氣候變化/科學/太陽對地球的影響

幾乎所有影響地球氣候的能量都來自太陽，即使有時是間接的，我們將在下面看到。

太陽就像一臺熱核發動機，它釋放的能量是由太陽核心氫原子融合產生的。對太陽內部運作的完整描述，包括太陽黑子和太陽風，超出了本書的範圍。但是，這是一個值得閱讀的話題，因為太陽提供了地球生命所需的能量。

太陽發射的光子（電磁能量）在大約 8 分鐘內到達地球軌道。太陽“表面”（光球層）的溫度約為 5700 K，已透過多種方式確定，包括下面包含的一個簡單計算。從能量守恆的角度來看，我們可以猜到發生了什麼。當光線從太陽傳播出去時，它均勻地散佈在不斷膨脹的球形殼上，因此大量的能量分佈在巨大的區域上，因此任何特定點的濃度隨著距離太陽的距離而減小。到能量到達地球軌道時，能量通量（每時間單位每面積單位的能量）僅為 1367 W/m²，即所謂的太陽常數。這個單一數字是大多數氣候學，尤其是歷史氣候學，的起點。

利用太陽常數，我們可以計算出如果沒有大氣層，地球的溫度。為此，我們將地球視為黑體，這意味著它處於輻射平衡狀態，它吸收的所有能量（即落在其表面上的所有能量）都會被髮射出去。 斯蒂芬-玻爾茲曼定律 規定了黑體輻射，可以表示為

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

其中左側是通量，它與黑體溫度的四次方成正比。 $\sigma$ 是斯蒂芬-玻爾茲曼常數，其值約為 $5.67\times 10^{-8}{\text{W m}}^{-2}{\text{K}}^{-4}$. 入射到地球上的能量通量是太陽常數，但請注意，太陽通量不會均勻地落在行星表面上。為了說明這一點，請注意，通量均勻地分佈在朝向太陽的半球的投影上，即橫截面， $\pi r^{2}$，但能量（平均而言）分佈在整個球形表面上， $4\pi r^{2}$，產生一個 1/4 的因子。因此，這個假設地球的溫度為

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

以攝氏度表示，即 278.63 - 273.15 = 5.48 C。這是一個非常寒冷的全球平均表面溫度！幸運的是，大氣層的存在使得地球系統能夠儲存更多能量；觀測到的全球平均溫度約為 287 K (14 C)，這使得人類能夠更舒適地生存。

到達地球的光線覆蓋了廣泛的頻率範圍，但峰值頻率位於電磁頻譜的可見光部分。這可以透過考慮我們已經瞭解的關於太陽的資訊來證明。在這個練習中，有兩個長度至關重要，但可以測量得很好：地球和太陽之間的距離以及太陽的半徑。太陽中心到地球中心的平均距離，歷史上定義了一個天文單位，約為 $1.496\times 10^{11}{\text{m}}$. 太陽的赤道半徑約為 $6.995\times 10^{8}$ m。將這些距離與太陽常數 ($\Phi _{E}=1367Wm^{-2}$) 結合起來可以讓我們估計太陽的有效表面溫度。為了推匯出溫度，請考慮到達太陽到地球距離的能量，即太陽常數。由於太陽是球形的，並且向各個方向輻射，因此該能量到達半徑為 1 AU 的球體的整個表面積的相同距離，將此半徑稱為 R。這個球體的表面積由 $4\pi R^{2}$ 給出。所有這些能量都必須穿過由太陽半徑定義的球體，這意味著一個表面積為 $4\pi r^{2}$ 的殼，其中 r 是太陽的半徑。因為能量是守恆的（它在太陽和地球之間不會被創造或破壞），所以能量可以透過以下公式來等價：

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

其中 $\Phi _{S}$ 是太陽表面的能量通量。利用該通量，可以透過 $T_{Sun}=(\Phi _{S}\sigma ^{-1})^{-1/4}$ 推匯出太陽的有效表面溫度。代入數值，我們發現 $T_{Sun}=5762$K，這與其他估算結果非常接近。使用 維恩位移定律，我們可以確定該溫度下的最大發射波長為 $\lambda _{max}=b/T$，其中 $b=2.897\times 10^{-3}$ mK，被稱為維恩位移常數。這個波長約為 503 奈米，是太陽能量主要發射的波長。這個值接近可見光譜的中間部分，這就是為什麼我們看到太陽是黃橙色。

從這個簡單的練習中，我們推斷出太陽接近一個黑體，這得到了觀測結果的證實。地球的峰值發射頻率是多少？它位於光譜的哪個部分？要回答這些問題，請重複使用上面的維恩定律。地球以更低的溫度發射，因此波長更長，這幸運的是對人眼不可見（想象一下，如果地面像燈泡一樣，我們會很難看到！）。