Table of Contents

Солнечное излучение является основным источником энергии, управляющим климатической системой Земли. Каждая погодная модель, океаническое течение и биологический процесс в конечном итоге зависят от энергии, поступающей от Солнца. Понимание того, как именно эта энергия достигает планеты, как она поглощается или отражается, и как она взаимодействует с атмосферой, океанами и поверхностью суши, имеет важное значение для понимания как естественной изменчивости климата, так и усиленных изменений, вызванных деятельностью человека. Эта статья обеспечивает тщательный, авторитетный взгляд на физику солнечного излучения и его непосредственное влияние на температуру и климат Земли.

Основы солнечной радиации

Природа солнечной энергии

Солнце излучает энергию по всему электромагнитному спектру, от высокоэнергетических гамма-лучей до длинноволновых радиоволн. Однако подавляющее большинство энергии, достигающей поверхности Земли, попадает в три широкие категории: ультрафиолетовое (FLT: 0) УФ (около 8% поступающей энергии), видимый свет (около 44%) и инфракрасное (FLT: 2) ИК (около 48%). Видимая часть - это то, что наши глаза воспринимают как солнечный свет, а также является основным драйвером фотосинтеза. Инфракрасный компонент имеет решающее значение для потепления поверхности Земли и парникового эффекта.

Солнечное излучение производится ядерными реакциями синтеза в ядре Солнца, где атомы водорода сливаются в гелий, высвобождая огромное количество энергии. Эта энергия излучается наружу и занимает около восьми минут, чтобы пройти 150 миллионов километров до Земли.

Солнечная постоянная

Солнечная постоянная — это среднее количество солнечного электромагнитного излучения (инсоляции), полученного в верхней части атмосферы Земли на поверхности, перпендикулярной лучам Солнца. Его значение составляет приблизительно 1361 ватт на квадратный метр (W/m2). Хотя эта цифра удивительно стабильна в течение человеческих временных рамок, она немного варьируется в зависимости от 11-летнего цикла активности Солнца и с долгосрочными орбитальными изменениями (циклы Миланковича). Понимание солнечной постоянной имеет решающее значение для расчета энергетического бюджета Земли и калибровки климатических моделей.

Внешняя ссылка: Обсерватория Земли НАСА — энергетический баланс Земли

Инсоляция и ее распределение

Инсоляция — количество солнечного излучения, достигающего данной области, — варьируется в зависимости от широты, времени суток и сезона. Поскольку Земля сферическая, солнечные лучи ударяют по экватору более непосредственно (более высокий угол), чем полюса (более низкий угол). Это неравномерное распределение является фундаментальным фактором глобальных температурных градиентов и атмосферной циркуляции. Количество инсоляции также зависит от атмосферных условий (облака, аэрозоли, водяной пар), которые рассеивают или поглощают излучение до того, как оно достигнет поверхности.

Энергетический бюджет Земли: как солнечное излучение нагревает планету

Входящее солнечное излучение

Из 1361 Вт/м2 в верхней части атмосферы около 30% сразу отражается обратно в космос облаками, атмосферными частицами и яркими поверхностями (альбедо). Еще 20% поглощается атмосферой, в первую очередь озоном (УФ), водяным паром и облаками. Остальные 50% достигают поверхности, где она поглощается и превращается в тепло. Эта поглощенная солнечная энергия приводит к испарению, нагревает землю и океаны и питает погоду.

Инфракрасные выбросы и парниковый эффект

Поверхность Земли, нагретая солнечным излучением, излучает энергию в виде инфракрасного излучения. Однако не все это ИК улетучивается непосредственно в космос. Парниковые газы - в основном водяной пар (H2O), углекислый газ (CO2), метан (CH4) и закись азота (N2O) - поглощают и повторно излучают ИК во всех направлениях, включая обратно к поверхности. Этот естественный парниковый эффект поддерживает среднюю температуру поверхности Земли при жизнеобеспечивающей 15 ° C (59 ° F), а не холодный −18 ° C (0° F), он был бы без атмосферы.

