Maan säteilytasapaino

Maan säteilytasapaino eli Maan säteilytase tai Maan säteilytalous Maantiede lukioita ja aikuisopiskelijoita varten, Tekijät: Toive Aartolahti Hannele Rikkinen, Kalevi Rikkinen Pentti Viitala, 6. tarkistettu painos, Weilin+Göös Amer-yhtymä Espoo 198, , s. 28, kohta Maapallon säteilytalous) on tase Maahan tulevan Auringon säteilyn ja Maasta lähtevän heijastuneen ja lämmöstä syntyvän säteilyn välillä. Auringon säteilyssä on runsaasti lyhytaaltoista valoa. Osa Maan ilmakehään saapuvasta säteilystä heijastuu suoraan pois, osa lämmittää ilmakehää, meriä ja maata. Osa tästä Maahan absorboituneesta lämmöstä poistuu Maasta pitkäaaltoisena lämpösäteilynä. Maan energiataseen muutokset aiheuttavat ilmastonmuutoksen. Jos säteilytase on positiivinen, Maa lämpenee. Jos säteilytase on negatiivinen, Maa kylmenee.

Maahan tuleva säteily

Aurinko säteilee ilmakehän ulkorajalla neliömetriä kohden noin 1 368 W/m². Tätä lukua sanotaan aurinkovakioksi. Se muuttuu hieman Maan kiertäessä radallaan, jolloin se vaihtelee keskiarvoistaan molempiin suuntiin 3,3 %Aurinkoenergia, Lasse Wahlroos, Energiakirjat Ky 1981, 1. painos, Pori 1981, Satakunna kirjateollisuus Oy, ,Auringonsäteily s- 19 eli välillä 1350–1390 W/m2Aurinko-Opas Bruno Brat, Vesa Erkkilä, ..., Toim, Vesa Ville Mattila, , sarnmala.com, s. 11 .

Koska Maapallo on pyöreä ja ilmakehä absorboi osan auringonsäteilystä, Auringosta maahan saapuva säteilyteho on suurimmillaan noin , missä on zeniitissä olevan Auringon kuivan ja kirkkaan ilmakehän läpäisemän säteilytehon maksimiarvo eli noin 1 000 W/m2 ja on Auringon korkeuskulma horisontin yläpuolella, jonka suurin arvo on joko 90° tai kääntöpiirien ulkopuolella [(90° + 23,5°) – |leveysaste|]. Suomessa säteilyteho on suurimmillaan noin 800 W/m² (Etelä-Suomessa keskipäivällä kesäpäivänseisauksen aikaan).https://web.archive.org/web/20121116011830/http://dmkk.savonia.fi/energialabra/images/stories/aurinkoenergia.pdf. Käytännössä kuitenkin maanpinnalle tuleva säteilymäärä on aina huomattavasti pienempi kuin edellä laskettu maksimiarvo.

Yhteensä koko Maan alalle saapuu säteilyä 174 petawattia. Yleensä Maan säteilytasapainoa koskevissa laskelmissa tämä säteily jaetaan tasaisesti koko maapallolle, jolloin saadaan noin 342 W/m²Kanninen 1992, s. 9. Luku 1 Ilmakehämuutokset: Kohta 1.11 Maapallon ilmastoon vaikuttavat luonteiset tekijät oikea palsta, 2. täysi kappale.. Koska maapallo on pallon muotoinen, napa-alueille osuu pinta-alayksikköä kohti vähemmän säteilyä kuin päiväntasaajalle.

Maan ilmakehän ulkorajoille tulevasta säteilystä heijastuu pois 30 % eli maan albedon verranBrta s. 11. Loppuosa eli noin 70 % menee Maan lämmittämiseen. Tästä 23 % kuluu veden haihtumiseen ja vain 47 % varsinaiseen maan, meren ja ilman lämmittämiseenBrat, s. 11..

