安徽大学《地球科学概论》课件-第2讲雏菊世界与气候模式.pptxVIP

第二讲雏菊世界与气候模式

前课回顾系统的概念和方法白色雏菊世界模型

雏菊世界对太阳光度的响应

雏菊世界给我们的启示首先，一个行星系统在面对内部和外部的影响时并不是消极被动的其次，雏菊世界的系统表面上看起来是智能的，但其中并不涉及到预见和计划，只是具有反馈循环而已再次，生物群并没有使自己生存环境最优化的能力（雏菊世界系统并没有让温度达到雏菊最佳生长温度）

雏菊世界给我们的警示系统常常存在一些阈值，一旦超过这些阈值，系统会发生迅速而不可逆的变化，且由于阈值难以预测，这种变化往往没有前兆。在全球变化的预测中，目前的方法是线性的预测，很难去预测跨过一些阈值之后的后果。线性预测很可能错误估计一些强迫带来的可能后果。

行星能量平衡与气候模式

行星能量平衡根据上述物理知识，我们具备了定量分析地球平均气候状况的基本条件。接下来我们将用能量平衡原理将上述物理知识结合起来。第一步是假定地球吸收的能量等于释放的能量（事实上这两者不可能完全相等，如两者相等，地球的有效温度将不会发生变化，而在第一讲中我们了解到地球正在变暖）

地球表面温度的决定因素到达地球轨道所在处的太阳辐射通量（S）地球的行星反照率（A）大气所提供的增温量（即温室效应）根据前两个因素我们可以计算地球吸收的能量=入射的能量-反射的能量=πR2地球S-πR2地球SA=πR2地球S（1-A）

地球接收和反射太阳光的量

地球表面温度的决定因素为了计算温室影响效应的大小，这里将地球看做一个黑体，其对应的有效辐射温度为Te,这样我们可以通过Stefan–Boltzmann定律?来计算地球发出的能量。地球发出的能量=4πR2地球*σTe4平衡入射和出射能量可以得到4πR2地球*σTe4=πR2地球S（1-A）σTe4=S（1-A）/4Te=

行星能量平衡公式推算温室效应Te=式中，代入已知的太阳常数S（1366W/m2），地球反照率A（30%），Stefan–Boltzmann常数σ（5.67*10?8?W/m2/K4），计算得到Te=255K,也就是-18摄氏度左右，地球实际的表面均温室15摄氏度左右，因此温室效应使地球表面增温33摄氏度。如果没有温室效应，地球上的温度将不适合生命存在。

对流层大气物理机制

对流层能量交换方式辐射：地表发出红外辐射，近地面大气吸收对流：近地面大气温度升高导致密度减小，产生浮力上升，高空温度低密度高的气体补充到地表的循环过程潜热：近地面的水汽发生相变的时候，将地表（主要是海洋）的能量转移释放到空气中的过程

大气温室效应的产生机制

大气温室效应的产生机制地表能量平衡公式：大气层能量平衡公式：公式验证：求解：Te=255K,TS=303k

温室效应的物理成因前面我们已经得知，温室效应的加热作用使得地表温度比没有大气存在条件下的高出33摄氏度。这种加热作用主要是由于水汽和二氧化碳这样的温室气体促成的。那么为什么有些气体对温室效应有贡献，而有些（如氧气和氮气）却没有？

分子运动及温室气体H2O

H2O分子运动特性H2O分子可以在一定频率下发生旋转或者形变，当电磁波（光子）以这些相应的频率发射到H2O分子时，H2O分子就会加快运动或旋转频率，并获取电磁波的能量。H2O的分子结构能够吸收波长大于12微米的热红外辐射以及微波辐射。H2O的分子旋转波段一直延生到微波波段（大于1000微米）也是微波炉能够加热任何含水物质的原理

分子运动及温室气体CO2

CO2分子运动特性CO2分子的三种运动特性中，弯曲模式的振动能够使其吸收电磁波（光子）能量并加大振幅，此振动频率可以使分子在波长约15微米处吸收红外辐射。这个波段恰好是地球出射辐射的峰值附近，这也是CO2能够在温室效应中起到关键作用的原因。

N2、O2分子的运动特征对称双原子分子可以发生旋转或振动，但是由于其对称性，在分子中不存在正负电荷的区别。因此包括了振动着的电场和磁场的电磁波经过这样的分子时不会被吸收

太阳辐射窗口和大气窗口

气候模型简介有了地球能量收支数据，我们可以利用计算机模型跟踪这些复杂的过程，来预测未来的温度变化。这样的计算需要考虑到所有不同温室气体的旋转和振动吸收波段。对于气候工作者有利的是，目前已经有大量的精力投入到了参数获取方面，数据信息是比较丰富的。

气候模型-一般步骤

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