Тепловой баланс в тропосфере Земли.

Ближайшая к земной поверхности область атмосферы – тропосфера, в которой происходит уменьшение температуры с ростом высоты. Средняя по поверхности температура в основании тропосферы 288 К. Жесткое солнечное излучение поглощается вышележащими слоями атмосферы, а излучение в видимой области спектра почти не поглощается в тропосфере, зато поглощается поверхностью Земли. Максимум излучения поверхности Земли лежит в инфракрасной области и это излучение поглощается газами тропосферы, главным образом СО₂ и Н₂О. Таким образом, тропосфера нагревается фактически снизу. Это явление называется парниковым эффектом. Поэтому температура в тропосфере падает наружу.

Температуру поверхности Земли можно найти из уравнения теплового баланса, согласно которому энергия, излучаемая Землей равна поглощенной ей энергии Солнца. Таким образом, учитывается, что поглощается не вся падающая энергия, часть энергии отражается. Отражающая способность тел характеризуется альбедо, А – это отношение отраженного потока излучения к падающему потоку. Альбедо зависит от длины волны, A = f(λ). Aльбедо определяется коэффициентами поглощения и рассеяния поверхности небесных тел и их атмосфер, которые зависят от плотности, температуры и химического состава вещества.

Тепловая энергия, излучаемая с единичной поверхности тела за одну секунду, то есть поток энергии излучения = σ T_е⁴. Поглощенная энергия от Солнца = (1-A)∙ E∙ cosz, где E – освещенность, z – зенитное расстояние Солнца. Тогда уравнение теплового баланса для единичной площади поверхности имеет вид σ T_е⁴ = (1-A)∙ E∙ cosz

Это уравнение теплового баланса в дифференциальной форме, которым можно пользоваться для небесных тел без атмосферы. Для планет с атмосферой с помощью этого уравнения можно лишь приближенно оценить температуру поверхности планеты в подсолнечной точке. Присутствие атмосферы приводит к перераспределению энергии по всей поверхности планеты, поэтом для планет с атмосферой необходимо пользоваться уравнением теплового баланса в интегральной форме. 4π R_З² σ < T_е> ⁴ = π R_З²(1-A)∙ E, здесь R_З – радиус Земли, < T_е> - средняя по всей поверхности эффективная температура планеты. Отсюда получаем 4σ < T_е> ⁴ = (1-A)∙ E

Вспомним определение освещенности – это количество энергии, падающей на единицу площади за 1 секунду. Для Земли освещенность полностью определяется светимостью Солнца, L_ʘ : , где R – расстояние от Земли до Солнца.

Введем понятие солнечная постоянная, f – это количество энергии Солнца падающей на единичную площадку вне атмосферы в 1 секунду под углом 90^o к поверхности. Для Земли солнечная постоянная

Средняя по поверхности эффективная температура Земли, рассчитанная из интегрального уравнения теплового баланса, < Т_е> = 249 К. Средняя эффективная температура Земли, то есть средняя температура ее поверхности, ниже средней температуры нижних слоев тропосферы. Это есть следствие парникового эффекта.