Maasta lähtevä säteily thumb|300px|Maasta ulos lähtevä säteily Maahan tulevan ja siitä lähtevän säteilyn energian välillä vallitsee tasapaino. Osa Maahan tulevasta Auringon säteilystä heijastuu suoraan pilvistä, ilmakehästä, Maan ja meren pinnasta takaisin avaruuteen. Osa lämmittää ilmakehää, maata ja vesistöjä. Kasvihuoneilmiö on syynä Maan säteilemän lämpösäteilyn varastoitumiseen ilmakehään. Ilman kasvihuoneilmiötä maapallon keskilämpötila olisi noin –18 °C nykyisen +15 °C:een sijasta.Kioton pöytäkirjan toimeenpanon säännöt 2003. Lopulta kasvihuoneilmiön sieppaama säteily karkaa avaruuteen. Osa Auringon säteilyenergiasta muuttaa yhteyttämisen kautta elotonta materiaa biomassaksi sitoen Auringon säteilyenergiaa eloperäisiin molekyyleihin.

Maapallolle tuottaa energiaa Auringon säteilyn lisäksi myös maalämpö ja vuorovesivoimien aiheuttama kitkakuumennus. Kasvihuonekaasujen eli esimerkiksi hiilidioksidin, metaanin ja halonien lisääntymisen on arvioitu muuttaneen Maan lämpötaloutta 2,4 W/m². Maa lämpenee kasvihuoneilmiön voimistumisen vuoksi, koska yhä enemmän Maan säteilemästä lämpösäteilystä jää ilmakehään.

Maan säteilytalouden karkea kuvaus pienoiskuva|Auringon energia virtaa maahan ja kulkee siellä eri teitä pitkin ja säteilee takaisin avaruuteen. arvot PW =1015 watt.Kuvan tiedot ovat NASAn julkaisusta.

Tuleva Auringon säteily jakautuu seuraavasti

Ilmakehästä heijastuva osa noin 23,6 %Aurinkoenergia, s. 14 Alustan eli maan, veden ja ilman lämmöksi muuttuva osuus Tuuli, aallot, merivirrat ja yhteyttäminen 23 % haihtuminen

Lähtevä säteily

Ilmakehän lämpösäteily avaruuteenKanninen 1992, s. 12. Alustan eli maan, veden, jään jne. pitkäaaltoinen lämpösäteily avaruuteen

Toinen kuvaus

Ilmakehän ulkorajoille tulee Auringosta verran noin 340 W/m² eli 100 % Ilmakehästä heijastuu 25 % ja imeytyy osa 25 % säteilystä, muun muassa UV-säteilyä Maan pinnasta heijastuu noin 5 % Maahan pääsee 45 %

Vastaavasti

haihtumiseen kuluu 30 % Maan ja veden yms. pinta säteilee ulos 115 % Kasvihuoneilmiön takia ilmakehä heijastaa ja imee ja säteilee Maasta karkaavasta säteilystä takaisin 100 %, ja 10 % pääsee ilmakehästä läpi avaruuteen Ilmakehän läpi pääsee ja se säteilee ulos 60 %Golub ja Pasachoff 2004

Maan säteilytasapainon yhtälöt

Kokonaissäteily G on sama kuin suora säteily D plus hajasäteily H eli

G=H+R.

Lyhytaaltoisen säteilyn tasapaino Qs on suora Auringon säteily D, johon lisätään hajasäteily H, ja josta vähennetään Maasta heijastunut osuus R. Se on sama kuin kokonaissäteily G, josta vähennetään Maasta heijastunut säteily.

Qs = G - R

eli

D + H - R

eli

Qs=G-(1-a)

G = kokonaissäteily D = suora säteily H = hajasäteily eli diffuusi säteily R = kokonaissäteilyn maasta ym. heijastunut osuus, noin 4 %. a = albedo eli pinnan säteilynheijastuskyky, jolloin (1-1) on pintaan imeytynyt säteily.

Pitkäaaltoisen säteilyn tasapaino Ql on

Ql = AE = AO - AG

AE = tehollinen eli efektiivinen säteily, sama kuin 'Ql AO = säteily Maan pinnalla AG = Maan sieppaama säteily eli kasvihuoneilmiö

Kokonaissäteilytasapaino on lyhytaaltoisen säteilyn tasapaino, josta vähennetään pitkäaaltoisen säteilyn tasapaino. Se on sama kuin kokonaissäteily G, mistä vähennetään heijastunut säteily R, ja pitkäaaltoisen säteilyn tasapaino Ql eli tehollinen säteily AE.

