气候变化/科学/大气平衡

人们可能会想知道大气的顶部到底在哪里，而且理由充分。我们知道大气主要由地球周围的气体包层组成，根据静水压近似，气压随高度降低。大气是否只有在气压达到极小值时才结束？不，但并没有一个对大气顶部的良好定义，它会随着子学科而变化。为了我们的目的，我们通常可以将大气顶部（通常缩写为TOA）视为对流层顶或甚至更低的对流层中层。在本章中，我们可以想象它是向下短波辐射通量与太阳常数的差异可忽略不计，并且向下长波通量（太阳引起的长波通量，很小）可忽略不计的水平。

现在我们已经对TOA是什么有了概念，我们可以问为什么它可能有用。

首先考虑平衡系统中的能量守恒。这可能是一个装有水的罐子，上面有一个加热灯，所有这些都被封闭在一个盒子里。它可以是一个简单的黑体系统，也可以是任何孤立系统。能量守恒意味着能量的总量不会改变，这等效于说输入系统的任何能量都必须通过能量的向外通量来平衡。在以地球（作为“系统”）的情况下，这意味着进入的能量（阳光）必须由向外辐射来平衡。我们知道太阳常数（ $1367Wm^{-2}$ ），因此如果我们在地球表面上积分，我们就知道有多少进入的能量。这种进入的能量，有时称为太阳辐射或向下短波辐射，需要得到平衡。为什么？好吧，如果它没有被等量的能量损失所平衡，那么系统的温度必须发生变化（这是热力学第一定律）。维恩定律告诉我们，黑体峰值发射的波长与温度成反比，对于正常的地球温度，这意味着发射处于电磁频谱的红外部分。值得庆幸的是，这种光对人类来说是不可见的，并且因为波长比可见光（太阳或短波）更长，所以地球红外辐射通常被称为长波辐射。辐射到太空的量（由于温室效应，它与表面发射的量不同）通常被称为*向外长波辐射*（OLR）。当系统处于平衡状态时，OLR（等于TOA的净长波）会平衡大气顶部的净短波。

TOA的净短波辐射是否等于进入的短波？答案是否定的。净短波在适当的时间和全球范围内的平均值，是气候系统能量的来源，但并非所有太阳辐射都被地球吸收。让我们不要拐弯抹角。当进入大气时，进入的太阳辐射会发生什么？光子（光的“粒子”）实际上只有三种路径可循。首先，它可以被吸收，无论是在大气中还是在地表。吸收意味着与光子相关的能量被赋予某个原子或分子，导致该粒子处于更高的能级。其次，光子可以被反射，这意味着光子的路径被反转。更一般地说，我们应该说光子可以被散射，它被散射回它所来自的方向的概率有一定程度，但我们现在不需要处理散射。第三，光子可以继续不受阻碍地前进，最终到达地表并被吸收或反射；当光子在不与介质相互作用的情况下穿过介质时，它被称为透射。为了研究气候，人们通常不需要（通常）担心单个光子，而是光的总效应。由于我们现在知道每个光子单独会发生什么，我们可以将所有构成太阳辐射的光子加起来，使得 $F_{\downarrow }=A+R+T$ ，其中F是向下短波通量的总量，A是大气吸收的光的比例，R是被反射回太空的比例，在到达地表之前，T是透射到地表的光。

从我们对向下短波通量的理解，我们可以通过考虑地表来继续分析。地表吸收的光量并不完全等于透射光T。为什么？好吧，地表可能具有很高的反射率。例如，雪和冰反射高达80%的入射光，而开阔的海面几乎不反射。地表的反射率通常称为反照率，用 $\alpha$ 表示，它只是被反射的入射光的比例。知道地表具有给定的反照率，我们现在可以说在地表吸收的光量必须等于 $F_{\mathrm {absorbed} }=(1-\alpha )^{-1}(F_{\downarrow }-A-R)$ 。这表明在地表吸收的光量等于未被地表反射的透射辐射。注意，反照率在定义上始终在0到1之间，典型的全球平均值为约0.3。

还应注意，地表反射的短波光有可能被反射（被云层或颗粒物）或被大气成分吸收。然而，对于大多数气候讨论，以及为了这里目的，我们将忽略这一过程。此外，我们可以在（在合理的近似中）假设大气对短波辐射是透明的，这意味着不会有吸收。这通过消除项A简化了我们之前的表达式。为了进一步简化我们的符号，我们可以说总的“行星反照率”是大气反照率（稍后我们将称之为云反照率）和地表反照率的总和， $\alpha _{p}=\alpha _{s}+\alpha _{c}$ 。这些简化使我们能够将“TOA的净短波”写为 $F_{net}=F_{\downarrow }-F_{\uparrow }=(1-\alpha _{p})F_{\downarrow }$

如上所述，地表的辐射通量根据斯特藩-玻尔兹曼定律和维恩的黑体辐射定律近似地起作用。即使我们将来自太阳常数的总能量分布在地球的整个表面积上，发射也必须处于红外线。计算留作练习。

当我们假设表面吸收了部分入射短波辐射， $(1-\alpha _{s})F_{sfc}$ ，并且温度达到平衡，则发射通量为 $Q_{sfc}=\sigma T_{sfc}^{4}$ 。当然，实际上不同的表面类型存在一些发射率，但在这里我们忽略了它。一旦发射，这些光子就会面临与向下短波辐射相似的后果。长波辐射的主要区别在于大气在红外线中的透明度远高于可见光，因此不能忽略吸收。各种大气成分吸收红外能量，然后以与大气该部分温度相对应的波长发射。这就是自然温室效应，而活跃的气体通常被称为温室气体；其中最主要的是水蒸气、二氧化碳和甲烷。

自然温室效应的后果对地球上的生命至关重要。在没有大气的情况下，发射到太空的长波辐射将与吸收的短波辐射完全相等，地表温度将降至寒冷的 255 K。由于温室气体吸收红外辐射，它们会使地球变暖。如何？我们可以从两个方面思考它的影响。首先，气体被吸收的辐射加热，然后各向同性地（向上和向下等量）辐射，将能量反射回地表，充当额外的能量来源。其次，温室气体的吸收和随后发射会改变地球的有效发射温度（从太空看）。这种第二个效应是理解温室效应的一种有用方法，并且可以轻松地应用于不断变化的气候。作为一个思想实验，假设所有温室气体的吸收都发生在大气的一薄层中，这层可以有效地被认为是围绕地球的薄壳。从太空中看，来自地球的发射将来自较高的高度，其温度比地表低得多。当然，这意味着来自该表面的通量将小于入射太阳辐射的通量。气候系统实现平衡的唯一方法，这是能量守恒所必需的，是低层升温，以长波辐射的形式发射更多能量，进而使大气升温，并改变有效发射高度和温度。这种调整持续进行，直到大气顶部实现短波和长波预算平衡。

下图显示了大气辐射平衡的大致卡通图。到目前为止，我们只关注了晴空场景（卡通左侧）。稍后我们将考虑云存在时出现的修改，并将探索改变大气成分的影响。