(文中数学表达式无法显示)

 

答复：反照率（albedo）

Reflected by clouds, aerosols, and atmosphere: 77W/m2/342 W/m2 x 1oo% = 22.5%

Reflected by surface: 30W/m2/342 W/m2 x 1oo% = 8.77%

Reflected solar radiation: 107W/m2/342 W/m2 x 1oo% = 31.28%

 

For incoming solar radiation, we again have an average flux of S0 – 342 w/m2, of which a little over 31% , or 107 W/m2, is reflected as albedo.

 

1. 引言

采用经典物理学的方法可以证明，假如地球上没有大气层，地球表面平均温度可能只有-19℃左右；由于地球大气层的存在，地球表面大气平均温度才得以保持15℃左右。

火星上只有一层薄薄的大气层，星体表面温度约在 - 47 °C以下，比冰箱和冷冻室的温度还低得多。金星上有一层厚厚的大气层，星体表面气温高达 450 °C，比烘箱内的温度还高。地球大气层的厚度适中，适合于人类和动植物繁衍生息，于是地球上才有了的生机勃勃的生命活动和繁荣昌盛的生命现象，人们将其称为“金发丽人现象”。

 

2. 假如没有大气层的地球温度

采用经典物理学的方法可以证明，如果地球上没有大气层，地球表面平均温度可能只有-19℃左右。

根据斯忒藩-玻尔兹曼定律，绝对黑体的辐射本领（E₀），即单位面积单位时间内的辐射能量，与黑体的绝对温度T的四次方成正比，即

（1）

式中，E₀ – 表示绝对黑体的辐射本领；  - 是斯忒藩-玻尔兹曼常数，等于5.67051x10^-8 W/m²-K⁴。T – 是黑体的绝对温度。根据经典物理学的原理，我们可以假定地球是一个近似的黑体，以，此地球的辐射本领可以表示为：

（2）

从太阳到达地球的热辐射，十分接近于一个黑体在温度为5000K时的热辐射。按照太阳到地球的平均距离和地球日照的实际表面积计算，入射到地球大气层的太阳辐射(Incoming solar radiation)，约为342W/m²。我们把这个入射热通量（Incident heat flux），称为太阳输入（Solar input），用字符S₀表示。（S₀相当于太阳常数I₀的1/4，即大气层上界太阳辐射强度的1/4 ，S₀= I₀x1/4 = 1368 W/m² x1/4 = 342 W/m²）。

 

太阳的入射能量，并没有全部用来加热地球，其中有一部分能量被地球反射到空间里，被反射的比率（a），称为地球的反照率（Albedo）。地球反照率的大小，与地球表面的特征和性质有密切关系。一般情况下，光滑的白色的表面，如冰面、雪的反照率较高，而粗糙、黑色的表面的反照率较低。根据空间遥测结果分析，地球的反照率约为31%左右。

（注解：

反照率（albedo）

Reflected by clouds, aerosols, and atmosphere: 77W/m2/342 W/m2 x 1oo% = 22.5%

Reflected by surface: 30W/m2/342 W/m2 x 1oo% = 8.77%

 

Reflected solar radiation: 107W/m2/342 W/m2 x 1oo% = 31.28%

 

For incoming solar radiation, we again have an average flux of S0 – 342 w/m2, of which a little over 31% , or 107 W/m2, is reflected as albedo.)

 

这就是说，只有69%的太阳入射能被地球表面吸收，使地球加热。因此，地球对太阳能的吸收通量可以表示为：

（W/m²）                   （3）

当地球表面的吸收能量与反射能量相等时，地球温度达到一个稳定的平衡状态。于是，我们可以得到下面的方程式：

（4）

求解上述方程中的 ，得到地球温度的计算模式；

（5）

将 ，  ，代入上式，可以得到地球温度是：

℃

上述模式计算结果表明，如果没有大气层的存在，地球表面的平均温度大约只有 -19℃。

 

3.       大气层的热效应

现在，考虑地球大气层对地球表面温度的影响，对先前假定不存在大气层的简单地球能量平衡模式进行修正，导出实际的地球表面平均温度。为了简单起见，我们假定在地球表面有一层薄薄的可以吸收能量的物质材料，用它代表地球大气层。假定这层材料有一个平均温度，并具有黑体辐射的功能。材料的上表面向太空辐射，下表面向地面辐射。相对于地球的曲率来说，这一层材料是很薄的，我们可以把地球表面和大气层视为具有相同面积的两个平行面。根据前面的讨论，我们进一步假定，大气层能够吸收全部的地表辐射（忽略大气窗口效应）,以及部分太阳入射的能量（考虑到地球的反照率）。

 

对于进来的太阳辐射来说，我们仍用平均通量，，其中反照率（a）在31%以上，即107 的能量被反射出去。其余的部分中，有一部分被大气层吸收，另一部分被地表吸收。因此，被吸收的总能量可以表示为：

                                   （6）

将 = 342， = 0.31 代入上式，得到吸收的总能量是：

                     

