Strålingsbalansen til jorda

Strålingsbalansen er ein balanse mellom solstrålinga som kjem inn i atmosfæren og ned til jordoverflata, og varmeustrålinga (langbølgja) og reflektert (kortbølgja) stråling frå jorda og ut att i verdsrommet.

Globalt sett er strålinga i balanse, elles ville solstrålinga gjort at temperaturen konstant hadde auka, men lokalt er derimot ikkje strålinga i balanse. Tropiske område får tilført mykje meir strålingsenergi enn det som blir brukt, medan høgare breidder på vinterhalvkula stråler ut mykje meir energi enn det som blir tilført. Havstraumar og atmosfæriske straumar transporterer energi bort frå tropane til høgare breidder slik at strålinga til jorda sett under eitt er i balanse. Strålingsenergien blir omforma til latent varme, merkande varme eller til og med rørsle (kinetisk energi), men til sjuande og sist blir all energi omforma til varmeenergi som blir strålt ut frå jorda og atmosfæren.

Den innkommande solstrålinga er kortbølgja, og likninga under blir derfor kalla den kortbølgja strålingsbalansen Qs:

Qs = G - R = D + H - R = G (1 - a)

der

• G = global stråling
• D = direkte stråling
• H = diffus stråling
• R = reflektert del av globalstrålinga (ca 4 %)
• a = albedo

Jorda si overflate og atmosfære sender ut varmestråling (i det infraraude spekteret). Det er ein liten overlapp mellom denne strålinga og solspekteret. Sidan dette er langbølgja stråling, blir denne likninga kalla den langbølgja strålingsbalansen (Ql)

Ql = AE = AO - AG

der

• AE = effektiv stråling
• AO = stråling frå jordoverflata
• AG = fanga stråling (strålingspådrag, òg kjend som drivhuseffekten)

Frå desse to likningane for innkommande og utgåande stråling, kan ein rekne ut den totale energien (total strålingsbalanse (Qt) eller netto stråling):

Qt = Qs - Ql = G - R - AE

Det kan derimot vere vanskeleg å måle kvar enkelt del av strålinga, sidan både forskjellige interne og eksterne faktorar kan påverke strålingsbalansen. Interne faktorar er mekanismar som påverkar samansetninga til atmosfæren (vulkanisme, biologisk aktivitet, endring av landområde, menneskeleg aktivitet etc). Den eksterne faktoren er i hovudsak sola. Sola sin midla lysstyrke har auka med om lag 25 % i løpet av levetida til sola.

Eksterne og interne faktorar er nært knytt saman. Auka solinnstråling vil til dømes gje høgare middeltemperaturar og høgare vassdampinnhald i atmosfæren. Vassdamp er ein gass som absorberer infraraud stråling og sender han tilbake til jordoverflata. Dette kan slå ut begge vegar ved at meir stråling mot jordoverflata fører til høgare temperatur, men auka vassdampinnhald kan òg føre til auka skydekke og dermed auka global albedo. Situasjonen er komplisert sidan mange faktorar spelar inn, og derfor har ikkje konseptet bak strålingsbalansen så stor nytteverdi, sjølv om han er fysisk rett.

Den totale energifluksen som kjem inn i jordatmosfæren er estimert til 174 petawatt.

Denne består av:

• solstråling (99,978 %, eller om lag 174 petawatt eller om lag 340 W/m²)
  • Dette er eit produkt mellom solarkonstanten, som er om lag 1366 W/m² og tverrsnittarealet av jorda, som er om lag 1,28 × 10¹⁴ kvadratmeter, midla over jordoverflata som er fire gonger større. Solarfluksen midla over halvdelen av jorda som har sol er om lag 680 W/m²
• geotermal energi (0,013 %, eller om lag 23 terawatt)
  • Dette er varme som er lagra i jorda og varme som er produsert av radioaktivtitet som strøymer ut frå jorda sitt indre.
• gravitasjonsenergi (0,002%, eller om lag 3 terawatt)
  • Dette blir produsert av vekselverknad mellom jordmassen og gravitasjonsfeltet til andre lekamar som Månen eller Sola.
• brenning av fossilt brensel (om lag 0.007%, eller om lag 13 terawatt)

Den gjennomsnittlege albedoen til jorda er om lag 0,3, som betyr at om lag 30 % av solstrålinga blir reflektert tilbake til verdsrommet, medan 70 % blir absorbert av jorda og strålt tilbake som infraraud stråling. Albedoen varierer med tida og frå stad til stad. Is og snø har høg albedo, medan havet har låg. Bidraga frå geotermisk energi og gravitasjonsenergien er så små at dei ikkje er tatt med i dei følgjande utrekningane.

