地球大气的温度热量平衡

1、大气科学导论,李成才 (ccli) 物理楼522房间(62762552) 北京大学物理学院大气科学系,Ch.2地球大气的温度、热量平衡和气候变化,温度概念 太阳的能量 电磁波和辐射 辐射和温度 大气温室效应 大气对太阳辐射的散射、反射 大气层的加热过程 地表温度的季节变化 外界强迫导致辐射收支不平衡 局地温度变化 阅读：Meteorology Today，第2和3章,温度,有三种温标用于度量物体温度的高低，绝对温度，摄氏温度和华氏温度。 华氏温度早在1700年由G.Daniel Fahrenheit 提出，他把当时用冰和盐水混合所得到的最低温度定为 0 度，水结冰的温度为 32 度，水沸腾的温

2、度为 212 度。这样，从水的冰点到沸点均匀地划分180份。,温度的换算,摄氏温度是18世纪提出来的，它把水的冰点定为0度，沸点定为100度。 绝对温度是从热力学的研究中导出来的，Kelvin 提出在分子热运动完全停止时物体的温度应该是 273.150 C , 这应该是绝对的0度。,温度的测量,Liquid in glass thermometers （水银或酒精） maximum thermometer（最高温度） minimum thermometer（最低温度） Electrical thermometers electrical resistance thermometer（热敏电阻）

3、 thermocouple（热电偶） infrared sensors（红外） Bimetallic thermometer(双金属片),最高温度,最低温度,双金属片温度计,百叶箱,气温与人的舒适度,人对温度的反应并不是简单的单调关系，它和其它气象量有关系。最重要的是风速。 实际上人皮肤对冷或热的感觉主要和热量交换的情况有关。当热量由皮肤传递给周围环境，人就感觉周围冷，当热量由周围环境传递给皮肤，人就感觉周围热。,当然，热量传递的方向必须是从高温向低温。但人感觉热得厉害或冷得厉害，是和热量传递的快慢（速度）有关。 在静止空气中，人皮肤上有一层静止的边界层空气，它极大地阻挡着皮肤和空气的热传导和

4、热对流。因此人的感觉温度（sensible temperature）往往和实际温度会有差别。 在有风的情况下，静止的边界层空气被破坏了，人的感觉会有很大的变化。它使热量散发的速度大大加快，给人以凉爽的感觉（冬天当然是冷）。 在其它条件不变时，风给人凉爽感觉的程度用 Wind-Chill factor 来反映。它表示在有风时，皮肤散发热量的数值相当于在静风时所要求的低温度。,实感温度,tr 实感温度 t 气温（0C） h 相对湿度 （%） u 风速（m/s） 实感温度200 感觉凉爽,温湿指数,Id 温湿指数 t 温度（0C） h 相对湿度（%） Id = 70，10%人感觉不舒适 Id = 7

5、5，50%人感觉不舒适 Id = 80，绝大多数人感觉不舒适,、太阳的能量,驱动和加热地球大气的能量来源于太阳；能量自太阳传送至地球是通过辐射过程实现的，本章我们将学习能量的辐射以及大气中的热量平衡。 虽然地球中心的温度很高，但地热可以忽略不计，这与木星和土星不同，这些巨大的行星本身也具备一定的能源。,太阳的能量,太阳距地球的距离是1.5108KM. 太阳中心温度高达15百万度，这是核反应的结果（氢聚变生成氦)。 太阳表面的温度大约是6000oC. 太阳表面常出现黑色的斑点，也就是太阳黑子，直径可达5倍地球直径那么大，可能是强磁场活动的结果。黑子周围很亮的地方释放较高的温度。 太阳黑子有11年

