8.1:8.1 Бюджет тепла Землі

Last updated
Save as PDF

Page ID: 36666

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Баланс вхідного і вихідного тепла на Землі називають її тепловим бюджетом. Як і в будь-якому бюджеті, для підтримки постійних умов бюджет повинен бути збалансований так, щоб надходить тепло дорівнювало вихідному теплові. Тепловий бюджет Землі відображається нижче (рис.\(\PageIndex{1}\)).

Малюнок теплового бюджету\(\PageIndex{1}\) Землі. З усієї сонячної радіації, що досягає Землі, 30% відбивається назад у космос і 70% поглинається Землею (47%) і атмосферою (23%). Тепло, поглинене сушею та океанами, обмінюється з атмосферою за допомогою провідності, випромінювання та прихованого тепла (зміна фази). Тепло, поглинене атмосферою, врешті-решт випромінюється назад в космос (PW).

З усієї сонячної енергії, що досягає Землі, близько 30% відбивається назад у космос від атмосфери, хмар та поверхні Землі. Ще 23% енергії поглинається водяною парою, хмарами та пилом в атмосфері, де вона перетворюється в тепло. Трохи менше половини (47%) вхідної сонячної радіації поглинається сушею і океаном, і ця енергія нагріває поверхню Землі. Енергія, поглинена Землею, повертається в атмосферу за допомогою трьох процесів: провідності, випромінювання і прихованого тепла (зміна фази) (рис.\(\PageIndex{1}\)).

Провідність - це передача тепла через прямий контакт між поверхнею і атмосферою. Повітря є відносно поганим тепловим провідником (а значить, він хороший ізолятор), тому провідність становить лише невелику частину передачі енергії між Землею і атмосферою; дорівнює приблизно 7% надходить сонячної енергії.

Всі тіла з температурою вище абсолютного нуля (-273 ^о С) випромінюють тепло у вигляді довгохвильового, інфрачервоного випромінювання (див. Електромагнітний спектр в розділі 6.5). Прогріта Земля не є винятком, і близько 16% вихідної сонячної енергії випромінюється від Землі в атмосферу (рис.\(\PageIndex{1}\)). Частина цієї випромінюваної енергії буде розсіюватися в космос, але значна кількість тепла буде поглинена атмосферою. Це основа для парникового ефекту (рис. 8.12). У парниковому ефекті короткохвильова сонячна радіація проходить через атмосферу і досягає поверхні Землі, де вона поглинається. Коли випромінювання повторно випромінюється Землею, воно тепер у вигляді довгохвильового, інфрачервоного випромінювання, яке не легко проходить через атмосферу. Натомість це інфрачервоне випромінювання поглинається атмосферою, особливо парниковими газами, такими як CO ₂, метан та водяна пара. В результаті відбувається нагрівання атмосфери. Без парникового ефекту середня температура на Землі становила б близько -18 ^о С, що занадто холодно для рідкої води, і тому життя, як ми знаємо, не могло б існувати!

Рисунок\(\PageIndex{2}\) Пояснення парникового ефекту (EPA США [Public domain], через Wikimedia Commons).

Існує велика стурбованість парниковим ефектом по всьому світу; не через наявність самого ефекту, а тому, що ефект посилюється, викликаючи зміни клімату або глобальне потепління. З часів промислової революції атмосферні концентрації основних парникових газів, зокрема CO ₂ та метану, різко зросли через індустріалізацію, спалювання викопного палива та вирубку лісів. У той же час спостерігається швидке потепління глобального клімату; концентрації CO ₂ збільшилися більш ніж на 25%, а глобальна температура зросла на 0.5 ^o C за минуле століття. Якщо виробництво цих парникових газів не буде стримано, ця тенденція швидкого потепління може продовжуватися з потенційно жахливими наслідками. Докладну інформацію про причини та наслідки зміни клімату див. розділ 8.5.

Найбільшим шляхом теплообміну між сухою або океанами та атмосферою є приховане тепло, що передається через фазові зміни; тепло, що виділяється або поглинається, коли вода рухається між твердою, рідкою та пароподібною формами (див. Розділ 5.1). Тепло необхідно додати до рідкої води, щоб вона випаровувалася, а коли утворюється водяна пара, це тепло видаляється з океану і передається в атмосферу разом з водяною парою. Коли водяна пара конденсується в дощ, це тепло потім повертається до океанів. Такий же процес відбувається з утворенням і таненням льоду. Тепло поглинається льодом, коли він тане, і тепло виділяється, коли утворюється лід, і ці фазові зміни передають тепло між океанами та атмосферою.

