Terrestrische Strahlung: Eigenschaften und Austausch
Nachdem Sie diesen Artikel gelesen haben, lernen Sie die Eigenschaften und den Austausch der terrestrischen Strahlung kennen.
Eigenschaften der terrestrischen Strahlung:
Jedes Objekt mit einer Temperatur größer als der absolute Nullpunkt strahlt Strahlung mit einer Intensität aus, die der vierten Potenz seiner absoluten Temperatur proportional ist. Der Weltraum liegt bei oder nahe dem absoluten Nullpunkt. Die Temperatur der Atmosphäre reicht von extremer Kälte bis zu terrestrischen Temperaturen von etwa 323 ° K (50 ° C).
Daher strahlt die Atmosphäre langwellige Strahlung in Richtung Erde und auch in den Weltraum. Die Oberfläche der Erde wird heiß, nachdem sie Strahlung von der Sonne empfangen hat. Dadurch wird es zu einer Strahlungsquelle. Die Durchschnittstemperatur an der Erdoberfläche liegt bei 288 ° K.
Es wurde geschätzt, dass mehr als 99 Prozent der Strahlung, die von der Erdoberfläche emittiert wird, im Infrarotbereich von 4 bis 100 & mgr; m mit einem Peak bei etwa 10 & mgr; m enthalten ist. Diese von der Erdoberfläche emittierte langwellige Strahlung wird als terrestrische Strahlung bezeichnet. Die terrestrische Strahlung wird hauptsächlich im unteren Teil der Troposphäre absorbiert.
Atmosphärisches Fenster:
Die langwellige Strahlung tritt zwischen 8.0µ und 13.0µ in den Weltraum aus. Dies wird als atmosphärisches Fenster bezeichnet.
Austausch von terrestrischer Strahlung:
Somit wird ein großer Teil der von der Atmosphäre absorbierten Strahlung als Gegenstrahlung zur Erdoberfläche zurückgeschickt. Diese Gegenstrahlung verhindert, dass die Erdoberfläche nachts zu stark abkühlt. Der Nettoeffekt dieser Art von differentieller Strahlung wird als Fenstereffekt oder Treibhauseffekt bezeichnet.
Die Atmosphäre, insbesondere Wasserdämpfe, Wolken und Kohlendioxid, absorbiert etwa 90 Prozent langwellige Strahlung (Infrarotstrahlung), die von der Erde emittiert wird. Ein großer Teil der langwelligen Strahlung wird von der Atmosphäre zur Erde abgestrahlt. Die Emission langwelliger Strahlung tritt zwar während der Nacht auf, aber die Menge langwelliger Strahlung ist aufgrund der höheren terrestrischen Temperatur während des Tages größer.
Alle Schichten der Atmosphäre sind an der Absorption und Emission von Strahlung beteiligt, aber die Prozesse sind in den unteren Schichten, in denen die langwelligen Strahlungsabsorber Wasserdämpfe, Kohlendioxid, Stickoxide und Methan sind, wichtiger.
Hemisphärische Gesamtstrahlung:
Es ist der kombinierte Strahlungsfluss vom Himmel (kurzwellige direkte Strahlung, diffuse Strahlung und langwellige Strahlung). Swinbank (1963) prognostizierte den hemisphärischen Fluss unter Verwendung der Lufttemperatur, die in dem Bildschirm etwa 1, 5 bis 2 Meter über dem Boden gemessen wurde.
Es wird durch die folgende Gleichung gegeben:
R lw = 5, 31 × 10 –13 T 6
Dabei wird R lw in Wm -2 gemessen und T wird als absoluter Grad (° K) angegeben.
Dieser Ausdruck wurde aus den Beobachtungen entwickelt, die nachts in Abwesenheit von Sonnenstrahlung aufgenommen wurden. Obwohl dieser Gleichung die relative Luftfeuchtigkeit fehlt, hat Paltridge (1970) sie nachts sehr genau gefunden. Es wurden jedoch signifikante Abweichungen zwischen den gemessenen und vorhergesagten Werten während der Tageszeit festgestellt.
Strahlungsbilanz des Erd-Atmosphäre-Systems:
Erde:
Von der Erdoberfläche absorbierte Strahlung = 124 Kly
Wirksame langwellige Strahlung der Erde = 52 Kly
Netto-Strahlungsbilanz an der Erdoberfläche Atmosphäre = 72 Kly
Atmosphäre:
Von der Atmosphäre absorbierte Strahlung = 45 Kly
Strahlungsverlust durch die Atmosphäre = 117 Kly
Netto-Strahlungsbilanz der Atmosphäre = -72 Kly
Effektive ausgehende Strahlung:
Etwa 90 Prozent der von der Erdoberfläche ausgehenden Strahlung werden von den Wasserdämpfen zwischen 5, 3 und 7, 7 µm und mehr als 20 µm absorbiert. Ozon absorbiert austretende Strahlung im Bereich zwischen 9, 4 und 9, 8 µ und Kohlendioxid von 13, 1 bis 16, 9 µ, während Wolken alle Wellenlängen absorbieren.
Die terrestrische Strahlung entweicht zwischen 8.0 und 13.0 µ in den Weltraum. Ein großer Teil der von der Atmosphäre absorbierten Strahlung wird zur Erdoberfläche zurückgestrahlt. Es ist bekannt als Gegenstrahlung oder Rückstrahlung. Die atmosphärische Gegenstrahlung verhindert effektiv, dass die Erdoberfläche nachts zu stark abkühlt.
Die Intensität der Gegenstrahlung variiert mit der Lufttemperatur, dem Wasserdampfgehalt der Luft und der Wolkenbedeckung. Der Unterschied zwischen der austretenden terrestrischen Strahlung und der Atmosphärengegenstrahlung wird als effektive austretende Strahlung bezeichnet.
Jährlich absorbiert die Erdoberfläche etwa 124 Kly der Sonnenstrahlung und strahlt effektiv 52 Kly langwelliger Strahlung an die Atmosphäre ab. Die Nettostrahlungsbilanz der Erdoberfläche beträgt 72 Kly. In ähnlicher Weise absorbiert die Atmosphäre jährlich 45 Kly Strahlung und die durch die Atmosphäre verlorene Strahlung beträgt 117 Kly.
Daher ist der Unterschied von -72 Kly die Strahlungsbilanz der Atmosphäre. Es zeigt an, dass die Atmosphäre so viel Strahlungsenergie pro Jahr verliert, wie die Erdoberfläche zunimmt und der Strahlungsausgleich des Erd-Atmosphären-Systems zu Null wird.
Um das Gleichgewicht dieses Systems aufrechtzuerhalten, wird Energie von der Erdoberfläche in die Atmosphäre übertragen, um zu verhindern, dass sich die Oberfläche erwärmt und die Atmosphäre abkühlt.
Der vertikale Wärmeaustausch erfolgt hauptsächlich durch Verdampfung von Wasser von der Erdoberfläche (Wärmeverlust) und durch Kondensation in der Atmosphäre (Wärmegewinn) sowie durch die Ableitung von fühlbarer Wärme von der Oberfläche und die Übertragung durch Konvektion in die Atmosphäre. Wasserdämpfe in der Atmosphäre absorbieren Strahlung im Wellenlängenbereich von 5, 3 bis 7, 7 µm und darüber hinaus 20 µm.
