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大氣輻射

大氣輻射討論地球大氣系統(把大氣跟地球視為一個整體)中的輻射過程,更詳細的說是指大氣中的長波、短波輻射和氣體、雲、氣溶膠、地表之間的相互作用。
黑體是一種假想的物體,它放出的輻射通量密度隨波長的分布(能量/時間-面積-波長)成正比於Planck函數。地球大氣系統的能量來自太陽放出的輻射,地球大氣系統把其中一部分反射回到外太空,地球大氣系統也會放出輻射能到太空,以便保持能量平衡。
太陽可視為溫度5700 K的黑體,另一方面地表的平均溫度為15℃,它們可視為黑體,地球和大氣放出的輻射主要是紅外輻射,波長較長,太陽輻射主要是可見光,波長較短,故它們分別稱為長波和短波輻射。
太陽輻射和長波輻射都會受到大氣的吸收。對太陽輻射來說,波長在0.3微米以下的紫外線已被平流層中的臭氧幾乎完全吸收了。在近紅外區(0.7~3微米)相當多的太陽輻射被大氣中的水汽、二氧化碳和雲所吸收,但大氣幾乎不吸收可見光(0.4~0.7微米)。至於長波輻射,在3.7和11微米附近氣體的吸收很小,稱為大氣窗區。最重要的吸收帶是6.3微米處的水汽吸收帶、4.3和15微米的二氧化碳吸收帶以及9.6微米處的臭氧吸收帶。
只要不討論氣候變動,地表的年平均溫度可視為常數,因此地球從太陽接收到的能量又會回到外太空,這種能量平衡已由氣象衛星的觀測結果證實了。附圖表示地球大氣系統平均能量平衡。
因為地球表面積是截面積的4倍,故大氣層頂處的所接收到的太陽輻射通量密度等於太陽常數的1/4,即342 W/m2。太陽常數是指日地平均距離處的太陽通量密度。附圖中的數字表示這個量為100單位時的各個輻射能量值。入射於大氣層頂的太陽輻射一部分30單位因大氣中的分子的雷氏散射、雲、氣溶膠的米氏散射以及地表的反射而在回到太空。這個比率30%稱為行星反照率。
在大氣層頂處的輻射是平衡的,到達的和離開的輻射能量都是70單位。對大氣來說,輻射能並不平衡。吸收的太陽輻射為19單位,損失的輻射能為49單位,因此太陽輻射造成氣的加熱,而長波輻射則引起大氣的冷卻,不足的30單位則藉由對流的方式由地表往大氣輸送。在地表處,輻射也是不平衡的,接收到的太陽輻射為51單位,而離開的輻射為21單位,多出的30單位就是藉由對流進入大氣。
上面所說的能量平衡是全球長時間的平均狀況。若以緯度分布來說,則南北半球都以緯度35~40為界,在低緯度地區接收到的入射太陽輻射比放出的長波輻射多,在高緯度地區放出的長波輻射則大於入射太陽輻射。這種輻射收支緯度分部的不平衡正是地球上能量由低緯度往高緯度輸送的主要機制,其中大約4/5是由大氣輸送,1/5是由海洋輸送。更進一步說,至於能量平衡的時間和空間分布,則與大氣和海洋中的各種現象有關。最重要的輻射收支是太陽常數、行星反照率以及向外長波輻射,都可由衛星觀測得到。

撰稿者:曾忠一
最後修訂日期:98年09月24日
參考資料:
1 曾忠一。1988。《大氣輻射續篇》。臺北:中央研究院物理研究所。
2 曾忠一。1988。《大氣衛星遙測學》。臺北:渤海堂。
3 Wallace, J. M. and P. V. Hobbs. 2006. Atmospheric Sciences: An Introductory Survey. Amsterdam: Academic Press.