Сущность теплового баланса Земли

Земля получает тепло, поглощая коротковолновую солнечную радиацию в атмосфере, и особенно на земной поверхности. Солнечная радиация является практически единственным источником поступления тепла в систему «атмосфера—земля». Другие источники тепла (тепло, выделяемое при распаде радиоактивных элементов внутри Земли, гравитационное тепло и др.) в сумме дают лишь одну пятитысячную долю того тепла, которое поступает на верхнюю границу атмосферы от солнечной радиации Sо и при cоставлении уравнения теплового баланса их можно не учитывать.

Теряется тепло с уходящей в мировое пространство коротковолновой радиацией, отразившейся от атмосферы Soa и от земной поверхности SОП, и за счет эффективного излучения земной поверхностью длинноволновой радиации Еэ и излучения атмосферы Еa.

Таким образом, на верхней границе атмосферы тепловой баланс Земли как планеты складывается из лучистого (радиационного) теплообмена:

SO — Soa — Sоп — Eэ — Еa = ?Sэ, (1).

где ?Sэ, изменение теплосодержания системы «атмосфера — Земля» за период времени? т.

Рассмотрим слагаемые этого уравнения за годовой период. Поток солнечной радиации при среднем расстоянии Земли от Солнца приблизительно равен 42,6−10° Дж/(м2-год). Из этого потока на Землю поступает количество энергии, равное произведению солнечной постоянной I0 на площадь поперечного сечения Земли рR2, т. е., I0 рR2, где R — средний радиус Земли. Под влиянием вращения Земли эта энергия распределяется по всей поверхности земного шара, равной 4рR2. Следовательно, среднее значение потока солнечной радиации на горизонтальную поверхность Земли без учета ослабления ее атмосферой составляет Iо рR2/4рR3 = Iо/4, или 0,338кВт/м2. За год на каждый квадратный метр поверхности внешней границы атмосферы в среднем поступает около 10,66- 109 Дж, или 10,66 ГДж солнечной энергии, т. е. Iо = 10,66 ГДж/(м2*год).

Рассмотрим расходную часть уравнения (1). Поступившая на внешнюю границу атмосферы солнечная радиация частично проникает в атмосферу, а частично отражается атмосферой и земной поверхностью в мировое пространство. По новейшим данным среднее альбедо Земли оценивается в 33%: оно складывается из отражения от облаков (26%) и отражения от подстилающей поверхности (7:%). Тогда отраженная облаками радиация Soa= 10,66*0,26 = 2,77 ГДж/(м2*год), земной поверхностью — SОП = 10,66*0,07 = 0,75 ГДж/(м2*год) и в целом Земля отражает 3,52 ГДж/(м2*год).

Земная поверхность, нагретая в результате поглощения солнечной радиации, становится источником длинноволнового излучения, нагревающего атмосферу. Поверхность всякого тела, имеющего температуру выше абсолютного нуля, непрерывно излучает тепловую энергию. Не являются исключением земная поверхность и атмосфера. Согласно закону Стефана — Больцмана интенсивность излучения зависит от температуры тела п его лучеиспускательной способности:

E = вуТ4, (2).

где Е-интенсивность излучения, или собственное излучение, Вт/м2; влучеиспускательная способность тела относительно абсолютно черного тела, для которого в = 1; у — постоянная Стефана — Больцмана, равная 5,67*10−8 Вт/(м2*К4); Т — абсолютная температура тела.

Значения в для различных поверхностей колеблются от 0,89 (гладкая водная поверхность) до 0,99 (густая зеленая трава). В среднем для земной поверхности в принимают равным 0,95.

Абсолютные температуры земной поверхности заключены между 190 и 350 К. При таких температурах испускаемая радиация имеет длины волн 4—120 мкм и, следовательно вся она инфракрасная и не воспринимается глазом.

Собственное излучение земной поверхности — Е3, рассчитанное по формуле (2), равно 12,05 ГДж/(м2*год), что на 1,39ГДж/(м2*год), или на 13% превосходит поступившую на верхнюю границу атмосферы солнечную радиацию S0. Столь большая отдача радиации земной поверхностью приводила бы к быстрому ее охлаждению, если бы этому не препятствовал процесс поглощения солнечной и атмосферной радиации поверхностью Земли. Инфракрасная земная радиация, или собственное излучение земной поверхности, в интервале длин волн от 4,5 до 80 мкм интенсивно поглощается. водяными парами атмосферы и только в интервале 8,5 — 11 мкм проходит сквозь атмосферу и уходит в мировое пространство. В свою очередь, водяные пары атмосферы также излучают невидимую инфракрасную радиацию, большая часть которой направлена вниз к земной поверхности, а остальная часть уходит в мировое пространство. Атмосферную радиацию, приходящую к земной поверхности, называют встречным излучением атмосферы.

Из встречного излучения атмосферы земная поверхность поглощает 95% его величины, так как по закону Кирхгофа лучеиспускательная способность тела равна его лучепоглотительной способности. Таким образом, встречное излучение атмосферы является для земной поверхности важным источником тепла в дополнение к поглощенной солнечной радиации. Прямому определению встречное излучение атмосферы не поддается и рассчитывается косвенными методами. Поглощенное земной поверхностью встречное излучение атмосферы Eзa= 10,45 ГДж/(м2 *год). По отношению к S0 оно составляет 98%.

Встречное излучение всегда меньше земного. Поэтому земная поверхность теряет тепло за счет положительной разности между собственным и встречным излучением. Разность между собственным излучением земной поверхности и встречным излучением атмосферы называют эффективном излучением (Еэ):

Еэ = Ез — Езa (3).

солнечный теплообмен земной Эффективное излучение представляет собой чистую потерю лучистой энергии, а следовательно, и тепла с земной поверхности. Это уходящее в космос тепло составляет 1,60 ГДж/(м2 *год), или 15% от поступившей на верхнюю границу атмосферы солнечной радиации (на рис. 9.1 стрелка Ез). В умеренных широтах земная поверхность теряет через эффективное излучение примерно половину того количества тепла, которое она получает от поглощенной радиации.

Излучение атмосферы носит более сложный характер, чем излучение земной поверхности. Во-первых, по закону Кирхгофа энергию излучают лишь те газы, которые ее поглощают, т. е. водяной пар, углекислый газ и озон. Во-вторых, излучение каждого из этих газов носит сложный избирательный характер. Поскольку содержание водяного пара с высотой уменьшается, то наиболее сильно излучающие слои атмосферы лежат на высотах 6 — 10 км. Длинноволновое излучение атмосферы в мировое пространство Еa=5,54 ГДж/(м2*год), что составляет 52% от притока солнечной радиации к верхней границе атмосферы. Длинноволновое излучение земной поверхности и атмосферы, поступающее в космос, называется уходящей радиацией ЕУ. В сумме она равна 7,14 ГДж/(м2*год), или 67% от притока солнечной радиации.

Подставляя в уравнение (1) найденные значения Sо, Sоа, Sоп, Еэ и Еа, получим — ?Sз = 0, т. е. уходящая радиация вместе с отраженной и рассеянной коротковолновой радиацией Sоз компенсируют приток солнечной радиации к Земле. Иными словами, Земля вместе с атмосферой теряет столько же радиации, сколько получает, и, следовательно, находится в состоянии радиационного равновесия.

Тепловое равновесие Земли подтверждается многолетними наблюдениями за температурой: средняя температура Земли от года к году меняется мало, а от одного многолетнего периода к другому остается почти неизменной.