Qt = Qs - Ql = G - R - AE

Auringonsäteilyn laskukaava onAurinko-opas, s. 12

I = Iimeytynyt+Ihajasäteily+Iilmakehän vastasäteily+Ikarkaava pitkäaaltoinen säteily

Nettosäteily lämmittää maata Maan lämpötiloihin vaikuttaa Auringon maata lämmittävä nettosäteily, joka koostuu suorasta säteilystä ja hajasäteilystä, johon vaikuttaa pinnan säteilynheijastuskyky albedo. Tästä vähennetään pinnan pitkäaaltoinen ulossäteily, ja lisätään vastasäteily eli kasvihuoneilmiön vaikutushttp://www.physicalgeography.net/physgeoglos/n.html#net_radiation.

Pinnan saama nettosäteily Qnetto onhttp://en.wikipedia.org/wiki/Earth's_radiation_balance

Qnetto = (D + H)(1 - a) - AO + AG

jossa

D suora Auringon säteily H hajasäteily a albedo AO Maan pinnan pitkäaaltoinen ulossäteily AG ilmakehän vastasäteily eli kasvihuoneilmiö

Koska Maa lämpiää suhteellisen hitaasti, Maan lämpötilahuippu on noin kuusi tuntua Auringon maksimikorkeuden jälkeenhttp://www.physicalgeography.net/fundamentals/7l.html.

Maan säteilytasapaino ja lämpötila Maan säteilytasapaino kytkeytyy lämpötilaan Stefanin-Bolzmannin lain kautta. Näin ollen Maan keskilämpötila riippuu aurinkovakiosta, Maan albedosta ja emissiivisyydestä pitkäaaltoiselle lähtösäteilylle.

S on aurinkovakio, noin 1368 W·m-2 on Maan keskimääräinen albedo, mitattu 0.3 r on Maan säde, 6.371×106m π on piin arvo, noin 3.14159 on Stefanin-Boltzmannin vakio — joka on noin 5.67×10-8 J·K-4·m-2·s-1 on Maan efektiivinen emissiivisyys 0.612, joka ottaa huomioon kasvihuoneilmiön

Vakio πr2 voidaan supistaa pois

Ja lämpötila saadaan tästä yhtälöstä

Tiedetään, että Maan aurinkovakio vaihtelee 1.4 %, albedo 3.3 % ja efektiivinen emissiivisyys 1.4 %.

Monien maa-alueiden emissiivisyys on .96 – 0.99 . mutta joillakin pienillä aavikoilla emissiivisyys on niinkin alhainen kuin 0.7.

Noin puolet Maan pinnasta on pilvien peitossa. Pilvien emissiivisyys on keskimäärin 0.5 . Käytännössä tämä luku on pienenettävä kertomalla Maan ja pilvien lämpötilojen osamäärän neljännellä potenssilla eli (Tpilvi/Tmaa)^4 . Pilvien keskilämpötila on 258 K. Kun kaikki ilmiöt otetaan huomioon, Maan keskimääräiseksi pintalämpötilaksi tulee 285 K ja emissiivisyydeksi 0.64.

Maan säteilytalous, tarkka kuvaus Ilmakehän ulkorajoille tulee 1 366 W/m², aurinkovakion verran säteilyä, Mikä jaettuna koko pallomaisen maapallon pinta-alalle tuottaa 342 W/m²Jantunen 1980, s. 29

30 % Maahan tulevasta säteilystä heijastuu välittömästi pois maapallolta eli 105 W/m² 6 % Ilmakehästä 20 % Pilvistä 4 % Maasta, vedestä ja jäästä 70 % Imeytyneestä säteilystä säteilee pois pitkäaaltoisena infrapunasäteilynä. Maa ja meri säteilevät yhteensä 469 W/m², josta ilmakehä kuitenkin palauttaa takaisin 327 W/m²Jantunen ja Nevanlinna 1980, s. 29, ja ulos säteilee 237 W/m² tai noin 215 W/m²Jantunen ja Nevanlinna 1980, s. 27 64 % Pilvistä ja ilmakehästä 6 % Maasta (ja jäästä, vedestä)

