fxl91的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/fxl91

博文

如何 “科学地” 聊气候变化 (二):黑体辐射 -- 阳光普照大地,温暖人间

已有 2274 次阅读 2021-11-9 08:06 |系统分类:科普集锦

     每天进进出出地表的辐射,与大气相互作用,影响着地表温度,决定了全球气候系统。阳光普照大地,大气吸收着能量,这一过程其实就是组成大气层的气体分子把太阳光辐射转化为其内能的过程。这些分子的内能最终会以热量的方式传递给周围的大气, 这就提高了地表的温度,“温暖了人间”。这是理解温室效应和全球变暖问题的基础。这篇博文说下辐射的基本原理,有了这些基础之后,就可以很好地理解大气中的哪些气体对气候有显著的影响,为什么称二氧化碳、甲烷等为温室气体呢?为什么占大气主要部分的氮气我们不那么关注呢?

        再次强调下,气候与天气不同:气候指的是把地球看做一个系统,进进出出整个地球系统的能量的平衡问题。进入地球系统的能量主要来自于太阳的入射辐射(它的强度由太阳常数决定,当然也要考虑到反照率校正);离开地球的总能量是长波辐射(可以通过sqT4估算)。

        什么“短波的入射辐射和反射辐射”、“出射辐射是长波辐射”......别慌,这里聊的依然是太阳,只不过是从另一个角度:阳光是光,光就是电磁波,是波就会有波长、有频率、有波速、有能量。把电磁波们按照波长(亦或频率、波数、能量)的大小顺序进行排列,就可以得到电磁波谱。我们截取中间的一段看一下,人眼可见的这一部分,波长从380到740纳米。在这个波长范围内的电磁辐射被称作可见光。如果我们超出可见光范围,朝向更长的波长,我们就处在光谱的红外部分。同样地,如果我们使用更短的波长,小于380纳米,那就处在光谱的紫外部分。


Picture4.png


太阳辐射到地球的能量到底有多少?

        这里先忽略一万字,关于普朗克、韦恩、爱因斯坦的你对我错,那些发生在1900-11年间,在量子力学这个黎明到来之前的黑暗中涌动的争论。直接上干货,说下普朗克的这个黑体辐射公式(Planck's law)如何帮我们估算出太阳辐射到地球的能量。

        对于一个黑体而言(具有一定的温度),它一直在进行着辐射,向外发射着能量。这种辐射是各向同性的,并且以光速传播。辐射的强度(能量的辐射率)就是看单位时间、单位体积下辐射出去的能量。这个强度只与频率有关,与黑体的形状啊,大小啊都没有关系的。普朗克黑体辐射定律就给出了辐射率与频率(波长)的关系。

6.png

        公式左边是辐射率E(下图的纵轴);右边只有一个变量:能量的波长λ(下图中的横轴),其他的都是常数(h是普朗克常数;c是光速;k是波尔兹曼常数的步长;T是温度,单位是开尔文;e是2.718281,自然对数的底)。因此,如果我们知道行星或恒星的温度,就可以很容易地得到光谱辐照度曲线。

        把太阳看成一个黑体,利用这个公式,就可以建立出太阳的辐照度(辐射率)曲线图。纵轴是辐照率,横轴是波长,那么曲线下方到横轴的面积(积分)就代表了能量。 下图是太阳的黑体辐照度谱,显示了出了光谱在紫外光、可见光和红外光部分的太阳的辐射率。对曲线进行积分计算,就可以得出太阳辐射的能量在各个光谱部分的分布情况:大约7%的来自太阳的能量在紫外部分,大约44%在光谱的可见光部分,其余的49%在红外部分。太阳光强度的峰值出现在0.5 微米(1微米为10-6米)处,是可见光的波段。

7.png

太阳的黑体辐照度谱。最大辐照度(0.5 微米处)在该光谱的可见光部分。


维恩位移定律

        黑体辐射能量最强的时候,波长是多大呢?这只与黑体的温度有关:用一个常数除以物体的温度,就得到黑体辐射能量最强时的波长。这个公式和常数(维恩常数2897.8)由维恩通过对普朗克定律的一阶导数为零时求解最先提出,被称为维恩位移定律。

        对于太阳来说,太阳表面温度是5778 K,用维恩常数除以5778 K,就得到0.5微米。这和根据普朗克定律得到的光谱辐照度曲线中体现出的峰值是一样的 (当然是一样的了, 因为韦恩位移定律就是用普朗克定律推出来的)。

Picture8.png

        对于太阳而言,它的最大波长落在光谱的可见光部分;而对于地球而言,在红外光部分,所以说地球的出射辐射是长波辐射。


温室效应       

Ultraviolet and visible light hits earth. Earth warms up and emits infrared. The infrared is trapped by greenhouse gases.

