Strahlungsbilanz der Atmosphäre
Die Strahlungsbilanz berücksichtigt die Umwandlung und das Verhalten der solaren Strahlungsenergie bei Wechselwirkung mit der Atmosphäre und dem Untergrund, die Eigenstrahlung der Atmosphäre und des Untergrunds.
Die Strahlungsbilanz der darunter liegenden Oberfläche (an der unteren Grenze der Atmosphäre), der Atmosphäre und des Systems Erde-Atmosphäre (an der oberen Grenze der Atmosphäre) ist das endgültige Merkmal aller Strahlungsprozesse. Das sind Prozesse, die mit dem Eintritt, Austritt und der Wechselwirkung optischer Strahlung mit verschiedenen Bestandteilen der Atmosphäre und der Erde verbunden sind.
Für die Strahlungsbilanz der darunter liegenden Oberfläche R n hat die Gleichung die Form
wo und sind die Flüsse (oder Summen über einen Zeitraum) der einfallenden direkten und gestreuten Strahlung; E 3 und E a – Ströme (oder Mengen) der Gegenstrahlung der Erdoberfläche und der Atmosphäre; Ein % Albedo der darunter liegenden Oberfläche.
Die Rolle verschiedener Komponenten wird aus der Abbildung deutlich, die die Ergebnisse von Beobachtungen in einem Wüstengebiet in der Nähe von Taschkent (42° N, September) darstellt.
Tägliche Variation der Komponenten der Strahlungsbilanz des Untergrundes: 1 – direkte Strahlung; 2 – Strahlungsbilanz; 3 – Streustrahlung; 4 – reflektierte Strahlung; 5 – Strahlung von der darunter liegenden Oberfläche.
Eine positive Rn-Bilanz am Tag und eine negative Bilanz in der Nacht sind im Sommer für alle Teile der Erde typisch. Im Winter im Norden und teilweise in den gemäßigten Breiten bleibt diese Strahlungsbilanz rund um die Uhr negativ. Diese Zone umfasst Breitengrade, in denen die Sonne mittags nicht über 11° aufgeht; diese. im Dezember liegt die Zonengrenze bei 56°, im Januar bei 58°, im Februar bei 66° nördlicher Breite.
Der Jahreszyklus ist aufgrund der großen Sonnenhöhe durch eine ausgeprägte Breitengradabhängigkeit gekennzeichnet. In der Zone von 40°N. bis 40°S Monatswerte der Strahlungsbilanz an Land und auf See sind immer positiv mit einem Maximum im Juli. In höheren Breiten und im Winter wird die Strahlungsbilanz negativ mit einem Minimum im Dezember. Nach Berechnungen von M.I. Budyko (1956), mittel-
Der Jahreswert der Strahlungsbilanz der Erdoberfläche ist im Allgemeinen positiv und beträgt 68 kcal/cm 2 -Jahr (90 W/m 2).
Durch Bewölkung verändert sich nicht nur der Eingangsanteil der Strahlungsbilanz (direkte und diffuse Strahlung), sondern auch der Ausgangsanteil (Strahlung des Untergrundes und reflektierte Strahlung). Infolgedessen führt eine Zunahme der Bewölkung zu einer Abnahme der positiven Werte während des Tages und einer Abnahme der negativen Werte in der Nacht.
Eine Erhöhung der Bewölkung von 3 auf 8 Punkte reduziert den Wert um 20 %.
Eine Erhöhung der Albedo von 10 auf 80 % (Schnee) reduziert den Wert um den Faktor drei.
Für die Strahlungsbilanz der Atmosphäre weicht die Gleichung von der vorherigen (für) ab und hat die Form
Gegenstrahlungsströme der Erdoberfläche und Atmosphäre
stellen nun die Habenseite der Bilanz dar. Die Menge ist der Teil der direkten und gestreuten Strahlung, der von der Atmosphäre absorbiert wird (eindringt). Der Wert bezeichnet die Strahlung der Atmosphäre und des Untergrunds, die in den Weltraum entweicht. Sie stellt den Ausgabenanteil der atmosphärischen Strahlungsbilanz dar. Nicht alle Komponenten können direkt gemessen werden. Daher wird der Wert durch Berechnung ermittelt.
