一、對流層大氣溫度由什麼決定?
什麼過程可以讓大氣溫度升高?自然是要吸收能量啊。那麼大氣又是透過什麼來吸收輻射能量的?是大氣中的各種氣體。不同氣體由於其自身特殊結構吸收輻射的波段是不同的。具有吸收短波輻射能力的氣體主要有O3和H2O(比長波吸收弱)、O2(吸收能量很少);而具有吸收長波輻射能力的氣體主要是我們熟知的溫室氣體,比如:H2O、CO2。不難發現,主要吸收短波輻射能力的氣體在對流層的含量是很低的。
由此推測,對流層中大氣的熱源必須是放出長波輻射的發熱體,而不是放出短波輻射的太陽!對於對流層的大氣來說,太陽短波輻射就像一個匆匆的過客,不留下一絲餘熱。但太陽也不是完全不幹正事兒,太陽短波輻射穿過大氣層會直接作用於地面,加熱地面。而地面作為準黑體,放出長波(或紅外)輻射,加熱大氣。這就有了對流層大氣的熱源,即地面。
因此,可以歸納出決定對流層大氣溫度的主要影響因素:
1. 地表吸收的淨短波輻射:決定地表和大氣本身的溫度,從而決定向外的、對流層大氣具有吸收能力的長波輻射強度。地表吸收的淨短波輻射又取決於太陽常數、日地距離、日射角等決定進入大氣的短波輻射的因子以及地表反照率和雲量(決定被反射回大氣層外的短波輻射)。
2. 具有吸收長波輻射能力的溫室氣體(如水汽、CO2等氣體)含量:決定大氣溫度和大氣逆輻射強度,或者說有多少向外的長波輻射能被截留在大氣層中被大氣吸收和用來加熱低層大氣。
3. 其他。比如大氣邊界層(可以理解為大氣近地面的部分)對地面的湍流換熱以及水汽的蒸發和凝結潛熱的吸收與釋放,在這個問題情境下不太重要。
二、青藏高原氣溫問題
1. 地表吸收的淨短波輻射:
太陽常數不去說它了,雖然太陽活動存在準11年的週期變化,但是對於地球所有地方來說都是一樣的。
重點說說題主最糾結的日地距離。來看一組資料:日地距離的平均值為14,960萬km, 最大值為15,210萬km,最小值為14,710萬km;而珠穆朗瑪峰的高度是8848m。經計算易得,相比於海平面,珠穆朗瑪峰的日地距離少了......0.000006%! 這差別微乎其微!
太陽短波輻射反射方面,高原地表反照率比植被豐富的平原地區要偏大,但云量偏少。高原的植被稀疏,高原大部分為厚層黃土覆蓋,很多地方還被冰雪覆蓋,地表反照率比植被豐富的平原地區要偏大,使得射進來的太陽短波輻射被反回去的比例偏大,真正被高原地表吸收的太陽短波輻射偏少。但是另一方面,高原地區由於水汽匱乏,一般少雲晴朗,所以雲對太陽短波輻射的折射和反射作用較弱,因此會增加順利到達高原地表的太陽短波輻射。二者共同作用以雲的作用為主導,所以高原地區與同海拔的其他地區氣溫相比還是偏高一些、紫外線強度偏強。請看以下驢友西藏騎行前後對比照片,感受一下。
綜上,地表吸收的淨短波輻射方面,高原比其他地區稍微多一些,但不是因為日地距離小,而是因為雲少。
2. 具有吸收長波輻射能力的溫室氣體含量:
我們都知道,對流層的氣溫垂直廓線特徵,平均每升高100米,氣溫約降低0.65度。這就是因為海拔越高,大氣越稀薄,對地面長波輻射的吸收越弱。假如不考慮地表吸收的淨短波輻射差異,位於海拔8848米的珠穆朗瑪峰,要比接收地表淨短波輻射相同的海平面低上50多度。
具有吸收長波輻射能力的溫室氣體含量稀少,這才是導致高原氣溫低於地面的決定性因素!