        所谓的“阳光普照大地,温暖了人间”,就是太阳在紫外,可见光,红外波段都有辐射到地表,地表吸收了这部分能量,平均温度变高。地球大气层对可见光波长相对透明(就像温室里的玻璃窗)。臭氧、氧气和散射去除了大部分(但不是全部)紫外线辐射。这是进入地球系统的能量。

        同时,地球也时刻在向外发射着能量,主要是以红外长波辐射的形式(地球的温度决定的。288K太低了, 辐射不出来可见光。具体原理参见上文的维恩位移定律。

        这些被从地球表面波辐射出来的红外长波又被大气截住了,避免了热量的大量流失到太空(这就是为什么月球也一样被太阳照耀着, 但是温度却不高的原因:它没有大气层啊)。所以说地球的红外辐射取决于大气中的温室气体, 因为温室气体的定义是能够吸收地球表面发射的光谱的红外部分的气体。一旦这些红外长波辐射被温室气体吸收,这些能量会被重新辐射回地球表面,也会进入太空。

11.jpg

(顶部)黑体光谱辐照度的太阳(红线)在大气顶部和从地球表面(填充红区)观察。黑体光谱辐照度的黑体温度为210 K(黑色)288 K(蓝色)310 K(紫色)。填充的蓝色区域代表观测到的长波辐射迷失在大气层顶端的太空(俯视地球)(中间面板)大气的总吸收和散射作为波长的函数。(底)各种温室气体在大气中的吸收光谱和散射。

        综上可以看出,对于温室效应的量化,可以通过各种温室气体吸收红外辐射的能量计算得到。除了这种直接的方法外,还有一种间接的量化方法:研究地球表面发射的全球平均红外辐射与大气顶部空间的发射量(不受温室气体影响)之间的差异。也就是说,通过实际的全球表面温度和黑体温度(即没有任何大气吸收的温度)之间的差异,可以估计出地球的温室效应。如下图所示。在没有温室效应的情况下,一个294 K(假设的地球的平均温度)黑体的发射光谱输出光谱应该大致遵循普朗克定律,如图中的红线所示。黑线是地球上在大气层顶部向下观测到的长波辐射的实际值。那么这一理想黑体的曲线与实际观测值之间的差异(黄色标注区域)代表了地球大气吸收的红外辐射量,即温室效应。当然,现实世界要复杂得多,因为输出的长波在空间和时间上都是高度可变的。

10.png

温室气体对地球发出的长波辐射的影响。温度为294 K(红线)的地表黑体发射光谱与从大气顶部向下观察到的输出红外辐射(黑线)的比较。观测曲线下的蓝色区域代表了整体的输出辐射。黑体(红色)和观察到的(黑色)黄色曲线之间的差异代表了地球大气层的吸收。每种温室气体以特定波长吸收,从而形成“咬”模式-指出了在不同波段吸收的主要气体


温室气体

        地球大气中的“温室气体”是吸收红外辐射的气体。是什么决定了大气中的特定气体是否吸收了红外辐射?只有振动引起偶极矩变化的气体才能吸收红外辐射。偶极矩是反映相反电荷的量。分子的对称拉伸不会引起偶极矩的变化,因此这种振型不会吸收红外辐射。相反,不对称拉伸和弯曲会导致偶极矩的变化,并在特定波长吸收红外辐射。像氮气和氧气这样的双原子气体不是温室气体,因为在振动过程中偶极矩没有变化。而二氧化碳不同,它有不同的振动模式,是一种温室气体。每种温室气体都有特定的吸收波长(如下图)。水蒸气是大气中最重要的温室气体(无论是质量还是体积),因为它是一种非常有效的红外线吸收器。由于它是一种可凝结的气体,所以水蒸气含量通过蒸发/冷凝受到温度的控制。其他温室气体包括二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、臭氧和氯氟烃 (非自然产生的,完全是人为产生的)。

image.jpeg

地球大气中重要温室气体的吸收光谱。每种大气气体都有特定的吸收光谱。请注意,吸收峰不是线,因为加宽是水分子和其他非吸收分子碰撞的结果(N2)。还请注意同一分子(HDO)同位素的吸收线位置不同。


        本文部分内容来源于地球科学通识课(2021/22学年度为大学一年级学生开设)的“气候变化”主题的第二节(共六节)。图片内的英文来自授课教师David Hodell.



https://blog.sciencenet.cn/blog-897401-1311554.html

上一篇:地球的眼线是怎么画的 -- 来看看大气的组成
下一篇:如何 “科学地” 聊气候变化 (三):水蒸气算不算温室气体?

4 张学文 檀成龙 郑永军 杨学祥

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (3 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2022-5-17 20:06

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部