为了找到地球表面新的平衡温度（T_e）需要的能量平衡模式，比以前在不考虑大气层存在的情况下导出的能量平衡模式，要复杂一些。这主要是因为大气层的平衡温度（T_a）也是一个未知数。现在有两个未知量: T_e 和T_a。为了求解这两个位置量，需要建立两个独立的方程。一个方程是大气层的能量方程，另一个方程是地球表面的能量方程，即

大气层能量方程：

（7）

地球表面能量方程：

（8）

其中，

       ；S_a = 235 w/m²；

斯忒藩-玻尔兹曼常数 。

将上述参数代入方程（7）和（8），于是可以得到下列二元联立方程：

（9）

即：

（10）

求解上述联立方程， 可以得：

         

 

考虑到大气层的存在对简单能量平衡模式进行修正以后，得到地球平均气温是+17℃，与地球表面气温的实际平均温度15℃，十分接近。计算结果说明，正是由于大气层的热效应，才使地球表面有了一个比较稳定的适合人类及其他生物生存的温度环境。目前，人们所说的温室效应，实际上就是指大气层的这种热效应。

 

3. 地球气候变化的原因

现代气候学原理指出，影响地球气候变化的自然因素主要包括：太阳辐射变化，地球轨道参数的改变，大气物质成分变化，大气气溶胶的变化，云的变化，大气下垫面的特性，海水温度的变化，地表冰雪覆盖面积的变化，等等。

 

（一）太阳辐射变化对地球气候的影响774

 

太阳的热辐射是地球气候系统的能量来源。很早以前，人们就把地球气候变化归因于太阳的热辐射和太阳活动周期的变化。太阳辐射加强，地表温度升高。由于赤道温度升高幅度高于两极，增大了赤道与两极的温度梯度，从而使大气环流加强，地球蒸发量增大，云量增多，降水量增加。同时，由于云量增加，大气辐射反射率增加，返回太空的热辐射能量增大，从而可能改变地球- 大气- 太空的辐射热平衡。降水量的增加，在一定条件下，会使降雪量增大，造成冰川的扩展。

 

（二）地球轨道参数变化对气候的影响781

除了太阳自身的辐射量的变化之外，地球相对于太阳的位置的变化，也能影响太阳向地表输送的辐射能量，从而导致地球气候的变化。由于受月亮和其他行星的影响，地球绕太阳的运行轨道，不是圆形而是椭圆形的，并且地球的运行是周期性变化的。在太阳辐射量不变的情况下，影响地表太阳辐照量的地球轨道参数有三个：地球轨道偏心率，地轴倾斜度和地轴的进动。这些参数的改变，引起地表接受的太阳辐照量的变化，形成了地球上的不同地区、不同季节的气候。

 

（三）大气物质成分对气候的影响795

    大气的物质成分，对气候的影响的主要方式是温室效应。在自然状态下，大气中的二氧化碳、水汽和臭氧浓度的变化，会影响到大气的热辐射的收支状况，改变气温的平衡状态，导致气候变暖。此外，人类活动排放的一些气体，同样能够改变大气的辐射收支状况，导致气温升高。目前，已经确定的人为排放的温室气体主要有：二氧化碳（CO₂），甲烷（CH₄），一氧化二氮（N₂O），卤代烃，全卤代化合物等。其中，化石燃料燃烧产生的二氧化碳，是排放量最大的温室气体。

 

（四）大气气溶胶的变化对气候的影响801

    气溶胶粒子对气候的影响问题比较复杂，专家们的看法也很不一致。有人认为气溶胶粒子的散射作用，使地球增温；有人认为使地球降温。但是现在比较肯定地看法是：由于人类活动和自然因素引起的大气烟尘粒子增加，使地球的反射率增大，地面接收的热辐射量减少，因此导致地面气温降低。目前观测和模拟结果表明，火山爆发产生的烟尘粒子导致的气温变化不超过0.5℃，而且这种影响持续时间很短，升温过程很快停止。

 

（五）云体的变化对气候的影响

云团或者云体，影响地 - 气系统和海 - 气系统的热量和水分分布，是影响气候的最复杂的因子。在大气层里，云的存在增加大气对太阳辐射的反射率，减少地面接收的太阳辐射，同时又能吸收地表发出的红外辐射。云在大气里出现，会改变大气的热辐射平衡，因此会影响到气候的变化。云团或云体的分布、特征、厚度、大小，都在不断地改变，因此云对气候的影响也会不断地变化。

在地球系统中，包括大气，云的反射贡献率约占地球系统总反射率的2/3。高云的反射作用小于温室效应的作用，因此两者的总效果是使地面温度升高。低云的反射作用大于温室效应的作用，两者的总效果是使地面温度降低。全球云的作用的最终效果，是使地面降温。

 

（六）下垫面性质改变对气候的影响806

大气边界层下垫面的特征和性质的改变，将影响大气热辐射平衡，对大气降水、气温产生重要影响。因此，下垫面的特性的改变是影响气候的一个重要因素。人类对土地的不适当的开发利用，导致地表的粗燥毒、反射率、辐射收支、土壤蒸发和地表径流状况发生改变，例如，滥伐森林，不适当的开慌，过度的放牧，导致森林草原破坏，水土流失，土壤风蚀，导致气候干旱、降水减少，扬沙、扬尘天气频频出现。