Деятельность человека значительно увеличила концентрации CO2, CH4 и N2O, усилив парниковый эффект и приведя к глобальному потеплению.Физика этого процесса хорошо понята и подтверждена десятилетиями спутниковых и наземных измерений.

Внешняя ссылка: NASA — Доказательства изменения климата

Сбаланс энергетического бюджета

В стабильном климате количество солнечной энергии, поглощенной системой Земли, равно количеству инфракрасной энергии, испускаемой обратно в космос. Любой дисбаланс - из-за изменений солнечной выработки, альбедо или концентрации парниковых газов - приводит климат к новому равновесию. Текущие измерения показывают, что Земля поглощает около 0,6 Вт/м2 больше энергии, чем излучает, чистый дисбаланс потепления, вызванный в первую очередь ростом CO2.

Альбедо: как тип поверхности влияет на температуру

Альбедо — это доля поступающего солнечного излучения, которая отражается поверхностью. Это безразмерное число между 0 (идеальный поглотитель, например, черный асфальт) и 1 (идеальный отражатель, например, свежий снег). Различные поверхности на Земле имеют резко разные альбедо, которые напрямую влияют на местные и глобальные температуры.

Surface Type Typical Albedo Effect on Temperature
Fresh snow 0.80–0.90 Cools the surface by reflecting most incoming energy
Ice (e.g., sea ice) 0.50–0.70 Moderate cooling effect
Desert sand 0.30–0.45 Warms because much energy is absorbed
Forest (coniferous) 0.08–0.15 Low albedo; absorbs most solar energy
Open ocean 0.06–0.10 Very low albedo; absorbs heat strongly
Urban surfaces (asphalt, roofs) 0.05–0.20 Low albedo contributes to urban heat islands

Обратная связь Лед-Альбедо

Один из важнейших циклов обратной связи климата включает снег и лед. При повышении температуры лед тает, обнажая темные земли или океан. Темная поверхность поглощает больше солнечного излучения, вызывая дальнейшее потепление, которое тает больше льда - положительная обратная связь. Этот механизм усиливает потепление в полярных регионах, приводя к явлению, известному как полярное усиление. Арктика, например, прогрелась более чем в два раза быстрее, чем в среднем по миру.

Вырубка лесов и изменение землепользования

Деятельность человека, изменяющая почвенный покров, оказывает значительное влияние на альбедо и местную температуру. Обезлесение, особенно в тропических регионах, заменяет темные, сложные леса более светлыми пахотными угодьями или пастбищами. Это изменение увеличивает альбедо, от которого можно ожидать охлаждения поверхности. Однако потеря деревьев также снижает эффект охлаждения через скрытый тепловой поток. Чистый эффект зависит от широты и наличия влаги, но во многих регионах обезлесение приводит к чистому потеплению. И наоборот, урбанизация заменяет естественные поверхности материалами с низким альбедо и высокой теплоемкостью, создавая городские тепловые острова, которые могут быть на 3-5 ° C теплее, чем окружающие сельские районы.

Сезонные и широтные вариации: почему существуют климатические зоны

Осевой наклон и сезоны

Ось Земли наклонена примерно на 23,5° относительно своей орбитальной плоскости. Этот наклон заставляет угол поступающего солнечного излучения изменяться в течение года, поскольку планета вращается вокруг Солнца. Летом в Северном полушарии Северный полюс наклоняется к Солнцу, в результате чего происходит больше прямых солнечных лучей и более длительные дни. Противоположное происходит зимой. Эти сезонные изменения инсоляции отвечают за знакомые циклы температуры, осадков и биологической активности.

Величина сезонных изменений зависит от широты. Около экватора угол Солнца остается относительно высоким круглый год, что приводит к минимальному сезонному изменению температуры (хотя осадки могут резко меняться). В средних широтах (например, США, Европа, Китай) сезоны выражены. В полярных регионах экстремальный наклон создает 24-часовой дневной свет летом и 24-часовую темноту зимой, что приводит к огромным колебаниям температуры.

