучения в атмосфере, и
доля сразу же отраженной солнечной энергии, не участвующей в нагревании Земли (альбедо). Любые изменения в указанных факторах будут приводить к изменениям общепланетарной температуры.
Рис. Потоки приходящей к Земле тепловой энергии, и уходящей от нее в цифрах. Цифры приведены с учетом того, что поток солнечной энергии проецируется на площадь поперечного сечения Земли, т.е. площадь окружности, а уходит тепловая энергия сразу со всего земного шара, т.е. мы перешли от площади окружности к площади сферы (соотношение 1/4). Кроме того, учтено альбедо (0,39), т.е. доля сразу же отраженной солнечной энергии, не участвующей в нагревании Земли и дальнейшем переизлучении.
- участник сейчас на форуме
- участник вне форума
