Погода. Радиационный баланс Земли. Локальные ветры и бризы. Движение Земли и погода, страница 2

Действительно, представим себе очень холодную и, следовательно, почти не испускающую тепловое излучение Землю, помещенную на свое место в Солнечной системе. Очевидно, поступающая от Солнца и поглощаемая Землей энергия не будет скомпенсирована такой же по величине энергией, испускаемой Землей в виде теплового излучения. Результатом будет нагрев планеты. По мере увеличения температуры будет расти излучаемая энергия (пропорционально четвертой степени температуры). И пока она не сравняется с поступающей энергией, нагрев будет продолжаться. Только по достижении баланса поглощаемой и испускаемой энергий нагрев прекратится, и температура стабилизируется. Равновесную температуру можно менять в некоторых пределах, за счет влияния на процессы поглощения и испускания излучения. Например, парниковые газы уменьшают количество теплового излучения, выходящего в космос, следовательно, равновесие может быть установлено только при более высокой температуре, при соответственно увеличившейся испускаемой Землей энергии теплового излучения.

Солнечная энергия распространяется равномерно по всем направлениям. Поэтому падающая на поверхность Земли энергия пропорциональна ее сечению, , где R - радиус Земли. Однако из-за вращения планеты поступающая энергия приблизительно равномерно распределяется по всей ее поверхности, так что на 1 м²  в среднем приходится

                                     .

Тепловое излучение Земли исходит от всей поверхности,  и в условиях баланса должно равняться средней падающей энергии[6]. Из них отражается[7] атмосферой и поверхностью Земли приблизительно 124 Вт/м² (около 1/3), а 226 Вт/м² (то есть, 2/3) поглощается (в основном в видимой области спектра). Эти первоначально поглощенные 226 Вт/м², а затем излученные в космос в виде теплового излучения атмосферы и поверхности Земли, следующим образом распределяются между атмосферой и поверхностью Земли:

63 Вт/м²    (1/5)   -      атмосфера

163 Вт/м²   (4/5)  – поверхность Земли.

Механизм нагрева атмосферы за счет поглощения солнечного излучения на первом этапе заключается в возбуждении составляющих атмосферы. Бóльшая часть энергии возбуждения затем превращается в тепло. Очень малая часть, однако, превращается опять в оптическое излучение. Последний процесс называется свечением атмосферы.

Излучение, достигшее поверхности Земли, поглощается и отражается в различной степени, в зависимости от подстилающей поверхности. Некоторые примеры приблизительной эффективности отражательной способности разного типа подстилающей поверхности приведены в таблице. Такие различия оказывают влияние на региональные особенности климата.

Из-за специфики взаимодействия излучения различных длин волн с атмосферой часто Землю называют большим парником. Земная атмосфера легко пропускает солнечное излучение в максимуме его интенсивности (зеленая часть видимого излучения). Однако максимум интенсивности испускаемого Землей теплового излучения приходится на далекую инфракрасную область спектра. Такое излучение весьма эффективно поглощается атмосферой, и это не дает ему беспрепятственно выходить в космическое пространство[8]. Аналогичная ситуация происходит в парнике: солнечное излучение почти беспрепятственно проходит сквозь стекло, а тепловое излучения из нагретого парника задерживается стеклом (см. рис. 2.3, 2.4). Поэтому в парнике температура воздуха оказывается значительно выше, чем снаружи, где отсутствует эффект задержки выходящего теплового излучения.