mini|Jordens atmosfære sett fra verdensrommet. Langbølget elektromagnetisk stråling (infrarød stråling, også kalt infrarød lys, eller varmestråling) opp fra jodens overflate blir absorbert av gassmolekylene (drivhusgasser) og i neste omgang sendt ut som varmestråling tilbake til jorden. Denne effekten kjent som drivhuseffekten er avgjørende for at jorden har en gjennomsnittstemperatur på 15 °C (grad celsius), og dermed er levelig.
Atmosfærisk tilbakestråling er varmestråling fra atmosfæren i retning ned mot jorden, som dermed er energi som forblir i jordens klimasystem. Det er en viktig del av energibalansen på jordoverflaten og bidrar til således til drivhuseffekten, altså at jorden har en gjennomsnittlig temperatur som gjør liv mulig.
Solstråling er energi mot jorden i form av kortbølget elektromagnetisk stråling, for en stor del synlig lys, som går nokså uhindret gjennom atmosfæren og treffer jordens overflate hvor den blir absorbert. Dette fører til at jordoverflaten, både landjord og hav, varmes opp, dermed vil overflatene emittere, altså sende ut, langbølget varmestråling mot atmosfæren. Denne typen stråling går ikke like uhindret gjennom atmosfæren som den kortbølgede solstrålingen, dermed blir en ganske stor del av denne energien tatt opp av atmosfærens drivhusgasser.
Energien fra den langbølgede strålingen tas opp av atmosfæren og sendes ut igjen fra gassmolekylene som langbølget stråling, noe opp og ut i verdensrommet, og noe ned tilbake mot jorden. Det er delen av denne strålingen som går ned mot jorden som kalles for atmosfærisk tilbakestråling. Kvantifisering av denne strålingen under forskjellige forhold er viktig både for å kunne lage klimamodeller og for meteorologi.
Jorden og atmosfærens strålingsbalanse mini|upright=2|Drivhuseffekten vist forenklet: Solstrålene går gjennom atmosfæren, og rundt halvparten av dens energi absorberes av jordoverflaten. Dette fører til oppvarming av jordoverflaten og til at en del av energien sendes tilbake til atmosfæren, blant annet som langbølget varmestråling. Denne varmestrålingen blir absorbert av drivhusgassene i atmosfæren, som sender energien ut igjen som langbølget stråling. Atmosfærisk tilbakestråling er den delen av denne strålingen som sendes tilbake mot jordens overflate.
Atmosfærens absorpsjon av langbølget stråling – Drivhuseffekten
Atmosfærisk tilbakestråling (fra engelsk «atmospheric back radiation» eller «atmospheric downward longwave radiation» og fra tysk «Atmosphärische Gegenstrahlung») er en sentral del av drivhuseffekten. Drivhuseffekten gjør det levelig på jorden fordi «atmosfæren ligner et tak som slipper gjennom solstrålingen og samtidig absorberer den termiske strålingen fra bakken.» Kunnskap om denne strålingen har betydning for praktiske vitenskaper som meteorologi, kjølesystemer, et cetera. For eksempel i meteorologi, der en ønsker å forutsi nattefrost, tåke, temperaturvariasjoner og skydannelse.
Solstrålingen, som er elektromagnetiske stråler med kort bølgelengde, slipper nokså lett gjennom jordens atmosfære og mye av denne strålingen absorberes av jordoverflaten. Jordoverflaten varmes opp i større eller mindre grad, og dette fører til at den sender ut varmestråling, ofte kalt infrarød stråling. Denne varmestrålingen, som også er elektromagnetisk stråling, skiller seg fra solstrålene ved at den har betydelig lengre bølgelengde.Henriksen : Deilig er den himmel side 36. I møte med atmosfærens gasser, spesielt drivhusgassene, fører dette til at den langbølgede strålingen absorberes. Den absorberte energien sendes ut igjen fra molekylene i gassene, både ut i verdensrommet og tilbake til bakken som atmosfærisk tilbakestråling.Henriksen : Deilig er den himmel side 38. Forenklet kan en si at drivhuseffekten forhindrer varmestrålene fra å forlate jorden, dermed får jorden et klima egnet for liv, med en middeltemperatur på rundt +15 °C (grad celsius).