6、的活动周期。,太阳表面的火焰可延伸数十万公里,太阳辐射,粗劣地讲，太阳以两种方式向外放射能量（物质）。一种是以电磁波（光波）的方式，该部分是加热地球大气的能量，这将是本章的重点； 另一部分是以磁流体（Plasma）的方式发射粒子（离子和电子），也就是太阳风，这一部分也会导致地球大气发生变化。,极光现象,由于极高的温度和剧烈的碰撞，太阳大气的离子（电子）将获得极高的速度，从而脱离太阳的引力而逃向太空，这些粒子流被称之为太阳风。 强烈的太阳风与地球磁场发生作用，使得朝着太阳的一面磁场被压缩，背向太阳的一面的磁场被拉伸。太阳风粒子与高层大气分子发生作用，原子被激发产生可见光，这种光被称为极光（Aur

7、ora）。,极光出现的区域与地理极圈并不重合,因为磁力线在南北极穿越地球，太阳发射的粒子沿磁力线运动，易于和磁极附近的大气分子发生作用，所以，极光通常发生在靠近极地的区域，但极光出现的区域与地理极圈并不重合。 极光出现的高度大约在80-150KM。,2 电磁波和辐射,从物理学中知道，热量传递的方式有三种： 传导 对流 辐射,能量传输的方式？,辐射Radiation 传导Conduction 对流Convection 平流Advection 潜热Latent Heat,热传导,The transfer of heat from molecule to molecule within a subs

8、tance is called conduction. 热传导总是把热量从高温处传向低温处 热传导中单位时间传递的热量与二点的温度梯度成正比，比例系数称为热传导系数。 热传导系数反映了各种不同物体热传导的能力。,对流,对流过程是大气中最重要的过程之一。 虽然对流过程最重要的结果的产生对流云及其相联系的各种强对流天气现象，但大气中各种对流过程不一定都有云产生，也即不是所有的对流活动你都可以看见，但与对流所联系的空气流动是可以感觉到的。例如山谷风，海陆风等。,辐射和电磁波,辐射过程是物体以电磁波形式发射或吸收能量，简称辐射。在辐射传输的过程中，能量可以从一个物体输送到另一个物体，而它们之间的空间并

9、不必要被加热。这和热传导和对流不同。 电磁波是随时间变化的电磁场其能量以波动的形式在空间传播。在没有实物媒质存在时，电磁辐射的传播速度为一普适恒量c，即光速。电磁辐射具有波动的一般特性，如反射，折射，衍射，干涉等，它也具有微粒性，它的辐射能是量子化的。,辐射,地球长波辐射集中在波长10 m附近,电磁波谱,电磁波按其频率或波长的排列构成电磁波谱。整个波谱包含宽广的频率范围，可分为许多分支区段。,、辐射和温度,任何物体，只要温度不是绝对温度 0 度，都在辐射着电磁波。同时也吸收着从四面八方传播过来的电磁波。这一物体就这样通过辐射过程与周围环境交换着能量。 根据物体的性质，并不是所有波长的电磁波都能

10、吸收。某种物体可能吸收某些波长或波段的电磁波，同时它也发射这些波长或波段的电磁波。这就是 Kirchhoff 定律。每一种物体对不同波长电磁波的吸收能力大小构成该物体的电磁波谱。 该定律指出，对于某一波长来说，如果一个物体是好的吸收体，它同时也是好的发射体，差的吸收体也是差的放射体（严格地讲，该定律仅适用于气体）。,Gustav Kirchhoff (1824-1887): 德国物理学家，26岁时成为University of Breslau的教授。对能量辐射、电学和光谱学做出了巨大贡献，发现了铯和铷元素（与Bunsen合作）。,黑体和灰体,如果某种物体，对所有波长的辐射都有完全的吸收能力，即

11、对任何波长，吸收系数均为100%。这种物体就称为黑体。 自然界并不存在真正的黑体，因此黑体只能是一种理想的物体。我们可以制造出一些十分接近要求的理想黑体。 如果某种物体，对所有波长的辐射都有相同的吸收能力，即对任何波长，吸收系数均为某一常数。这种物体就称为灰体。,Planck定理,由于黑体对所有波长的辐射都吸收，因此它在所有的波长都辐射。黑体的辐射可以用 Planck 定理(1900)来描述。,Max Plack (1858-1947): 德国物理学家，是Helmholtz和Kirchhoff的学生，在27和31岁时分别成为University of Kiel和University of Be

