Температура кожи (атмосферы) - Skin temperature (of an atmosphere)

В кожная температура атмосферы - температура гипотетического тонкого слоя высоко в атмосфера это прозрачно для инцидента солнечная радиация и частично поглощая инфракрасная радиация с планеты. Он дает приблизительное значение температуры тропопауза на планеты земной группы с парниковые газы присутствуют в их атмосфере.

Температуру кожи в атмосфере не следует путать с температура поверхности кожи, который легче измеряется спутниками и зависит от теплового излучения на поверхности планеты.^[1][2]

Фон

Показана многослойная модель атмосферы со скин-слоем вверху. Стрелки показывают потоки энергии, которыми обмениваются слои, а пунктирные линии указывают, что излучение проходит через один или несколько слоев. Обратите внимание, что поток, излучаемый вверх непрозрачным слоем при T₁ должен быть равен падающему солнечному потоку σT_экв⁴. Таким образом, T₁ = T_экв.

Концепция температуры кожи основана на модели переноса излучения в атмосфере, в которой атмосфера планеты разделена на произвольное количество слоев. Каждый слой прозрачный видимому излучению Солнца, но действует как черное тело в инфракрасном диапазоне - полностью поглощающее и полностью переизлучающее инфракрасное излучение, исходящее от поверхности планеты и других слоев атмосферы. Слои теплее у поверхности и холоднее на больших высотах. Если атмосфера планеты в радиационное равновесие, то самый верхний из них непрозрачный слои должны излучать инфракрасное излучение вверх с потоком, равным падающему солнечному потоку. Самый верхний непрозрачный слой (уровень излучения), таким образом, будет излучать как черное тело на уровне планеты. равновесная температура.^[3][4]

Скин-слой атмосферы относится к слою, находящемуся намного выше уровня излучения, на высоте, где атмосфера чрезвычайно диффузна. В результате этот тонкий слой прозрачен для солнечного (видимого) излучения и полупрозрачный планетному / атмосферному (инфракрасному) излучению. Другими словами, скин-слой действует как серое тело, потому что это не идеальный поглотитель / излучатель инфракрасного излучения. Вместо этого большая часть инфракрасного излучения, приходящего снизу (то есть от уровня излучения), будет проходить через слой кожи, при этом поглощается лишь небольшая часть, что приводит к образованию холодного слоя кожи.^{[3][4][5][6][7]}

Вывод

Рассмотрим тонкий слой газа высоко в атмосфере с некоторой поглощающей способностью (т.е. той частью поступающей энергии, которая поглощается), ε. Если эмиссионный слой имеет некоторую температуру Т_экв, полный поток, достигающий скин-слоя снизу, определяется выражением:

${\displaystyle F=\sigma T_{eq}^{4}}$ если предположить, что эмиссионный слой атмосферы излучает как черное тело в соответствии с Закон Стефана-Больцмана. σ это Постоянная Стефана-Больцмана.

Как результат:

${\displaystyle F_{in}=\epsilon \sigma T_{eq}^{4}}$ впитывается кожным слоем, а ${\displaystyle F_{thru}=(1-\epsilon )\sigma T_{eq}^{4}}$ проходит сквозь кожный слой, расходясь прямо в космос.^[3]

Предполагая, что скин-слой имеет определенную температуру Т_s, и используя Закон Кирхгофа (поглощающая способность = излучательная способность ) полный поток излучения, создаваемый скин-слоем, определяется как:

${\displaystyle F_{out,Total}=2\epsilon \sigma T_{s}^{4}}$ где коэффициент 2 обусловлен тем фактом, что скин-слой излучает как вверх, так и вниз.^[3]

Если скин-слой остается при постоянной температуре, потоки энергии в скин-слой и из него должны быть одинаковыми, так что:

${\displaystyle \epsilon \sigma T_{eq}^{4}=2\epsilon \sigma T_{s}^{4}}$

Следовательно, изменив приведенное выше уравнение, температура кожи может быть связана с равновесной температурой атмосферы следующим образом:

${\displaystyle T_{s}=T_{eq}\left({\frac {1}{2}}\right)^{1/4}}$

Таким образом, температура кожи не зависит от поглощающей способности / излучательной способности поверхностного слоя.^[8]

Приложения

Теоретический профиль температуры на основе многослойной модели (пунктир) в сравнении с измеренным профилем температуры (сплошной) атмосферы Земли. Названные слои атмосферы применимы только к измеренному температурному профилю, поскольку их определение зависит от наличия инверсий.

