Радиация

На температуру атмосферы и поверхности влияет электромагнитное излучение, и это излучение традиционно делят на два вида: инсоляция от Солнца и излучение от поверхности и атмосферы. Инсоляцию часто называют коротковолновой радиацией; он попадает в основном в ультрафиолетовую и видимую части электромагнитного спектра и состоит преимущественно из длин волн от 0,39 до 0,76 микрометра (от 0,00002 до 0,00003 дюйма). Излучение, испускаемое Землей, называется длинноволновым излучением; он попадает в инфракрасную часть спектра и имеет типичные длины волн от 4 до 30 микрометров (от 0,0002 до 0,001 дюйма).Длина волны излучения, испускаемого телом, зависит от температуры тела в соответствии с законом излучения Планка. Солнце с температурой поверхности около 6000 кельвинов (K; около 5725 ° C или 10 337 ° F) излучает на гораздо более короткой длине волны, чем Земля, у которой более низкие температуры поверхности и атмосферы от 250 до 300 K (-23). до 27 ° C или от -9,4 до 80,6 ° F).

Часть поступающего коротковолнового излучения поглощается атмосферными газами, включая водяной пар, и непосредственно нагревает воздух, но в отсутствие облаков большая часть этой энергии достигает поверхности. Рассеяние части коротковолнового излучения, особенно самых коротких длин волн, молекулами воздуха в процессе, называемом рэлеевским рассеянием, создает голубое небо Земли.

При наличии высоких густых облаков большой процент (примерно до 80 процентов) инсоляции отражается обратно в космос. (Доля отраженного коротковолнового излучения называется альбедо облака.) Часть солнечного излучения, достигающего поверхности Земли, отражается обратно в атмосферу. Значения альбедо поверхности колеблются от 0,95 для свежевыпавшего снега до 0,10 для темных органических почв. На суше это отражение происходит полностью на поверхности. Однако в воде альбедо зависит от угла падения солнечных лучей и глубины водяного столба. Если солнечные лучи падают на водную поверхность под косым углом, альбедо может быть выше 0,85; если эти лучи более прямые, то отражается лишь небольшая их часть, возможно всего лишь 0,02, тогда как остальная часть инсоляции рассеивается в толще воды и поглощается. Коротковолновое излучение проникает в объем воды на значительные глубины (до нескольких сотен метров) до полного ослабления инсоляции. Нагревание воды солнечным излучением распространяется по глубине, что приводит к меньшим изменениям температуры у поверхности воды, чем это произошло бы при той же инсоляции на равной площади суши.

Количество солнечной радиации, достигающей поверхности, зависит от широты, времени года, времени суток и ориентации земной поверхности по отношению к Солнцу. В Северном полушарии к северу от 23°30′, например, солнечная инсоляция в местный полдень меньше на склонах, обращенных на север, чем на суше, ориентированной на юг.

Солнечное излучение состоит из прямого и рассеянного излучения. Прямое коротковолновое излучение достигает поверхности, не поглощаясь и не рассеиваясь от линии своего распространения промежуточной атмосферой. Изображение диска Солнца как резкого и отчетливого объекта представляет собой ту часть солнечного излучения, которая непосредственно достигает наблюдателя. Рассеянное излучение, напротив, достигает поверхности после того, как сначала рассеялось от линии распространения. В пасмурный день, например, диск Солнца не виден, и все коротковолновое излучение рассеяно.

Длинноволновое излучение испускается атмосферой и распространяется как вверх, так и вниз. Согласно закону Стефана-Больцмана, общее количество излучаемой длинноволновой энергии пропорционально четвертой степени температуры излучающего вещества (например, поверхности земли или атмосферного слоя). Величина этого излучения, достигающего поверхности, зависит от температуры на высоте излучения и величины поглощения, которое имеет место между высотой излучения и поверхностью. Большая часть длинноволнового излучения поглощается, когда промежуточная атмосфера содержит большое количество водяного пара и углекислого газа. Облака с концентрацией жидкой воды около 2,5 грамма на кубический метр поглощают почти 100 процентов длинноволнового излучения на глубине 12 метров (40 футов) в облако. Облака с более низкой концентрацией жидкой воды требуют большей глубины, прежде чем будет достигнуто полное поглощение (например, облаку с содержанием воды 0,05 грамма на кубический метр требуется около 600 метров [около 2000 футов] для полного поглощения).Облака такой толщины излучают длинноволновое излучение от своих оснований вниз к поверхности Земли. Количество испускаемого длинноволнового излучения соответствует температуре самых нижних уровней облака. (Облака с более теплым основанием излучают вниз больше длинноволнового излучения, чем более холодные облака.)

