地表年平均能量收支情形 @ 冒牌自然老師

地球表面與大氣能量輻射收支經過年平均之後的情形

地表能量收支圖
圖片引自Kiehl, J. T. and Trenberth, K. E. 1997年論文, 題目為"全球地表能量的年平均收支", 美國氣象學會會訊. Kiehl, J. T. and Trenberth, K. E. (1997). "Earth's Annual Global Mean Energy Budget". Bulletin of the American Meteorological Association 78: 197-208.

撰文/陳育霖

論文中使用的輻射能量單位是W/m², 指的是每平方公尺多少瓦能量. 又因為瓦(W)指的是每秒鐘多少焦耳能量. 所以輻射能量單位可以直接視為每秒鐘且每平方公尺多少焦耳. 意指每單位時間當中每單位面積上所測到的能量.

上圖左半邊指的是進入大氣與地表, 來自太陽的短波長輻射; 右半部指的是離開地表與大氣的長波長或紅外線輻射.

地球的大氣層頂吸收來自太陽輻射的能量平均為342W/m² . 當中有107 W/m²被雲、大氣中空氣分子與地表上高反射率的部份[像是雪地或者人為建築物]反射或散射到太空中. 所以342W/m²當中只有235W/m²(342-107)能夠進入地球表面(168W/m²)與地球大氣層(67W/m²). 當物體吸收能量則溫度自然會升高. 根據量子物理, 平衡溫度高的物體輻射電磁波的波長較短[太陽表面溫度6000K, 所以輻射波長較短約在黃光區, 地表與大氣平衡溫度較低, 所以輻射波長較長的紅外線IR]. 且物體只要有熱量就會向外輻射能量.

現在看由地表向外輻射紅外線平均能量為390W/m², 但是看到這裡研究過能量守恆的人一定會感到不可思議, 上段說明中, 地表明明只吸收168W/m²的太陽輻射能量, 怎麼能夠輻射390W/m². 多餘的能量到底從何而來? 主要是由於大氣中的溫室效應氣體(greenhouse gases)能夠吸收阻擋90%來自地表與大氣中的紅外線輻射. 所以因為來自太陽輻射67W/m² 加上溫室氣體吸收來自地表的紅外線輻射一起加熱地球大氣層. 大氣被加熱之後, 自己也會輻射紅外線. 其中165W/m²就向太空輻射, 雲則向太空輻射30W/m². 但是其中多數約324W/m²則向地表進行輻射. 這部份就解釋為什麼地表能夠輻射390W/m²紅外線.

由太陽來到地球的能量49%被地表吸收[因為168/342=49%]. 這些能量以不同的形式送到大氣中, 一部份是蒸發過程(evaporation=78W/m²), 一部分是熱輻射(thermal=24W/m²).

由此能量收支情形可以看出, 地表大氣必須要有能夠強力吸收紅外線的條件[或者說是某種物質], 才能合理解釋這個看似能量不守恆的地表大氣年平均能量收支圖.

Bulletin of the American Meteorological Association原文論文
Earth's Annual Global Mean Energy Budget
Bulletin of the American Meteorological Association 78: 197-208
Kiehl, J. T. and Trenberth, K. E.

BAMS原文論文
Earth's Global Energy Budget
AMERICAN METEOROLOGICAL SOCIETY, March 2009
Kevin E. Trenberth, John T. Fasullo, and Jeffffrey Kiehl

大氣層頂

高中物理Box
量子物理的開端, 從研究煉鋼溫度開始的熱輻射四大理論
物體熱輻射的來源, 一般認為溫度高於絕對零度的物體都能產生熱輻射. 進一步解釋成物體中所含電子因為熱擾動產生加速度, 所以帶電荷產生加速時產生電磁波輻射.

1. 史蒂芬波茲曼定律(Stefan–Boltzmann law)
R = σT⁴
2. 維恩位移定律(Wien's displacement law)
λ_maxT = constant
3. 克希荷夫定律(Kirchhoff's law)
固定溫度下, 物體對熱輻射的吸收率與輻射率成正比
4. 普朗克輻射定律(Planck's radiation law)
E = hf/(e^hf/kT-1)