12、rlin的教授。对量子理论的发展做出了巨大的贡献。1918年获得Nobel Prize。,右图给出的是Planck公式中辐射能量随的分布。它有一个单一的峰值，利用简单的数学运算，我们可以得到对应最大辐射能量的max值。Wien发现max和物体的温度的积 是一个常量，这就是 Wien 定理（1893）。 这里， 是物体具有最大辐射能量的波长。Wien定理表明，温度越高的物体，物体的最大辐射能量所对应的波长越短。,Wien 定理,Wilhelm Wien（1864-1928）， 德国物理学家，由于发现了Wien 定理于1911年获得了Nobel Prize。,太阳和地球的辐射波长峰值,太阳的温度大

13、致是 6000K，其辐射的峰值波长是 0.55 m。地球的温度大致是 288K，其辐射的峰值波长是 10 m。 在大气科学中，常把太阳辐射称为短波辐射，把地球辐射称为长波辐射。短波辐射的范围是从0.2 m 到 4.0 m，长波辐射的范围是从 4.0 m 到 120 m。,太阳和地球的辐射波谱,太阳波谱及其辐射能量所占的比重,Stefan Boltzmann定律,对Planck公式在各个波段进行积分，我们可以得到用Stefan Boltzmann 定律（1879）,它描述的是黑体向外辐射的总能量与温度的关系,Joseph Stefan（1835-1893），奥地利物理学家，28岁时成为 维也纳大

14、学的教授，开创了分子扩散理论，在辐射方面也做出了 巨大贡献。,Ludwig Boltzmann（1844-1906），奥地利物理学家，对气体 运动理论和统计力学做出了重要贡献。,太阳的辐射通量,太阳的辐射温度是5800K，根据Stefan Boltzmann 定律，我们得到 太阳表面的辐射强度（通量）为E太阳=6.4107W/m2。 那么在到达地球时，太阳的辐射通量可以通过下面的公式求出,r,d,地球接收太阳的短波辐射， 放出红外长波辐射,地球的热量平衡,地球围绕太阳运行，它一面吸收太阳辐射，一面以它自身的温度向宇宙空间发射辐射。其热量平衡关系应当有 这里，S0 为达到地球大气上界的太阳辐射通

15、量， 为地球-大气系统对太阳辐射的反射率； T 为辐射平衡温度，也称地球的有效温度。,R,地球表面的温度,根据目前测量得到的数据， S0 = 1376 w/m2 (+3.4% -3.5%) = 0.3 R = 6370 km 计算得到 T = 2550K （ -180C） 它远低于地球表面的实际平均温度 150C 问题出在那里呢？就是温室气体的温室效应，它使地面的平均温度上升了 330C，从 180C 变为 150C。,请解释树干周围的雪先融化?,、大气的温室效应（Greenhouse Effect),物质对辐射具有选择性吸收（物质的吸收性质取决于物质的分子结构）。如H20、CO2、CH4、C

16、FCs、N2O等吸收很少的太阳短波辐射，但它们对红外长波辐射的吸收很强。O3既吸收太阳的紫外辐射，也吸收红外长辐射。右图给出的是大气成分的吸收波谱。,吸收辐射的本质,Rotational Energy,Vibrational Energy,Electronic Energy,温室气体的吸收谱,作为温室气体，它们在太阳辐射的主要波段必须透明，即吸收系数很小。图上所有气体都满足这一要求。 温室气体应当在地面辐射的波段有吸收，上面的这几种气体也都有。但注意，没有一种气体对所有的长波辐射都吸收掉的，只是对其中某些波段有吸收。 由于地面发射的长波辐射的峰值波长是 10 m，因此那种气体对 10 m附近有

