地球能量平衡原理解析与应用

究其根本，风能实际是来自于太阳能，是太阳辐射把地球加热了，才启动了地球大气的流动。

地球通过辐射与宇宙中的每个天体进行能量交换。地球附近唯一的能量来源就是太阳。太阳在地球大气表面不停地辐射j₀=1369W/m²的能量流。这些辐射能量中的一部分被直接反射回茫茫宇宙。极地冰盖和云层对反射起到关键作用，但其他非黑色的地球表面也起到一定的作用。没有被反射回去的能量用来加热地球，并推动地球的大气和海洋运动。为了与宇宙达到能量平衡，同样多的能量应该被去除。去除过程是由于地球向宇宙的热辐射实现的。太阳辐射的能量波长多在500nm附近，与太阳表面温度（5250℃)下的黑体一致。然而地球表面的热辐射最高不过10μm，为电磁光谱的红外部分，这是因为地球要冷得多。因此，太阳和地球的辐射通常分别被称作短波和长波辐射，如图11-3所示。

图11-3 地球总体能量平衡示意图

从宇宙中观测到的地球表面的温度可以从辐射平衡计算得来。太阳辐射是地球截面上捕获的能量，地球辐射面则是整个球体的表面。二者通量必须相等:

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上面的公式中引用了黑体辐射的Stefan-Boltzmann法则，其中常数σ=5.67×10^-8。常数a≈0.3是地球整体反射率。地球的辐射系数ε可以假设等于1。由此得到的平衡温度为255K，或-18℃。温室效应使这个温度升高25℃，才让地球适合生物生存。温室气体，主要是水蒸气，阻止了一部分长波辐射离开地球而抬高了温度。图11-3系统的示意了地球能量平衡这一过程。

图11-4所示，去除反射和吸收的部分后，白天的太阳辐射的净辐射被地表吸收。随着太阳辐射增强，地表温度开始升高。其中一部分热量通过传导向土地深层传递，一部分由于水分蒸发被吸收，还有一部分传导给直接接触的大气。一天之内，吸收的能量大体等于放出的能量。

图11-4 中纬度典型的地面昼夜能量平衡变化示意图

地球大气上界的太阳辐照度分布以及随时间的变化，与大气及地面能收到多少辐射能量密切相关，这是形成地球上各处气候差异的根本因素。