一、對流層大氣溫度由什麼決定?
什麼過程可以讓大氣溫度升高?自然是要吸收能量啊。那麼大氣又是透過什麼來吸收輻射能量的?是大氣中的各種氣體。不同氣體由於其自身特殊結構吸收輻射的波段是不同的。具有吸收短波輻射能力的氣體主要有O3和H2O(比長波吸收弱)、O2(吸收能量很少);而具有吸收長波輻射能力的氣體主要是我們熟知的溫室氣體,比如:H2O、CO2。不難發現,主要吸收短波輻射能力的氣體在對流層的含量是很低的。
由此推測,對流層中大氣的熱源必須是放出長波輻射的發熱體,而不是放出短波輻射的太陽!對於對流層的大氣來說,太陽短波輻射就像一個匆匆的過客,不留下一絲餘熱。但太陽也不是完全不幹正事兒,太陽短波輻射穿過大氣層會直接作用於地面,加熱地面。而地面作為準黑體,放出長波(或紅外)輻射,加熱大氣。這就有了對流層大氣的熱源,即地面。
因此,可以歸納出決定對流層大氣溫度的主要影響因素:
1. 地表吸收的淨短波輻射:決定地表和大氣本身的溫度,從而決定向外的、對流層大氣具有吸收能力的長波輻射強度。地表吸收的淨短波輻射又取決於太陽常數、日地距離、日射角等決定進入大氣的短波輻射的因子以及地表反照率和雲量(決定被反射回大氣層外的短波輻射)。
2. 具有吸收長波輻射能力的溫室氣體(如水汽、CO2等氣體)含量:決定大氣溫度和大氣逆輻射強度,或者說有多少向外的長波輻射能被截留在大氣層中被大氣吸收和用來加熱低層大氣。
3. 其他。比如大氣邊界層(可以理解為大氣近地面的部分)對地面的湍流換熱以及水汽的蒸發和凝結潛熱的吸收與釋放,在這個問題情境下不太重要。
二、青藏高原氣溫問題
1. 地表吸收的淨短波輻射:
太陽常數不去說它了,雖然太陽活動存在準11年的週期變化,但是對於地球所有地方來說都是一樣的。
重點說說題主最糾結的日地距離。來看一組資料:日地距離的平均值為14,960萬km, 最大值為15,210萬km,最小值為14,710萬km;而珠穆朗瑪峰的高度是8848m。經計算易得,相比於海平面,珠穆朗瑪峰的日地距離少了......0.000006%! 這差別微乎其微!
太陽短波輻射反射方面,高原地表反照率比植被豐富的平原地區要偏大,但云量偏少。高原的植被稀疏,高原大部分為厚層黃土覆蓋,很多地方還被冰雪覆蓋,地表反照率比植被豐富的平原地區要偏大,使得射進來的太陽短波輻射被反回去的比例偏大,真正被高原地表吸收的太陽短波輻射偏少。但是另一方面,高原地區由於水汽匱乏,一般少雲晴朗,所以雲對太陽短波輻射的折射和反射作用較弱,因此會增加順利到達高原地表的太陽短波輻射。二者共同作用以雲的作用為主導,所以高原地區與同海拔的其他地區氣溫相比還是偏高一些、紫外線強度偏強。請看以下驢友西藏騎行前後對比照片,感受一下。
綜上,地表吸收的淨短波輻射方面,高原比其他地區稍微多一些,但不是因為日地距離小,而是因為雲少。
2. 具有吸收長波輻射能力的溫室氣體含量:
我們都知道,對流層的氣溫垂直廓線特徵,平均每升高100米,氣溫約降低0.65度。這就是因為海拔越高,大氣越稀薄,對地面長波輻射的吸收越弱。假如不考慮地表吸收的淨短波輻射差異,位於海拔8848米的珠穆朗瑪峰,要比接收地表淨短波輻射相同的海平面低上50多度。
具有吸收長波輻射能力的溫室氣體含量稀少,這才是導致高原氣溫低於地面的決定性因素!