从热带雨林到裸露土壤，它们的热辐射和潜热通量是逐渐降低的，而反射率和感热通量是增加的。一般认为，人类活动对下叠面反射率的影响在10%左右。因为反射率的降低，可能使地表的温度降低0.2 ℃左右，使降水减少1%左右。特别是毁林，除了使昼夜温差增大外，估计将使年降水量减少200毫米。

 

（七）海面温度变化对气候的影响807

海洋的面积，约占全球总表面积的三分之二，到达地球表面的太阳辐射的大部分热能都是被海洋吸收的，然后它们又以感热和潜热的形式进入大气，改变大气的辐射热平衡，影响全球的气候变化。热带海洋吸收的热辐射能，大部分释放到大气里，另外一少部分则通过海流向高纬度输送，并在那里释放给大气。

 

（八）冰川雪盖的变化对气候的影响808

冰川、雪盖的形成与气候有十分密切的关系。反过来，冰川雪盖的存在又会对气候产生重要影响。冰川雪盖能够有效地反射太阳辐射的热能，影响地表的热量平衡状况。在气候变化当中，冰川雪盖是一种正反馈因素，能够加速气候正向变化的进程。因此，在气候变化过程中，它们是一种不稳定的影响因素。它们对于研究现代气候的形成和变化具有特别的重要意义。

 

4. 人类活动对气候变化的影响

人类活动对气候影响，实际上从人类出现之后就已经开始了。只是由于同自然因素相比，人类因素的影响微乎其微，所以不曾被人们注意。但是从18世纪（1765年）工业革命开始，由于工业的迅速发展，人口的剧增，人类活动对于气候的影响，才开始引起人们的关注。

 

目前，专家们认为影响气候变化的人类活动，主要包括：（1）砍伐森林，开垦荒地，（2）扩大城市范围，（3）开发工业区，（4）燃烧大量化石燃料，等等。气候学家们认为，应该清醒地看到和承认，人类对于气候变化的研究还刚刚起步，研究资料不足，模式还不清晰，很多问题尚无法定论或存有争议，需要进一步的科学研究。

 

5. 地表气温的变迁

目前，我们所说的气候变化，主要是指地球表面的平均气温的涨落或者波动。迄今为止，地球上的气候自始至终都在不停地变化。气候变化具有周期性和波动性的基本特征，包括偶然性和突发性的波动。在漫长的气候史上，地球气候经历过冷暖交替的冰河期和间冰期的巨大的变化。在最冷的冰河期里，地球表面的平均气温比现在约低7–9 °C；在最温暖的间冰期里，平均气温比现在约高8-12 °C。

 

6. 结语

 

地球上的气候自始至终都在不停地变化，专家们对此没有异议。但是对目前全球的气候变暖，还是变冷，变化的幅度有多大，却有分歧。一些科学家们认全球气候正在变暖, 另外一些科学家们则认为今后的气候不会变暖。还有一些科学家们认为，目前地球上一些地方的气候在变暖，然而另外一些地方的气候却在变冷。至于气候变化的原因，分歧就更大了。

根据迄今为止的科学发展水平，我们可以认为，大自然的力量仍然是影响全球气候变化的主要因素。人类活动究竟对气候变暖有多大的影响，在科学上还不可能给出准确的答案。地球气候是一个很复杂的系统，影响气候变化的因素是十分复杂的。气候变化问题，需要科学家们做出长期不懈的努力，付出艰辛的劳动，进行认真地探索和研究，才有可能得到令人信服的科学结论。

 

参考文献

 

[1] 潘守文，现代气候学原理[M]，北京：气象出版社. 1994：  723-808

Pan Shou Wen. Modern Climate Principle[M]. Beijing: Meteorological Press, 1994: 723-808

[2] 佩索托•何赛 P., 阿伯拉罕 H. 奥特. 气候物理学. 气象出版社，北京 1995。14-23

Peixoto, José. P. and Abraham H. Oort. Physics of Climate. 1992 AIP Press 1992. 14-23

[3] 丸山茂德.二氧化碳并非全球变暖的罪魁祸首。 [日本]选择. 2008（4）

Wanshanmaode. Carbon Dioxide Really do not be the Chief Culprit of Climate Warming[J].  [Japan] Selection  2008(4)

[4] 王明星. 全球气候变化：我们究竟知道多少？[N]. 中国科学报，1998年1月19日，第3版

Wang Mingxing. Global Climate Change: What Do We on Earth Know?  China Science News Paper 1998 Jan. 19 : (3)

[4] IPCC第一次气候变化评估报告 [R]. 世界气象组织/联合国环境规划署 - 政府间气候变化专门委员会（IPCC）. 纽约 1990

IPCC First Report on Assessment of Climate change[R]. WMO and UNEP, Intergovernmental Panel on Climate Change，New York. 1990

 

关键词：地球，气温，大气, 热效应，温室效应，经典物理，理论依据，自然因素，人类影响