17、强的吸收，它引起温室效应的效率就比较高。 主要的温室气体有： H2O、CO2、 O3、 N2O、CH4、CFCs,大气的温室效应,温室效应来自地球大气中某些气体的选择吸收特性。这些温室气体对太阳的短波辐射几乎没有吸收，让它达到并加热地面，而对长波辐射则有很强的吸收，使地面发出的长波辐射无法离开地球大气。其总的效果是使对面温度升高。,温室效应(Greenhouse Effect),温室效应,温室气体的辐射效果很象温室的玻璃，它允许太阳光通过，但不让红外辐射通过（玻璃对红外辐射的吸收系数很大）。温室内的温度就要比温室外高好多度。 大气的温室效应与温室玻璃有着根本的区别，温室玻璃不让红外辐射通过，这

18、与温室气体的温室效应相同。 但是，温室玻璃还隔绝了温室内外的热对流和热交换，这一保温作用甚至比其不让红外辐射透过的作用更强。相比之下，大气的温室效应并不隔绝热对流和热交换。所以，我们应从物理上理解它们的不同之处。,法国科学家Jean-Baptiste (1768-1830 ) 1827 年提出了大气温室效应的概念，并用了这个名词。,问题：判断正误,温室气体减少了地球向宇宙空间外界释放的长波红外辐射 温室气体能够降低地气系统的有效温度 温室气体对地面的增温伴随对高空的降温,、大气对太阳辐射的散射、反射,太阳短波辐射射到地球大气以后，它要和大气、地面发生作用。 地球大气中有空气分子和气溶胶粒子，它

19、们会散射和吸收短波辐射。 地面对短波辐射也会反射和吸收。 云对太阳辐射也有反(散)射和吸收作用。 其结果是一部分辐射能被反射回宇宙空间(30%)，一部分辐射能被大气吸收(19%)，一部分辐射能被地面吸收(51%)。,大气的散射和吸收,空气分子的散射相对来说是比较简单的，但它也有一个多次散射的问题，即散射光射到其它分子上还可以再一次散射，从地面反射上来的光射到其它分子上也可以再一次散射。 气溶胶散射的问题就比较复杂，关键是气溶胶的含量和特性的变化太大。 一般认为气溶胶的反射会增加地气系统对太阳辐射的反射，减少了系统输入的能量，其结果使系统温度下降。但是若气溶胶对太阳辐射的吸收能力很强，如果吸收的

20、作用可以超过散射的作用，这时，气溶胶可以使地气系统增温。,云的反射和吸收,云对太阳辐射的反射和吸收对地气系统的能量平衡有很大的作用，但它也是一个很不确定的量。云量的多少，云的特性都有极大的空间和时间变化。 一般来说，低层云可以较强地反射太阳短波辐射，对红外长波的传输过程影响小；而高层云正好相反。 早期的卫星大多用来研究云量及其分布，近年来新的卫星资料还可以进一步研究云的微物理特性，包括相态，粒子大小和浓度。,海水的反射率非常低,地面对太阳辐射的反射只占4%，但它实际上对决定30%这个数值影响是很大的。 地气系统的反射率只有30%，很大程度上是由海水的低反射率造成的。清洁海洋的反射率小于5%，而

21、且海洋占了地球表面的70%，因此，即使冰雪或云的反射率可大到90%，整个地球大气系统的反射率还只有30%。,地球大气系统的反射率,被地球和大气系统反射的比例称为地气系统反射率，它是一个非常重要的参数。因为它是决定地气系统到底接受了多少能量。目前测量结果是全球平均值是 =30%。 地气系统的反射是由三个过程组成的：空气分子和气溶胶的散射；云的反射；地面的反射。,不同物体的反射率比较,地球-大气系统的辐射平衡,、大气层的加热过程,大气对太阳短波辐射直接吸收的能力比较弱，因此太阳短波辐射主要是直接加热地球表面，然后地面再自下而上加热大气层。 地面加热大气层通过四种途径： 扩散， 湍流过程，这两个造成显热和潜热的输送； 对流活动，造成显热和潜热的输送； 辐射过程。,热对流,The transfer of heat by mass movements of a fluid (such as water and air）is called convection. 对流过程是大气中最重要的过程之一。,在对流过程中，上升的空气膨胀变冷，下沉的空气被压缩变暖,大气对流过程中温度的变化,大气加热过程示意图,海陆风 Land 冬至日，太阳天