30 % av strålinga blir reflektert tilbake til verdsrommet og består av:

• 6 % reflektert frå atmosfæren
• 20 % reflektert frå skyer
• 4 % reflektert frå bakken (inkludert land, vatn og is).

70 % av strålinga blir absorbert og strålt tilbake:

• 64 % frå skyer og atmosfæren.
• 6 % frå bakken

Den absorberte energien kan òg delast inn på denne måten:

• 51 % absorbert av land og vatn, og så utstråling på følgjande måtar:
  • 23 % overført tilbake til atmosfæren som latent varme ved fordamping av vatn.
  • 7 % overført tilbake til atmosfæren ved stigande varmluft.
  • 6 % blir strålt direkte ut i verdsrommet.
  • 15% overført til atmosfæren ved stråling, og så strålt vidare ut i verdsrommet.
• 19 % absorbert av atmosfæren:
  • 16 % strålt tilbake til verdsrommet.
  • 3 % overført til skyer som så stråler ut att til verdsrommet.

All energi til prosessane som skapar vêr og klima vert transport på tre måtar i jordatmosfæren. Den eine er stråling (elektromagnetisk stråling), ved leiing (indre energi i form av følbar og latent varme, og kinetisk energi) og ved konveksjon i form av indre energi og mekanisk energi. Mekanisk energi vert òg transportert ved bølgjerørsle (til dømes havbølgjer, lydbølgjer og jordskjelvbølgjer), men denne energitransporten har lite å seie for vêr og klima.

Den første termodynamikklova seier at energi ikkje kan skapast eller forsvinne, berre gå frå ei energiform til ei anna. Dette tyder at energiutvekslinga ved jordoverflata må vere i balanse:

(K↓-K↑) + (L↓-L↑) = K* + L* = Q* = Q_G + Q_H + Q_E

der

• K↓ er kortbølgja stråling frå sola til flata (berre om dagen)
• K↑ er reflektert kortbølgja stråling frå flata (berre om dagen)
• K* = K↓-K↑ er netto kortbølgja stråling
• L↓ er langbølgja stråling frå atmosfæren til flata (heile døgnet)
• L↑ er langbølgja stråling frå flata (heile døgnet)
• L* = L↓-L↑ er netto langbølgja stråling
• Q* er strålingsbalansen
• Q_G er varmeoverføring (leiing) til og frå underlaget
• Q_H er turbulent transport av følbar varme til og frå atmosfæren
• Q_E er turbulent transport av latent varme (fordamping og kondensasjon) til og frå atmosfæren.

Stundom må ein ta med andre faktorar i likninga, som vanlegvis ikkje har innverknad på lokalklimaet. Desse kan vere varme til og frå systemet ved horisontal transport, varmeomsetnad ved frysing og smelting, varmeomsetnad ved fotosyntese og respirasjon hos planter, varmetilførsel ved metabolisme hos andre levande organismar, varmetilførsel ved menneskeleg verksemd, varmetilførsel ved nedbør og varmetilførsel ved vinden sin friksjon mot overflata.

Utslepp av drivhusgassar, og andre faktorar (som endringar av landområde) kan endre energibudsjettet til ei viss grad. Dei største og mest kjende av drivhusgassane (CO², CH₄, halokarbon, etc.) har totalt auka pådraget med 2,4 W/m² i forhold til 1750. Dette er mindre enn 1 % av den innkommande solenergien, men har medverka til ein observert auke i temperaturen i atmosfæren og havet.

• Stefan-Boltzmann si lov
• Drivhuseffekt