Климатические зоны

Неравномерное распределение солнечной радиации по широтам создает различные климатические зоны.

  • Тропическая зона (0°-23,5°): высокая инсоляция круглый год; теплые температуры (в среднем >18°С); высокие осадки вблизи зоны межтропической конвергенции.
  • Субтропическая зона (23,5°-35°): пояса высокого давления; чистое небо; засушливые или полузасушливые условия (например, Сахара, Аравийская пустыня).
  • Температурная зона (35°-55°): Умеренная инсоляция с сильными сезонными колебаниями; смешанные осадки; дом для большей части населения мира.
  • Полярная зона (66,5-90°): очень низкая инсоляция; холодный, сухой воздух; лед и тундровая растительность.

Системы классификации климата (например, Köppen-Geiger) используют пороги температуры и осадков, которые в конечном итоге происходят из пространственно-временной картины солнечного излучения.

Солнечная изменчивость и ее влияние на климат

Солнечные циклы и полное солнечное излучение

В течение 11-летнего цикла активность Солнца, измеряемая количеством солнечных пятен, варьируется. Во время солнечного максимума Солнце излучает немного больше энергии (около 0,1% выше общего солнечного излучения), чем во время солнечного минимума. Хотя эта вариация невелика, она может влиять на верхнюю атмосферу Земли и региональные погодные условия. Например, Североатлантическое колебание и зимние температуры в Европе показали корреляции с солнечным циклом.

Долгосрочные солнечные изменения, такие как минимум Маундера (период очень низкой активности солнечных пятен между 1645 и 1715 годами), совпали с более холодными глобальными температурами (малый ледниковый период). Однако величина солнечного воздействия в течение этого периода оценивается только примерно −0,2 Вт / м2, что намного меньше, чем текущее антропогенное воздействие +2,7 Вт / м2 (IPCC AR6).

Внешняя ссылка: NOAA Центр прогнозирования космической погоды — Прогрессия солнечного цикла

Орбитальные (Миланкович) циклы

За десятки тысяч лет орбита Земли меняется по трем параметрам: эксцентриситет (форма орбиты), наклон (осевой наклон) и прецессия (колебание). Эти циклы, впервые рассчитанные Милутиным Миланковичем, изменяют распределение и количество солнечного излучения, достигающего планеты, особенно в высоких широтах. Они являются основными драйверами ледниково-межледниковых циклов прошлого миллиона лет. В настоящее время Земля находится в теплом межледниковом периоде (голоцене), отчасти из-за орбитальных условий.

Изменения человека в солнечном излучении и климате

Выбросы парниковых газов

Наиболее значительное влияние человека на энергетический бюджет Земли — увеличение парниковых газов. Со времени промышленной революции концентрации CO2 выросли с ~280 ppm до более чем 420 ppm, что на 50% больше. Метан более чем удвоился. Эти газы поглощают исходящее инфракрасное излучение, уменьшая количество, которое улетучивается в космос. Эта дополнительная улавливание тепла эквивалентно дополнительному воздействию около 2,7 Вт/м2 (IPCC AR6), подавляя небольшие естественные изменения от солнечной продукции.

Аэрозоли и загрязнение

Аэрозоли, выделяемые человеком (сульфат, черный углерод, пыль), имеют как охлаждающий, так и согревающий эффект. Сульфатные аэрозоли отражают поступающее солнечное излучение (отрицательное воздействие) и могут осветлять облака (эффект облачного альбедо), производя чистое охлаждение. Напротив, черный углерод (сажа) поглощает солнечное излучение и нагревает атмосферу. Чистый эффект всех антропогенных аэрозолей отрицательный (охлаждение), но очень неопределенный, компенсируя некоторую часть потепления парниковых газов.

Изменения поверхности земли

Как обсуждалось в рамках альбедо, изменения в землепользовании изменяют количество поглощенного или отраженного солнечного излучения. Урбанизация, сельское хозяйство и обезлесение изменяют местные энергетические балансы и могут влиять на региональный климат, включая модели осадков.