Jordens mottak av solstråling mini|upright=2|Figuren viser absorpsjonsbåndene (intervaller) i jordens atmosfære i midten, og effekten som dette har på både solstråling og oppadgående termisk stråling, øverste graf. Individuelle absorpsjonsspekteret for vanlige drivhusgasser og Rayleigh-spredning er vist i nedre panel.
Både solen og jordkloden kan betraktes som såkalte svarte legemer, det vil si et idealisert fysisk objekt som absorberer all elektromagnetisk stråling, dette i motsetning til et såkalt hvit legeme som reflekterer all slik stråling. Et slikt legeme kjennetegnes videre ved at stråleenergien emitteres, altså sendes ut som elektromagnetisk stråling. Solen sender ut vesentlig synlig og ultrafiolett stråling, mens jordkloden sender ut varmestråling, også kalt terrestrisk stråling. Generelt er strålingen som et svart legeme emitterer bestemt av dets temperatur, og beskrives av Stefan-Boltzmanns lov, mens fordelingen av energien for bølgelengden beskrives av Plancks strålingslov.Stordal: Luftforurensninger side 14. Solen med en overflatetemperatur på 6000 K (Kelvin, en SI-enhet for måling av temperatur) sender ut stråler med en bølgelengde på 0,2–4 μm (mikrometer), mens jorden ved en overflatetemperatur på 255 K emitterer stråler i området 4–100 μm.
Den terrestriske strålingen er mest intens ved bølgelengder rundt 10 μm, se figuren der den øverste grafen viser sterkest intensitet for denne bølgelengden. Strålingen spres ikke mye i atmosfæren, men noen av gassene der absorberer langbølget stråling. Energistrømmen oppover i atmosfæren avtar derfor etterhvert som gassene tar til seg energien. I henhold til Kirchhoffs strålingslov vil gasser som absorberer stråling i neste omgang emittere denne som stråling med samme bølgelengde.Stordal: Luftforurensninger side 17. Når gasser absorberer og emitterer langbølget stråling kan det skje bare for enkelte bølgelengder eller i smale bånd (intervaller) av bølgelengder. Som et eksempel absorberer karbondioksid stråling med bølgelengde rundt 15 μm, mens ozon absorberer rundt 9,6 μm.Stordal: Luftforurensninger side 18. I figurens nedre del kan en se hvorledes hver av disse gassene absorberer rundt disse bølgelengdene, mens det sammenlagte absorpsjonsspekteret i midten viser effekten for hele atmosfæren. Størst effekt har imidlertid atmosfærens vanndamp som absorberer sterkt for flere bånd av bølgelengder.
Solstrålene som absorberes av jorden fører til oppvarming av bakken og verdenshavene, som igjen stråles ut som langbølget stråling. Men ikke all denne energien sendes ut som stråling, en god del fører til fordampning (evaporasjon) av vann som stiger opp i atmosfæren. Dessuten er det en liten del som gir varme oppadgående luftstrømmer, også kalt konveksjon. I tall er det 17 % av den innkommende solenergien som gir langbølget stråling, 25 % som evaporasjon og 5 % som konveksjon. Alle disse tre energistrømmene oppover fører til oppvarming av gassene i atmosfærens lavere lag. I tillegg blir atmosfæren oppvarmet av at 23 % av den innkommende kortbølgede strålingen fra solen absorberes. Det er særlig skyer, aerosoler, vanndamp og ozon som absorberer solstrålingen direkte.
Emisjon av langbølget stråling og atmosfærisk tilbakestråling mini|Overskyete høstmorgener er ofte varmere, enn om himmelen er helt skyfri, noe som følger av skyenes store bidrag til tilbakestråling.
Når gassmolekylene i atmosfæren absorberer langbølget stråling og mottar energi på andre måter, øker deres temperatur, og molekylene vil emittere langbølget stråling i alle retninger. Ved betraktning av absorpsjon og emisjon i atmosfæren, kan også den betraktes som et svart legeme. Den utsendte strålingen oppover fortsetter og treffer nye gassmolekyler som absorberer strålingen, de varmes opp, og det skjer en energitransport med temperaturøkning som resultat oppover i atmosfæren. En del av den emitterte varmestrålingen spres nedover, det som altså kalles for tilbakestråling.
Atmosfærens spesielle egenskap ved at den lar solstråler slippe relativt uhindret ned mot jorden, mens den langbølgede strålingen blir holdt tilbake, har ført til sammenligningen med et glasstak i et drivhus. I et drivhus slipper solstrålene lett gjennom glasset, mens varmestrålingen fra bakken og plantene blir holdt tilbake inne i det.Roedel: Die Atmosphäre side 44.
