氣候變化/科學/大氣平衡

人們可能會想知道大氣的頂部到底在哪裡，而且理由充分。我們知道大氣主要由地球周圍的氣體包層組成，根據靜水壓近似，氣壓隨高度降低。大氣是否只有在氣壓達到極小值時才結束？不，但並沒有一個對大氣頂部的良好定義，它會隨著子學科而變化。為了我們的目的，我們通常可以將大氣頂部（通常縮寫為TOA）視為對流層頂或甚至更低的對流層中層。在本章中，我們可以想象它是向下短波輻射通量與太陽常數的差異可忽略不計，並且向下長波通量（太陽引起的長波通量，很小）可忽略不計的水平。

現在我們已經對TOA是什麼有了概念，我們可以問為什麼它可能有用。

首先考慮平衡系統中的能量守恆。這可能是一個裝有水的罐子，上面有一個加熱燈，所有這些都被封閉在一個盒子裡。它可以是一個簡單的黑體系統，也可以是任何孤立系統。能量守恆意味著能量的總量不會改變，這等效於說輸入系統的任何能量都必須透過能量的向外通量來平衡。在以地球（作為“系統”）的情況下，這意味著進入的能量（陽光）必須由向外輻射來平衡。我們知道太陽常數（ $1367Wm^{-2}$ ），因此如果我們在地球表面上積分，我們就知道有多少進入的能量。這種進入的能量，有時稱為太陽輻射或向下短波輻射，需要得到平衡。為什麼？好吧，如果它沒有被等量的能量損失所平衡，那麼系統的溫度必須發生變化（這是熱力學第一定律）。維恩定律告訴我們，黑體峰值發射的波長與溫度成反比，對於正常的地球溫度，這意味著發射處於電磁頻譜的紅外部分。值得慶幸的是，這種光對人類來說是不可見的，並且因為波長比可見光（太陽或短波）更長，所以地球紅外輻射通常被稱為長波輻射。輻射到太空的量（由於溫室效應，它與表面發射的量不同）通常被稱為*向外長波輻射*（OLR）。當系統處於平衡狀態時，OLR（等於TOA的淨長波）會平衡大氣頂部的淨短波。

TOA的淨短波輻射是否等於進入的短波？答案是否定的。淨短波在適當的時間和全球範圍內的平均值，是氣候系統能量的來源，但並非所有太陽輻射都被地球吸收。讓我們不要拐彎抹角。當進入大氣時，進入的太陽輻射會發生什麼？光子（光的“粒子”）實際上只有三種路徑可循。首先，它可以被吸收，無論是在大氣中還是在地表。吸收意味著與光子相關的能量被賦予某個原子或分子，導致該粒子處於更高的能級。其次，光子可以被反射，這意味著光子的路徑被反轉。更一般地說，我們應該說光子可以被散射，它被散射回它所來自的方向的機率有一定程度，但我們現在不需要處理散射。第三，光子可以繼續不受阻礙地前進，最終到達地表並被吸收或反射；當光子在不與介質相互作用的情況下穿過介質時，它被稱為透射。為了研究氣候，人們通常不需要（通常）擔心單個光子，而是光的總效應。由於我們現在知道每個光子單獨會發生什麼，我們可以將所有構成太陽輻射的光子加起來，使得 $F_{\downarrow }=A+R+T$ ，其中F是向下短波通量的總量，A是大氣吸收的光的比例，R是被反射回太空的比例，在到達地表之前，T是透射到地表的光。

從我們對向下短波通量的理解，我們可以透過考慮地表來繼續分析。地表吸收的光量並不完全等於透射光T。為什麼？好吧，地表可能具有很高的反射率。例如，雪和冰反射高達80%的入射光，而開闊的海面幾乎不反射。地表的反射率通常稱為反照率，用 $\alpha$ 表示，它只是被反射的入射光的比例。知道地表具有給定的反照率，我們現在可以說在地表吸收的光量必須等於 $F_{\mathrm {absorbed} }=(1-\alpha )^{-1}(F_{\downarrow }-A-R)$ 。這表明在地表吸收的光量等於未被地表反射的透射輻射。注意，反照率在定義上始終在0到1之間，典型的全球平均值為約0.3。

還應注意，地表反射的短波光有可能被反射（被雲層或顆粒物）或被大氣成分吸收。然而，對於大多數氣候討論，以及為了這裡目的，我們將忽略這一過程。此外，我們可以在（在合理的近似中）假設大氣對短波輻射是透明的，這意味著不會有吸收。這透過消除項A簡化了我們之前的表示式。為了進一步簡化我們的符號，我們可以說總的“行星反照率”是大氣反照率（稍後我們將稱之為雲反照率）和地表反照率的總和， $\alpha _{p}=\alpha _{s}+\alpha _{c}$ 。這些簡化使我們能夠將“TOA的淨短波”寫為 $F_{net}=F_{\downarrow }-F_{\uparrow }=(1-\alpha _{p})F_{\downarrow }$

如上所述，地表的輻射通量根據斯特藩-玻爾茲曼定律和維恩的黑體輻射定律近似地起作用。即使我們將來自太陽常數的總能量分佈在地球的整個表面積上，發射也必須處於紅外線。計算留作練習。

當我們假設表面吸收了部分入射短波輻射， $(1-\alpha _{s})F_{sfc}$ ，並且溫度達到平衡，則發射通量為 $Q_{sfc}=\sigma T_{sfc}^{4}$ 。當然，實際上不同的表面型別存在一些發射率，但在這裡我們忽略了它。一旦發射，這些光子就會面臨與向下短波輻射相似的後果。長波輻射的主要區別在於大氣在紅外線中的透明度遠高於可見光，因此不能忽略吸收。各種大氣成分吸收紅外能量，然後以與大氣該部分溫度相對應的波長髮射。這就是自然溫室效應，而活躍的氣體通常被稱為溫室氣體；其中最主要的是水蒸氣、二氧化碳和甲烷。

自然溫室效應的後果對地球上的生命至關重要。在沒有大氣的情況下，發射到太空的長波輻射將與吸收的短波輻射完全相等，地表溫度將降至寒冷的 255 K。由於溫室氣體吸收紅外輻射，它們會使地球變暖。如何？我們可以從兩個方面思考它的影響。首先，氣體被吸收的輻射加熱，然後各向同性地（向上和向下等量）輻射，將能量反射回地表，充當額外的能量來源。其次，溫室氣體的吸收和隨後發射會改變地球的有效發射溫度（從太空看）。這種第二個效應是理解溫室效應的一種有用方法，並且可以輕鬆地應用於不斷變化的氣候。作為一個思想實驗，假設所有溫室氣體的吸收都發生在大氣的一薄層中，這層可以有效地被認為是圍繞地球的薄殼。從太空中看，來自地球的發射將來自較高的高度，其溫度比地表低得多。當然，這意味著來自該表面的通量將小於入射太陽輻射的通量。氣候系統實現平衡的唯一方法，這是能量守恆所必需的，是低層升溫，以長波輻射的形式發射更多能量，進而使大氣升溫，並改變有效發射高度和溫度。這種調整持續進行，直到大氣頂部實現短波和長波預算平衡。

下圖顯示了大氣輻射平衡的大致卡通圖。到目前為止，我們只關注了晴空場景（卡通左側）。稍後我們將考慮雲存在時出現的修改，並將探索改變大氣成分的影響。