Внешняя ссылка: Шестой оценочный доклад МГЭИК — Рабочая группа I

Механизмы обратной связи, которые усиливают или ослабляют изменение климата

Обратная связь водяного пара

Водный пар является наиболее распространенным парниковым газом. По мере нагревания атмосферы увеличивается его способность удерживать водяной пар (отношение Клаузиуса-Клапейрона). Больше водяного пара улавливает больше инфракрасного излучения, дальнейшее потепление планеты – сильная положительная обратная связь. Это удваивает потепление только от CO2.

Облачная обратная связь

Облака играют двоякую роль: они отражают поступающее солнечное излучение (охлаждение), но также и улавливают исходящее инфракрасное излучение (потепление). Положительная или отрицательная обратная связь в облаке в целом зависит от типа, высоты и охвата облаков. Низкие, толстые облака (например, stratocumulus) имеют тенденцию к охлаждению; высокие, тонкие облака (например, циркулы) имеют тенденцию к теплу. Текущие климатические модели предполагают чистую положительную обратную связь с облаком, но она остается крупнейшим источником неопределенности в оценках чувствительности к климату.

Ice-Albedo Feedback (пересмотрено)

Это явная положительная обратная связь, которая ускоряет потепление в криосферных регионах.

Обратная связь углеродного цикла

Потепление может высвобождать углерод, хранящийся в вечной мерзлоте и почвах, добавляя больше CO2 и метана в атмосферу - еще одна положительная обратная связь. Эти обратные связи делают необходимым ограничить дальнейшее потепление.

Последствия для климатических моделей и прогнозов на будущее

Моделирование солнечной радиации в климатических моделях

Общие модели циркуляции (GCM) и модели системы Земли (ESM) должны точно имитировать перенос солнечного излучения через атмосферу и его взаимодействие с облаками, аэрозолями и поверхностными свойствами. Эти модели делят Землю на сеточные ячейки и вычисляют потоки энергии на каждом шагу. Представление радиационных процессов значительно улучшилось, но неопределенности в процессах облаков и аэрозолей остаются. Модели успешно воспроизводят историческую тенденцию потепления и используются для прогнозирования будущего климата при различных сценариях выбросов.

Управление солнечным излучением (SRM)

Некоторые предлагаемые геоинженерные стратегии направлены на искусственное уменьшение количества солнечного излучения, достигающего поверхности, например, путем введения отражающих аэрозолей в стратосферу (впрыск стратосферного аэрозоля) или путем осветления морских облаков. Хотя эти методы могут временно компенсировать некоторое потепление, они несут значительные риски, такие как изменение структуры осадков, истощение озона и внезапное быстрое потепление, если вмешательство будет остановлено.

Итоговая линия для будущего климата

Понимание солнечной радиации - это не просто академическое упражнение. Солнечная энергия, которая достигает Земли, является фундаментальным двигателем нашего климата. Деятельность человека изменила естественный баланс, усилив парниковый эффект и изменив альбедо поверхности. Будущее потепление зависит от того, сколько больше CO2 и других парниковых газов мы выбрасываем, но также зависит от обратной связи, которая может усилить или ослабить первоначальное воздействие. Точные прогнозы требуют моделей, которые точно представляют все компоненты энергетического бюджета Земли, от верхней части атмосферы до глубокого океана.

Заключение

Солнечная радиация является двигателем климата Земли. Ее спектральный состав, ее распределение по пространству и времени, а также то, как она взаимодействует с атмосферой и поверхностью, определяют каждый аспект температуры и климата от глобального масштаба до местной погоды. От физики солнечной постоянной и альбедо до сложных петлей обратной связи льда, облаков и водяного пара, история солнечной радиации - это история самого климата Земли. Поскольку мы продолжаем изменять энергетический баланс планеты за счет выбросов парниковых газов, обезлесения и урбанизации, глубокое понимание этих принципов становится все более важным - не только для ученых, но и для политиков и общественности, которые должны ориентироваться в проблемах потепления мира.