为什么阳光对地表附近空气的加热不明显?

发布时间:2017/01/05 10:08:39 投稿: 网友投稿

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导读: 【张凯栗的回答(65票)】: (作答时的原题为:“为什么阳光不会加热空气?”) 阳光大致是黑体谱,峰值在550nm。而常温(300K)下的物体辐射峰值在10μm左右,是红外波段。 干大气的主要成分是氮气、氧气,另有少量的氩气、二氧化碳和其他痕量气体。当然一般...

【张凯栗的回答(65票)】:

(作答时的原题为:“为什么阳光不会加热空气?”)

阳光大致是黑体谱,峰值在550nm。而常温(300K)下的物体辐射峰值在10μm左右,是红外波段。

干大气的主要成分是氮气、氧气,另有少量的氩气、二氧化碳和其他痕量气体。当然一般大气里还有一点水蒸气。干大气的主要成分是氮气、氧气,另有少量的氩气、二氧化碳和其他痕量气体。当然一般大气里还有一点水蒸气。

其中占大头的氮气、氧气都是非极性分子,没有偶极矩,对电磁波大部分波段几乎完全透明。其中占大头的氮气、氧气都是非极性分子,没有偶极矩,对电磁波大部分波段几乎完全透明。

而占比很小的二氧化碳、臭氧等温室气体,是可以吸收某些波段的电磁波的。一些大气组分气体的在不同波长上的透过率曲线:

((irina.eas.gatech.edu/EA

最后一栏是总的透过率。可以看到总的透过率是被水蒸气主导的,二氧化碳也有重要的贡献,臭氧也有一点,其他的几乎可以忽略不计。

而且可见,可见光波段上大气对电磁波透过率几乎都接近1,红外波段有若干吸收带(当然也对应有一系列窗口)。

串起来说,辐射峰值在可见光波段的阳光入射大气时,没遇到什么阻拦就进来了;被直接反射走的那部分,也没遇到什么阻拦就穿过大气跑掉了。但是阳光加热了地面、海洋,使其产生峰值在红外波段的辐射,这些辐射想要逃逸的时候,被大气中水、二氧化碳等温室气体在红外波段的吸收带拦了一部分下来。这部分被吸收的能量,最终加热了大气。

=====问题已经回答完,以下是跑题,请注意文末警告信息=====

所以,阳光有多少用于加热大气、有多少跑了,很大程度上取决于地面的反射率。全球的地面反射率分布是这样的:

大部分陆地在30%左右,海洋比较低,可以到10%以下,两极比较高,能到70%以上。总的平均值在30%左右。可以想见,反射率高的地方地表吸收的能量少,温度低,更容易积累冰雪,从而反射率更高;反之亦然。这样就形成反馈。

从上图的对比可以看出,云的存在显著地增加了各个地区的反射率。也就是说云量控制着地表接收太阳辐射的多少。那云遮率又是啥控制的呢?

或言,宇宙线。宇宙线是来自超新星爆发等高能事件的高能粒子,能量在10^8-10^22eV之间,其流量分布是能量越高的,越罕见。但地球接收到的宇宙线的总辐射强度,也不过是太阳的十亿分之一。

宇宙线虽然总量很少,但它在侵入大气层的时候,能把气体电离,产生超精细气溶胶,它作为凝结核可以促进云的形成。

(Svensmark 2007 AG 48 1.18)(Svensmark 2007 AG 48 1.18)

其中能量在10^10eV量级的宇宙线,量大质优,是这一过程的主力。宇宙线的数量取决于两方面:一是抵达太阳系的有多少,二是抵达地球的有多少。

因为宇宙线在穿越太阳风的过程中能量会有损失,所以抵达地球的宇宙线有多少,是受太阳风强度,也就是太阳活动强度,调制的。

((climate4you Sun)

太阳活动强的时候,宇宙线就弱,云的形成就少,地球反射率就低,吸收的热量就多,温度就高。并非太阳活动强,辐射就强,温度就高那么“显然”。

(Marsh Svensmark, 2003)

上图显示,过去30年间,宇宙线强度跟低云云遮率有非常好的相关性。

实际上不仅这30年,更长时间尺度的证据也揭示了同样的规律。

((Neff et al., 2001)

上图中,碳14的变化示踪宇宙线强度,而氧同位素比例示踪样品来源(印度洋)的温度变化。可以看到峰谷之间有强相关。

当然相关性不等于因果性,为什么这不是海盗数量跟气候变暖关系的那种相关性呢?

因为以地质时间尺度来看,抵达太阳系的宇宙线的强度的变化,比太阳活动对宇宙线强度的调制,或言幅度要大10倍。而宇宙线强度变化仍然跟地球温度强相关。如下图所示,宇宙线已经能够解释大部分地球气温变化,留给温室气体等因素的余地并不大。

((Shaviv Vezier 2003)

那宇宙线强度变化又是啥引起的呢?有观点认为太阳反复经过旋臂-旋臂间区域,周围恒星密度周期性变化,也即周围发生超新星爆炸的几率周期性变化,这个过程会导致宇宙线的强度变化。太阳穿越一个旋臂大约耗时一亿年,跟上图中气温变化周期类似。

不过该机制导致的宇宙线强度变化幅度还没有定论。有人说3倍,有人说仅20%数量级。这还有待研究争论。

好了,跑题跑的够远的了。后半截讲的,叫做“宇宙气候学”(Cosmoclimatology),一门新兴的交叉学科,恩。

看上去,“宇宙气候学”声称的“宇宙线比CO2厉害多了”似乎在告诉我们不必杞人忧天自寻烦恼,不过也有证据显示,近30年来无论宇宙线怎么增加,地球气温却反其道而行之的大幅上扬。

((IPCC Draft Report Leaked, Shows Global Warming is NOT Due to the Sun)

要不要相信这种反常是人类排放温室气体导致的呢?这似乎已经不只是一个科学问题,更是一个政治问题,我就不知道了。

警告:本人不具有大气科学的基本常识,以上权当是快速阅读的笔记。我也注意到有一些对“宇宙气候学”理论的批评,“宇宙气候学”不仅还没有成为普遍接受的教科书理论,而且遭受主流气候学界的广泛抨击。事实上目前宇宙线对云形成有没有影响、影响机制是什么,还没有完全搞清;不过即使是反对者,也承认这个话题本身是有意思的,只是质疑Svensmark的工作不足以支撑其结论。CERN有一个项目CLOUD研究凝结核的性质,该项目以及Svensmark自己做的实验室研究可能会在将来一段时间拿出更多肯定或否定该理论的证据。但本人以上笔记没有着重于批判性的甄别孰是孰非,请读者留意。

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【赵框框的回答(2票)】:

如果阳光能加热空气,阳光的能量就会在空气中传播的过程中损失,我们看到的天空将是灰压压的一片,这种情况,学术上叫做……帝都天。

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