Многослойная модель парниковой атмосферы дает прогнозируемые температуры для атмосферы, которые уменьшаются с высотой, асимптотически приближаясь к температуре кожи на больших высотах.^[3] Температурный профиль атмосферы Земли не следует этому типу тренда на всех высотах, поскольку он показывает два температурные инверсии, то есть области, где атмосфера становится теплее с увеличением высоты. Эти инверсии имеют место в стратосфера и термосфера, за счет поглощения солнечной ультрафиолетовый (УФ) излучение озона и поглощение солнечного крайний ультрафиолет (XUV) излучение соответственно.^[9][10] Хотя реальный профиль температуры атмосферы Земли отклоняется от многослойной модели из-за этих инверсий, модель относительно точна в пределах Земли. тропосфера. Температура кожи является близким приближением к температуре тела. тропопауза на земле.^[4] Равновесная температура 255 К на Земле дает температуру кожи 214 К, что сравнимо с температурой тропопаузы 209 К.^[3][11]

Рекомендации

1. Джин, Менглин; Дикинсон, Роберт Э (01.10.2010). «Климатология температуры поверхности суши: преимущества спутниковых наблюдений». Письма об экологических исследованиях. 5 (4): 044004. Bibcode:2010ERL ..... 5d4004J. Дои:10.1088/1748-9326/5/4/044004. ISSN  1748-9326.
2. Джин, Менглин; Дикинсон, Р. Э .; Фогельманн, А. М. (1997). «Сравнение температуры кожи CCM2 – BATS и температуры приземного воздуха при спутниковых и наземных наблюдениях». Журнал климата. 10 (7): 1505–1524. Bibcode:1997JCli ... 10.1505J. Дои:10.1175 / 1520-0442 (1997) 010 <1505: ACOCBS> 2.0.CO; 2. ISSN  0894-8755. JSTOR  26243273.
3. Гуди, Ричард М. (1972). Атмосфера. Уокер, Джеймс С. Г. (Джеймс Каллан Грей). Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Прентис-Холл. стр.53, 58–59. ISBN  0130500968. OCLC  482175.
4. Кэтлинг, Дэвид К. (2017). Эволюция атмосферы в обитаемых и безжизненных мирах. Кастинг, Джеймс Ф. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. С. 39, 53–54. ISBN  9780521844123. OCLC  956434982.
5. МакЭлрой, Майкл Б. (2002). Атмосферная среда: влияние деятельности человека. Принстон: Издательство Принстонского университета. п. 59. ISBN  0691006911. OCLC  46822409.
6. Пьерумберт, Раймонд Т. (2010). Принципы планетарного климата. Издательство Кембриджского университета. п. 169. ISBN  9781139495066.
7. Стамнес, Кнут (2017). Перенос излучения в атмосфере и океане. Томас, Гэри Э., Стамнес, Якоб Дж. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. п. 343. ISBN  9781316148549. OCLC  994713534.
8. Goessling, Helge F .; Батиани, Себастьян (2016-08-29). «Почему CO2 охлаждает среднюю атмосферу - перспектива консолидирующей модели». Динамика системы Земли. 7 (3): 697–715. Дои:10.5194 / esd-7-697-2016. ISSN  2190-4987.
9. "Стратосфера - обзор | Центр научного образования UCAR". scied.ucar.edu. Получено 2019-06-11.
10. "Термосфера - обзор | Центр научного образования UCAR". scied.ucar.edu. Получено 2019-06-11.
11. Хан, Тингтин; Пинг, ДжинСон; Чжан, Суджун (2011). «Глобальные особенности и тенденции тропопаузы, полученные из данных GPS / CHAMP RO». Наука Китай Физика, механика и астрономия. 54 (2): 365–374. Bibcode:2011SCPMA..54..365H. Дои:10.1007 / s11433-010-4217-5. ISSN  1674-7348.