Maahan imeytynyt 70 % Auringon säteilystä voidaan jakaa näin

51 % Maahan ja veteen 23 % Siirtyy Maan ilmakehään veden haihtumisessa 7 % Nostaa ilmaa ilmakehässä 6 % Karkaa ulossäteilynä pois avaruuteen 15 % Lämmittää Maan säteilyllä ilmakehää, joka säteilee lämmön avaruuteen 19 % Ilmakehään 16 % Säteilee takaisin avaruuteen 3 % Muuttuu pilviksi, joista säteily säteilee pois ilmakehään

Kaasukehän osuus Mittana on tässäkin aina Auringon Maahan tuleva säteily pinta-alayksikköä kohti eli 342 w/m2, joka on 100.

Vesihöyryyn, otsoniin ja hiilidioksidiin imeytyy 19 %. Kirkas taivas hajottaa avaruuteen 3 % Maahan tulevasta Auringon säteilystä ja Maan pintaan imeytymään toiset 3 %.Encyclopedia Britannica, s. 439 Luku Climate. Pilvet sirottavat 25 % avaruuteen ja 12 % Maahan. Pilviin imeytyy 4 %. Toisaalta pilvien emissio avaruuteen on 8 %. ja kirkkaan taivaan emissio avaruuteen 55 %.

Kaasukehän ja pinnan välinen vuorovaikutus Pitkäaaltoisen säteilyn tase Kaasukehän pilvistä imeytyy pitkäaaltoista säteilyä pintaan 52 % ja kirkkaan taivaan säteilyn kautta 46 %. Pinnasta menee pitkäaaltoista säteilyä pilvien kautta ilmakehään 57 % ja kirkkaan taivaan kautta 51 %.

Haihdunta ym Haihdunta vie pinnasta ilmakehään 25 % Näin pinnan säteilytase on 30 % positiivinen, kaasukehän 30 % negatiivinen.

Pintaan saapuva ja siitä lähtevä säteily Suorasta säteilystä imeytyy pintaan 31 %. Pintaan saapuu pilvien sirottamasta säteilystä 12 % ja kirkkaan taivaan sirottamasta 3 %. Pinta säteilee suoraan avaruuteen 3 %, haihduttaa latentiksi lämmöksi 25 %, siirtää turbulenssin kautta ilmakehään 5 %, ja pitkäaaltoisen säteilyn puolella pilviin menee 57 % ja kirkkaaseen taivaaseen 51 %.

Maanpinnalle tulevia kokonaissäteilymääriä Maapallolle tulee noin 170 000 TW, josta lämmittämiseen menee 70 %, eli 23 % haihduttamiseen ja 47 % ilmakehän, maan ja meren lämmittämiseen. Maasta heijastuu 50 000 terawattia eli 30 %. Tuulet, aallot ja merivirrat kuluttavat 0,2 % eli 400 terawattia. Fotosynteesi kuluttaa 0,02 % eli 40 terawattiaAurinko-opas, s. 11.

Maan albedo pienoiskuva|Pilvet lisäävät maan albedoa, koska heijastavat Auringon säteilyä pois. Maa heijastaa noin 100 W/m² saamastaan 342 W/m² säteilystä pois, ja näin ollen Maan albedo on hieman yli 30 %Kanninen 1992, s. 11.. Albedomuutoksiin vaikuttavat muun muassa pilvet, jää, kasvillisuus ja ilmakehässä leijuva pöly.

Ilmakehän läpäisy

Ilmakehän läpäisy kirkkaalla ilmalla riippuu paikkakunnan leveysasteesta ja korkeudesta merenpinnasta. Napa-alueiden lähellä säteet joutuvat auringon paistaessa matalalta kulkemaan pitkän matkan ilmakehässä. Toisaalta korkealla vuoristossa ilma on ohuempaa eikä estä niin tehokkaasti Auringon suoraa säteilyäWahlroos 1981, s. 20..

Pilvisyyden vaikutus