Потоки энергии в климатической системе Земли
Баланс энергии на верхней границе атмосферы формируется из приходящего к планете солнечного излучения (инсоляции) - I, отраженного солнечного излучения, определяемого отражательной способностью (альбедо) Земли – A и уходящего в космос теплового излучения поверхности и атмосферы Земли - F↑. То есть
I·(1-A) = F↑
Поток излучения – F, измеряемый в Вт/м2, соответствует некоторой температуре - T так называемого «черного тела», измеряемой в градусах Кельвина – K и определяемой из соотношения
sT4 = F,
где s - постоянная Стефана-Больцмана, равная 5,67·10-8 Вт·м-2·К-4.
Инсоляция на орбите Земли – I0 равна 1365 Вт/м2. Если на этом расстоянии от Солнца перпендикулярно солнечным лучам расположить абсолютно черную и нетеплопроводную пластинку, то температура ее обращенной к Солнцу стороны будет равна 394 K или 1210 C.
Поскольку площадь поверхности шара ровно в четыре раза больше площади круга с тем же радиусом, то средняя по всей Земле инсоляция равна 341 Вт/м2 и соответственно эффективная температура Земли как «черного тела» равна 278,5 K или 5,50 C.
Земля не является «черным телом», она имеет отражательную способность или альбедо – 0,3. Потому эффективная температура Земли равна 255 K или -180 C.
Однако по данным многолетних метеорологических наблюдений температура воздуха у поверхности Земли в среднем не равна ни одной из представленных выше температур. В реальности она близка к 150 C, что на 33 градуса теплее эффективной температуры Земли. Эти 33 градуса и есть парниковый эффект земной атмосферы.
Чтобы понять, как формируется средняя приземная температура воздуха, рассмотрим теперь баланс энергии на поверхности Земли, например, на урбанизированной территории московской агломерации, который можно записать в следующем виде
sTs4 = S↓·(1-As) + Fa↓ + AHF - P – LE,
где Тs - температура подстилающей поверхности в градусах Кельвина, S↓ - приходящее к поверхности Земли суммарное (прямое и рассеянное) солнечное излучение, As - альбедо подстилающей поверхности, Fa↓ – нисходящее тепловое излучение (противоизлучение) атмосферы, AHF – антропогенный поток тепла, Р – турбулентный поток тепла, Е – турбулентный поток влаги (испарение), L – удельная теплота парообразования.
На рисунке S↓ = 161+23 = 184 Вт/м2, As = 23/184 = 0,125, Fa↓ = 333 Вт/м2, Р = 17 Вт/м2, LE = 80 Вт/м2. В среднем по поверхности Земли антропогенный поток тепла ничтожно мал и поэтому он не представлен на рисунке, также как, например, геотермальный поток тепла.
Среднеглобальное тепловое излучение поверхности sTs4 = 161 + 333 – 17 – 80 = 397 Вт/м2. Различие в 1 Вт/м2 по сравнению с величиной, представленной на рисунке, объясняется округлением значений потоков до целых величин.
Такое тепловое излучение поверхности Земли соответствует ее температуре – 289 K или 160 C. Как правило, температура воздуха у поверхности Земли примерно на один градус ниже температуры самой подстилающей поверхности и равна, как уже отмечалось, 150 C.
Замдиректора Института физики атмосферы РАН Александр Гинзбург
