地球有效温度与温室效应导致的地表温度

Question

地球的有效温度大约是12°F(- 11°C)，这意味着在热平衡中，当它发射和吸收一样多的辐射时，外太空的观测者测量到的电磁辐射的波长和强度的分布将对应于一个黑体物体在12°F(- 11°C)的温度。

当然，由于温室效应，地球表面实际上比12°F(- 11°C)要暖和得多。如果大气中存在温室气体，那么来自地球表面的部分红外辐射会被大气吸收，并重新发射到地面。这种红外辐射再发射到地面就像一个能量陷阱，随着时间的推移，它将导致地球表面温度上升。这正是我真正有问题的地方:

如果地球表面正在变暖，它将不得不向太空发射更多的红外辐射。现在的大气(和温室气体)是否吸收了现在更大量的红外辐射的相同比例?为了最终重新平衡流入和流出的辐射?我在想表面会变暖，释放出更多的辐射，直到流出的量等于进来的量，建立新的热平衡。

我经常感到困惑，因为大多数地球能量预算和净辐射平衡的图表显示，离开地球表面的红外线比最初由大气顶部的太阳辐射提供的红外线还要多。这是因为他们计算了两次辐射的百分比或单位吗?因为有些是重新排放回来的?

我附上了一张照片，显示电磁波类型在辐射平衡中是如何划分的。它来自NASA的CERES页面。正如你所看到的，离开地球的红外线比进入地球的太阳辐射多，但这仍然是一幅净辐射为零的平衡图。

Answer 1

我认为你的理解并不遥远，但也许我可以发表一些评论，使事情更清楚。

我经常感到困惑，因为大多数地球能量预算和净辐射平衡的图表显示，离开地球表面的红外比大气层顶部太阳辐射提供的要多……正如你所看到的，离开地球的红外比进入地球的太阳辐射要多，但这仍然是净辐射为零的平衡图。

这些类型的图表只显示了通量，但你必须记住，表面(主要是海洋)和大气是能量的蓄水池，随着时间的推移而建立起来。在这张图中，地球系统的大气顶部净辐射平衡是，

67(大气吸收)+ 168(地表吸收)= 235(出射长波辐射)

所有其他更大的组成部分只是两个内部储层之间能量传递的不同途径。太阳只需要补充蓄水池泄漏到太空的能量(235 W/m2)就能保持平衡。

这种向地面重新发射的红外辐射就像一个能量陷阱，随着时间的推移，它将导致地球表面温度上升……如果地球表面变暖，它将不得不向太空发射更多的红外辐射……我在想表面会变暖，释放出更多的辐射，直到流出的量等于进来的量，建立新的热平衡。

大体上是这样的，但请记住，你发布的图表描述了一个长期稳定的状态(“热平衡”)，所以所有的“变暖”都已经发生了，并被纳入了这些数字中。这可能只是你的说法，但请注意，表面并不会将大部分热辐射直接发射回太空。在你的图表中，这是40瓦/平方米的“大气窗口”，这比被大气吸收的350瓦/平方米的地表排放要小得多。

最好不要把大气看作是将能量困在地表，而要把它看作是减缓能量从地表通过大气向太空的净转移。大气科学教科书通常包括一幅漫画，以演示能量在穿过大气时是如何被吸收和重新释放的:

这里每个箭头代表一个任意的能量单位。需要注意的是(1)每一层排放的量与它接收的量一样多，(2)大气中的通量远远超过1个单位，(3)大气中有一个稳定的1个单位的净通量，(4)这种平衡是由大气顶部的1个单位进入和1个单位输出维持的。

Answer 2

地球能量收支和净辐射平衡的图表显示，离开地球表面的红外线比最初由大气层顶部的太阳辐射提供的红外线还要多。这是因为他们计算了两次辐射的百分比或单位吗?因为有些是重新排放回来的?

考虑一个更简单的黑体的例子。入射的辐射大多在可见光谱中。这会使身体变暖，因为人体主要辐射红外线。在平衡状态下，输出的功率与供给的功率相同，只是波长不同。