الإشعاع الأرضي: الخصائص والتبادل

بعد قراءة هذه المقالة سوف تتعلم عن خصائص وتبادل الإشعاع الأرضي.

خصائص الإشعاع الأرضي:

كل جسم له درجة حرارة أكبر من الصفر المطلق ينبعث منه إشعاع عند كثافة تتناسب مع القوة الرابعة من درجة حرارته المطلقة. الفضاء الخارجي عند أو قرب الصفر المطلق. تتراوح درجة حرارة الغلاف الجوي من درجة الحرارة القصوى إلى درجة حرارة الأرض حوالي 323 درجة مئوية (50 درجة مئوية).

ولذلك ، فإن الغلاف الجوي يشع إشعاع الموجة الطويلة نحو الأرض وكذلك إلى الفضاء. يصبح سطح الأرض ساخناً بعد تلقي الإشعاع من الشمس. ونتيجة لذلك ، يصبح مصدرا للإشعاع. يبلغ متوسط ​​درجة الحرارة على سطح الأرض حوالي 288 درجة مئوية.

وتشير التقديرات إلى أن أكثر من 99 في المائة من الإشعاع المنبعث من سطح الأرض يرد في مدى الأشعة تحت الحمراء من 4 إلى 100 درجة مئوية مع وجود ذروة عند حوالي 10 درجات مئوية. يسمى هذا الإشعاع الطويل الموجه الصادر من سطح الأرض بالإشعاع الأرضي. يتم امتصاص معظم الإشعاع الأرضي في الجزء السفلي من طبقة التروبوسفير.

نافذة الغلاف الجوي:

تنطلق إشعاعات الموجة الطويلة إلى الفضاء فيما بين 8.0 و 13.0 درجة ، وتُعرف هذه النافذة بالإطار الجوي.

تبادل الإشعاع الأرضي:

وهكذا ، يتم إرسال جزء كبير من الإشعاع الذي يمتصه الغلاف الجوي إلى سطح الأرض كإشعاع مضاد. هذا الإشعاع المضاد يمنع سطح الأرض من التبريد المفرط في الليل. يسمى التأثير الصافي لهذا النوع من الأشعة التفاضلية تأثير النافذة أو تأثير البيت الأخضر.

ويستوعب الغلاف الجوي ، وخاصة الأبخرة المائية ، والغيوم ، وثاني أكسيد الكربون ، نحو 90 في المائة من الإشعاع الموجي الطويل (الأشعة تحت الحمراء) المنبعثة من الأرض. جزء كبير من إشعاع الموجة الطويلة هو عداد تشعته الغلاف الجوي للأرض. على الرغم من أن إطلاق إشعاع الموجة الطويلة يحدث أثناء الليل ، إلا أن كمية الإشعاع طويل الموجة أكبر بسبب ارتفاع درجة حرارة الأرض خلال النهار.

وتشترك جميع طبقات الغلاف الجوي في امتصاص وانبعاث الإشعاع ، ولكن العمليات أكثر أهمية في الطبقات السفلية حيث تكون الماصات الفعالة للإشعاع طويل الموجة هي أبخرة المياه وثاني أكسيد الكربون وأكسيد النيتروز والميثان.

مجموع الإشعاع نصف الكروي:

هو تدفق الإشعاع المجمع من السماء (إشعاع الموجة القصيرة المباشرة ، الإشعاع المنتشر والإشعاع طويل الموجة). توقع Swinbank (1963) تدفق نصف كروي عن طريق استخدام درجة حرارة الهواء المقاسة في الشاشة حوالي 1.5 إلى 2 متر فوق سطح الأرض.

يتم إعطاؤه بواسطة المعادلة التالية:

R _lw = 5.31 x 10 ^-13 T ⁶

حيث يتم قياس R _lw في Wm ^-2 ويتم أخذ T في درجة مطلقة (° K).

تم تطوير هذا التعبير من الملاحظات المسجلة ليلا في غياب الإشعاع الشمسي. على الرغم من أن هذه المعادلة تفتقر إلى الرطوبة النسبية إلا أن Paltridge (1970) وجدتها دقيقة جدًا في الليل. ومع ذلك ، تم العثور على انحرافات كبيرة بين القيم المقاسة والمتنبأ بها خلال وقت النهار.

الرصيد الإشعاعي لنظام الأرض - الغلاف الجوي:

أرض:

الإشعاع يمتص بواسطة سطح الأرض = 124 Kly

الإشعاع الموجي الطويل الفعال الصادر من الأرض = 52 Kly

صافي توازن الإشعاع على سطح الأرض = 72 Kly

الغلاف الجوي:

الإشعاع يمتصه الغلاف الجوي = 45 Kly

الإشعاع الضائع من الغلاف الجوي = 117 كلي

صافي توازن الإشعاع في الغلاف الجوي = -72 Kly

الإشعاع الصادر الفعال:

ويتم امتصاص حوالي 90 في المائة من الإشعاعات الصادرة من سطح الأرض بواسطة أبخرة الماء بين 5.3 و 7.7 درجة مئوية وما فوق 20 درجة مئوية. يمتص الأوزون الإشعاع الصادر في نطاق يتراوح بين 9.4 و 9.8 µ ويتم امتصاص ثاني أكسيد الكربون من 13.1 إلى 16.9 µ بينما تمتص السحاب جميع الأطوال الموجية.

تنطلق الأشعة الأرضية إلى الفضاء الخارجي بين 8 و 13.0 µ. جزء كبير من الإشعاع الذي يمتصه الغلاف الجوي يعاد إرساله مرة أخرى إلى سطح الأرض. ومن المعروف باسم الإشعاع المضاد أو الإشعاع الخلفي. يمنع الإشعاع المضاد في الغلاف الجوي سطح الأرض من التبريد المفرط ليلاً.

تختلف شدة الإشعاع المضاد مع درجة حرارة الهواء ، ومحتوى بخار الماء للهواء وغطاء السحب. يُعرف الفرق بين الإشعاع الأرضي الصادر والإشعاع المضاد الجوي باسم الإشعاع الصادر الفعلي.

على أساس سنوي ، يمتص سطح الأرض حوالي 124 Kly من الإشعاع الشمسي ويشع بشكل فعال 52 Kly من الإشعاع الموجي الطويل إلى الغلاف الجوي. يبلغ صافي توازن الإشعاع على سطح الأرض 72 كليًا. وبالمثل ، يمتص الغلاف الجوي 45 كيلا من الإشعاع سنويًا والإشعاع الذي يخسره الغلاف الجوي هو 117 كلي.

ولذلك ، فإن الفرق بين -72 كلي هو ميزان الإشعاع في الغلاف الجوي. ويشير إلى أن الغلاف الجوي يفقد قدرته الإشعاعية من الطاقة في كل عام مع اكتساب سطح الأرض ويتحول التوازن الإشعاعي لنظام الغلاف الجوي الأرضي إلى الصفر.

للحفاظ على توازن هذا النظام ، يتم نقل الطاقة من سطح الأرض إلى الغلاف الجوي لمنع السطح من التسخين والجو من التهدئة.

يحدث التبادل الحراري الرأسي بشكل رئيسي من خلال تبخر الماء من سطح الأرض (فقدان الحرارة) ومن خلال التكثيف في الغلاف الجوي (كسب الحرارة) وبواسطة توصيل الحرارة المعقولة من السطح ونقلها إلى الغلاف الجوي من خلال الحمل الحراري. تمتص الأبخرة المائية في الغلاف الجوي الإشعاع في نطاق الطول الموجي من 5.3 إلى 7.7µ وما بعد 20 درجة مئوية.