Durch die Summe wird die Strahlungsbilanz des Systems Erde-Atmosphäre bestimmt
.
Der Wert für einzelne Regionen kann positiv oder negativ sein, für den gesamten Globus liegt er jedoch nahe Null. Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass das thermische Regime des Globus als Ganzes einen nahezu stationären Zustand beibehält.
Somit steht dem positiven durchschnittlichen Jahressaldo des Untergrundes = 90 W/m 2 ein negativer durchschnittlicher Jahressaldo in gleicher Höhe gegenüber.
In der Abbildung ist ein Diagramm der durchschnittlichen jährlichen Verteilung des Flusses der einfallenden Sonnenstrahlung und der Anteile der absorbierten, gestreuten, reflektierten und ausgehenden Flüsse kurzwelliger Strahlung nach Berechnungen von Schneider und Denist (1975) dargestellt.
Die durchschnittliche jährliche Durchflussverteilung wird mit 100 konventionellen Einheiten angenommen.
Aus der dargestellten Strömungsverteilung folgt:
1. 41 Einheiten direkter Strahlung gingen durch die Atmosphäre und 39 Einheiten wurden gestreut (an der Grenze zwischen Stratosphäre und Troposphäre).
2. 17 Einheiten direkter Sonnenstrahlung wurden von Molekülen und Aerosolen gestreut, 22 Einheiten wurden von der Hydrosphäre absorbiert und 2 wurden reflektiert (gingen nach oben). Insgesamt 41 Einheiten;
3. 39 verstreute Einheiten wurden auf diese Weise aufgeteilt: 19 Einheiten wurden von Wolken nach oben gestreut, 5 Einheiten wurden von Wolken absorbiert, von den restlichen 15 Einheiten wurden 14,5 in der Hydrosphäre absorbiert, 0,5 wurden reflektiert und gingen nach oben;
4. Von 17 durch Moleküle und Aerosol gestreuten Einheiten stiegen 6 Einheiten aufgrund der Rückstreuung durch Aerosol an, 10,5 Einheiten wurden von der Hydrosphäre absorbiert und 0,5 Einheiten wurden reflektiert (diese 0,5 Einheiten und die vorherigen 15 Einheiten ergaben 1 Einheit reflektierter Strahlung). );
5. insgesamt verließen 19+6+1+2=28 Einheiten das System;
6. also: 47 Einheiten wurden im Wasser absorbiert, 5 Einheiten wurden von Wolken absorbiert, 3 Einheiten wurden von Ozon in der Stratosphäre absorbiert, 17 Einheiten wurden von Wasser und Staub in der Troposphäre absorbiert, also insgesamt 72 Einheiten;
7. Diese 72 Einheiten sind genau das, was in der ausgehenden Strahlung fehlt, es sind 28 Einheiten;
Wenn wir nun in dieses Diagramm den Fluss der ausgehenden langwelligen Strahlung (die fehlenden 72 konventionellen Einheiten) einbeziehen, erhalten wir ein Diagramm der globalen Strahlungsbilanz des Planeten Erde.
Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, besteht der durchschnittliche jährliche Fluss der aus der Atmosphäre austretenden kurzwelligen Strahlung größtenteils aus der von Wolken reflektierten Strahlung (19 Einheiten). Und in geringerem Maße werden die Flüsse durch atmosphärisches Aerosol zurückgestreut (6 Einheiten) und von der darunter liegenden Oberfläche reflektiert (3 Einheiten).
Die zonale Verteilung der Strahlungsbilanz der Erde wird derzeit mit zufriedenstellender Genauigkeit mithilfe künstlicher Erdsatelliten gemessen. Aus diesen Daten folgt, dass bei positiven Jahresdurchschnittswerten in der Äquatorzone über den Ozeanen diese systematisch höher sind als über Land.
Regionale Merkmale der Strahlungsbilanz der Erdoberfläche, der Atmosphäre und der Erde als Ganzes bestehen in ihrer hohen raumzeitlichen Variabilität, die durch erhebliche Variationen der Komponenten verursacht wird. Daher erweist sich die regionale Überwachung letzterer als äußerst wichtig für die Interpretation von Klimaveränderungen in einzelnen Regionen und auf dem gesamten Planeten.