Проводимость

Величина теплового потока за счет теплопроводности под поверхностью зависит от теплопроводности и вертикального градиента температуры в материале под поверхностью. Такие почвы, как сухой торф, обладающие очень низкой теплопроводностью (т. е. 0,06 Вт на метр на К), допускают небольшой тепловой поток. Напротив, бетон имеет теплопроводность примерно в 75 раз больше (т. Е. 4,60 Вт на метр на К) и допускает значительный тепловой поток. В воде теплопроводность не имеет большого значения, так как, в отличие от земной поверхности, инсоляция в воде распространяется на значительные глубины; кроме того, воду можно перемешивать вертикально.

Конвекция

Вертикальное перемешивание (конвекция) происходит как в атмосфере, так и в водоемах. Этот процесс перемешивания также называют турбулентностью. Это механизм теплового потока, который происходит в атмосфере в двух формах. Когда поверхность значительно теплее, чем вышележащий воздух, самопроизвольно происходит перемешивание для перераспределения тепла. Этот процесс, называемый свободной конвекцией, происходит, когда скорость падения температуры окружающей среды (скорость изменения атмосферной переменной, такой как температура или плотность, с увеличением высоты) температуры уменьшается со скоростью, превышающей 1 °C на 100 метров ( примерно 1 °F на каждые 150 футов). Эта скорость называется адиабатическим градиентом (скорость изменения температуры, происходящая в восходящем или нисходящем воздушном потоке). В океане повышение температуры с глубиной, приводящее к свободной конвекции, зависит от температуры, солености и глубины воды.Например, если поверхность имеет температуру 20 °C (68 °F) и соленость 34,85 частей на тысячу, повышение температуры с глубиной более чем примерно на 0,19 °C на км (0,55 °F на милю) просто ниже в верхних слоях океана приведет к свободной конвекции. В атмосфере профиль температуры с высотой определяет, имеет место свободная конвекция или нет. В океане свободная конвекция зависит от профиля температуры и солености с глубиной. Например, более холодные и более соленые условия в поверхностном участке воды повышают вероятность того, что этот участок спонтанно погрузится и, таким образом, станет частью процесса свободной конвекции.

Перемешивание также может происходить из-за касательного напряжения ветра на поверхности. Касательное напряжение — это тянущая сила жидкости, движущейся в одном направлении, когда она проходит близко к жидкости или объекту, движущемуся в другом. В результате поверхностного трения средняя скорость ветра на поверхности Земли должна быть равна нулю, если только эта поверхность сама по себе не движется, например, в реках или океанских течениях. Ветер над поверхностью замедляется, когда вертикальный сдвиг ветра (изменение скорости ветра на разных высотах) становится достаточно большим, чтобы привести к вертикальному перемешиванию. Процесс, при котором тепло и другие свойства атмосферы смешиваются в результате сдвига ветра, называется принудительной конвекцией. Свободная и вынужденная конвекция также называются соответственно конвективной и механической турбулентностью. Эта конвекция возникает либо как явный турбулентный тепловой поток (тепло, непосредственно переносимое к поверхности или от нее), либо как скрытый турбулентный тепловой поток (тепло, используемое для испарения воды с поверхности). Когда этого перемешивания не происходит, скорости ветра слабы и мало меняются со временем; шлейфы дымовых труб электростанций в этом слое, например, очень мало распространяются по вертикали и остаются в непосредственной близости от дымовых труб.