气候变化/科学/太阳对地球的影响

几乎所有影响地球气候的能量都来自太阳，即使有时是间接的，我们将在下面看到。

太阳就像一台热核发动机，它释放的能量是由太阳核心氢原子融合产生的。对太阳内部运作的完整描述，包括太阳黑子和太阳风，超出了本书的范围。但是，这是一个值得阅读的话题，因为太阳提供了地球生命所需的能量。

太阳发射的光子（电磁能量）在大约 8 分钟内到达地球轨道。太阳“表面”（光球层）的温度约为 5700 K，已通过多种方式确定，包括下面包含的一个简单计算。从能量守恒的角度来看，我们可以猜到发生了什么。当光线从太阳传播出去时，它均匀地散布在不断膨胀的球形壳上，因此大量的能量分布在巨大的区域上，因此任何特定点的浓度随着距离太阳的距离而减小。到能量到达地球轨道时，能量通量（每时间单位每面积单位的能量）仅为 1367 W/m²，即所谓的太阳常数。这个单一数字是大多数气候学，尤其是历史气候学，的起点。

利用太阳常数，我们可以计算出如果没有大气层，地球的温度。为此，我们将地球视为黑体，这意味着它处于辐射平衡状态，它吸收的所有能量（即落在其表面上的所有能量）都会被发射出去。 斯蒂芬-玻尔兹曼定律 规定了黑体辐射，可以表示为

$\Phi =\sigma T^{4}\,$

其中左侧是通量，它与黑体温度的四次方成正比。 $\sigma$ 是斯蒂芬-玻尔兹曼常数，其值约为 $5.67\times 10^{-8}{\text{W m}}^{-2}{\text{K}}^{-4}$. 入射到地球上的能量通量是太阳常数，但请注意，太阳通量不会均匀地落在行星表面上。为了说明这一点，请注意，通量均匀地分布在朝向太阳的半球的投影上，即横截面， $\pi r^{2}$，但能量（平均而言）分布在整个球形表面上， $4\pi r^{2}$，产生一个 1/4 的因子。因此，这个假设地球的温度为

$T=(1367/4\sigma )^{-1/4}=278.63K$

以摄氏度表示，即 278.63 - 273.15 = 5.48 C。这是一个非常寒冷的全球平均表面温度！幸运的是，大气层的存在使得地球系统能够储存更多能量；观测到的全球平均温度约为 287 K (14 C)，这使得人类能够更舒适地生存。

到达地球的光线覆盖了广泛的频率范围，但峰值频率位于电磁频谱的可见光部分。这可以通过考虑我们已经了解的关于太阳的信息来证明。在这个练习中，有两个长度至关重要，但可以测量得很好：地球和太阳之间的距离以及太阳的半径。太阳中心到地球中心的平均距离，历史上定义了一个天文单位，约为 $1.496\times 10^{11}{\text{m}}$. 太阳的赤道半径约为 $6.995\times 10^{8}$ m。将这些距离与太阳常数 ($\Phi _{E}=1367Wm^{-2}$) 结合起来可以让我们估计太阳的有效表面温度。为了推导出温度，请考虑到达太阳到地球距离的能量，即太阳常数。由于太阳是球形的，并且向各个方向辐射，因此该能量到达半径为 1 AU 的球体的整个表面积的相同距离，将此半径称为 R。这个球体的表面积由 $4\pi R^{2}$ 给出。所有这些能量都必须穿过由太阳半径定义的球体，这意味着一个表面积为 $4\pi r^{2}$ 的壳，其中 r 是太阳的半径。因为能量是守恒的（它在太阳和地球之间不会被创造或破坏），所以能量可以通过以下公式来等价：

$\Phi _{E}4\pi R^{2}=\Phi _{S}4\pi r^{2},$

其中 $\Phi _{S}$ 是太阳表面的能量通量。利用该通量，可以通过 $T_{Sun}=(\Phi _{S}\sigma ^{-1})^{-1/4}$ 推导出太阳的有效表面温度。代入数值，我们发现 $T_{Sun}=5762$K，这与其他估算结果非常接近。使用 维恩位移定律，我们可以确定该温度下的最大发射波长为 $\lambda _{max}=b/T$，其中 $b=2.897\times 10^{-3}$ mK，被称为维恩位移常数。这个波长约为 503 纳米，是太阳能量主要发射的波长。这个值接近可见光谱的中间部分，这就是为什么我们看到太阳是黄橙色。

从这个简单的练习中，我们推断出太阳接近一个黑体，这得到了观测结果的证实。地球的峰值发射频率是多少？它位于光谱的哪个部分？要回答这些问题，请重复使用上面的维恩定律。地球以更低的温度发射，因此波长更长，这幸运的是对人眼不可见（想象一下，如果地面像灯泡一样，我们会很难看到！）。