Для завершення теплового бюджету тепло, яке поглинається атмосферою або безпосередньо від сонячного випромінювання, або в результаті провідності, випромінювання і прихованого тепла, в кінцевому підсумку випромінюється назад в космос (рис.\(\PageIndex{1}\)).

Диференціальний нагрів земної поверхні

Якби Земля була плоскою поверхнею, зверненою до Сонця, кожна частина цієї поверхні отримувала б однакову кількість вхідної сонячної радіації. Однак, оскільки Земля є сферою, сонячне світло не однаково розподіляється по поверхні Землі, тому різні області Землі будуть нагріватися до різних ступенів. Такий диференціальний нагрів земної поверхні відбувається з ряду причин. По-перше, через кривизну Землі сонячне світло падає тільки перпендикулярно поверхні в центрі сфери (екваторіальні області). У будь-якій іншій точці Землі кут між поверхнею і надходить сонячним випромінюванням менше 90 ^о. Через це така ж кількість вхідного сонячного випромінювання буде зосереджено на меншій площі на екваторі, але буде поширюватися на набагато більшу площу біля полюсів (рис.\(\PageIndex{3}\)). Таким чином тропіки отримують більш інтенсивне сонячне світло і більшу кількість нагріву на одиницю площі, ніж полярні регіони.

Малюнок\(\PageIndex{3}\) Через кривизну Землі однакова кількість сонячного світла буде поширюватися на більшу площу біля полюсів в порівнянні з екватором. Таким чином, екватор отримує більш інтенсивне сонячне світло та більшу кількість тепла на одиницю площі (За Thebiologyprimer (Власна робота) [CC0], через Wikimedia Commons).

Кут, під яким сонячне світло потрапляє на Землю, сприяє диференціальному нагріванню поверхні додатковим чином. На полюсах, через кут, під яким сонячна енергія б'є об поверхню, більше світла буде відкидатися з поверхні і атмосфери і відбиватися назад у космос. На екваторі прямий кут, з яким світло досягає поверхні, призводить до того, що більше енергії поглинається, а не відбивається. Нарешті, полюси відображають більше сонячної енергії, ніж інші частини Землі, оскільки полюси мають вищий альбедо. Альбедо відноситься до відбивної здатності поверхні. Більш світлі поверхні більш відбивають, ніж більш темні поверхні (які поглинають більше енергії), і тому мають більш високе альбедо. На полюсах лід, сніг і хмарний покрив створюють набагато вище альбедо, а полюси більше відображають і поглинають менше сонячної енергії, ніж нижчі широти. Завдяки всім цим механізмам полюси поглинають набагато менше сонячної радіації, ніж екваторіальні області, тому полюси холодні, а тропіки дуже теплі.

Але є цікавий поворот в цьому глобальному розподілі тепла. Тропічні регіони фактично отримують більше променистого тепла, ніж вони випромінюють, а полюси випромінюють більше тепла, ніж отримують (рис.\(\PageIndex{4}\)). Тому слід очікувати, що тропіки будуть постійно теплішими, тоді як полюси стають все більш холодними. Але це не так; так що ж відбувається? Замість тепла, що залишається ізольованим поблизу екватора, близько 20% тепла від тропіків транспортується до полюсів до того, як воно буде випромінюватися. Цей масштабний транспорт енергії стримує клімат в обох крайнощах. Механізми такої теплопередачі - океанічна і атмосферна циркуляція, тема наступного розділу.

\(\PageIndex{4}\)Малюнок Баланс між тепловіддачею і тепловтратами як функція широти. Надлишок тепла, отриманого поблизу екватора, передається в бік полюсів (Національний центр океанографії (НОК). Creative Commons 3.0 (непортована ліцензія).

Ідея диференціального нагрівання поверхні Землі є основоположною для розуміння широкого спектру океанографічних і атмосферних процесів. Цей диференціальний нагрів призводить до атмосферної конвекції, яка створює вітри, які дують над водою і створюють хвилі і поверхневі течії, і ці течії впливають на розподіл поживних речовин, що сприяє первинному виробництву, яка потім підтримує решту океанічної екосистеми. Так що є багато їзди на простому факті, що більше світла досягає тропіків, ніж полюси!