Det som avgjør hvor mye en gass i atmosfæren absorberer av langbølget stråling, altså dens styrke som drivhusgass, er dens konsentrasjon og hvert molekyls evne til å absorbere strålingen. Ved absorpsjon og emisjon av langbølget stråling endres molekylenes vibrasjons og rotasjonstilstand. Når molekylene så skifter energinivåer, enten ved å ta opp eller gi fra seg energi i form av elektromagnetisk stråling, skjer dette i diskrete overganger. Altså i sprang, kjent som kvanter. Dette gir seg utslag i at absorpsjon og emisjon skjer med samme bølgelengder for opptatt og utsendt stråling. Figuren (med tekst «Radiation Transmittet by the Atmosphere») viser de seks nederste panelene absorpsjonsspekteret til seks forskjellige gasser. En ser at karbondioksid, ozon og vanndamp absorberer mest effektivt. Spesielt har vanndamp egenskapen med å absorbere stråling i brede bånd.
Videre ser en i figuren at alle gassene i atmosfæren absorberer lite stråling i bølgelengdeområdet 10–12 μm. Dette kan også sees i det sammensatte absorpsjonsspekteret i midten av figuren. En sier at atmosfæren er transparent («gjennomsiktig») for dette bølgeområdet for langbølget stråling, og den øverste kurven viser sterk intensitet for dette frekvensbåndet. Stråling med denne bølgelengden går gjennom atmosfæren og ut i verdensrommet, og en kaller dette for det atmosfæriske vinduet.
En del av de menneskeskapte gassene som har økt konsentrasjon i atmosfæren absorberer stråling i dette bølgelengdeområdet. Dette gjelder lystgass, metan og mange av klorfluorkarbonene (KFK-gasser). Disse gassene som absorberer i dette bølgelengdeområdet påvirker drivhuseffekten kraftig.
En pioner innenfor forskning på atmosfærisk tilbakestråling var den svenske fysikeren og meteorologen Anders Knutsson Ångström (1888–1981), barnebarn til Anders Ångström, blant annet utviklet han en empirisk formel for å beregne størrelsen av tilbakestrålingen.
Jordens energibudsjett
Overflaten av jorden har et gjennomsnitt energiopptak, regnet globalt og over lang tid, på cirka 160 Watt pr. kvadratmeter (forkortet W/m², benevnes som irradians) på grunn av solstråling. Siden jorden, om en ser bort fra klimatologiske svingninger, verken varmes opp eller nedkjøles i noen særlig grad over lang tid, er den i stråblingsbalanse med solen. Dermed vil den i gjennomsnitt gi fra seg en varmestrøm av samme størrelse.Roedel: Die Atmosphäre side43. Den gjennomsnittlige temperaturen på jordens overflate er rundt 288 K (15 °C). Om jorden forenklet betraktes som en klode med uniform overflatetemperatur, utstråler den i henhold til Stefan–Boltzmanns-lov en varmeeffekt på 395 W/m² ved 288 K (15 °C) (og antatt emissivitet på 0,95), som er betydelig over innkommende solstråling og tilsynelatende er ikke strålingsbalanse oppfylt.
Denne tilsynelatende ubalansen er ikke tilstede hvis strålingsbidraget fra atmosfæren tas hensyn til. Jordoverflaten mottar i gjennomsnitt ikke bare 160 W/m² fra solstråling, men også rundt 330 W/m² via tilbakestråling. Totalt blir dette en innkommende strålingseffekt på rundt 490 W/m². Med et strålingstap på cirka 395 W/m² oppnår dermed jordoverflaten en totalt netto energitilførsel på 95 – 100 W/m². Lokalt og over døgnet eller over året, varierer dette mye, og bidraget kan også være negativt.Roedel: Die Atmosphäre side 54. Denne energitilførselen fører hovedsakelig til konveksjon og fordampning av fuktighet til atmosfæren. Energibalansen på jordens overflate forblir altså takket være atmosfærisk tilbakestråling opprettholdt.Roedel: Die Atmosphäre side 55. For snø og isdekte landområder gjelder helt andre forhold, her vil solstrålingen i større eller mindre grad reflekteres tilbake til atmosfæren og ut i verdensrommet, et fenomen kjent som albedo.