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气象课堂:大气升温来自地球表面?不是来自太阳么?

来源:windy作者:windy 
文章附图

        为什么我们说'空气是由地球加热的,而不是由太阳光加热'?


        在气象课堂中,我们经常重复“空气升温来自被阳光加热的地球表面”。但是为什么我们如此重视地球表面,难道不应该是太阳直接加热空气吗?让我们把事情搞清楚。真的,这是我们最难写的话题之一。我们会一如既往地用简单的语言解释一切。


        首先,简单地说结论:

        太阳光同时加热地球和大气。但是作为接收热能更多的 地球,它的温度更高,将会与大气共享这部分热量。


        现在,让我们来探索更多细节:

        开始之前,我们需要回忆两件事:什么是光?什么是热?


什么是光?

        我们看到的一切都是由具有不同性质的难以想象的小粒子组成的。光也不例外。光的粒子表现得像波。


        “光的粒子表现得像波,”这是什么意思?


        这意味着当一个粒子移动时,它会振荡,不是从一个位置跳到另一个位置,而是好像它同时出现在振荡发生的所有地方。粒子波振荡的两个极端位置之间的距离称为波长。


        当然,这是对复杂量子现象的一个非常粗略的简化,但目前这个解释对我们本堂课程来说已经足够了。


        具有不同能量(=不同振荡频率)的轻粒子具有不同的波长。波长决定了我们是否能看到这种光以及它的颜色。本篇后部   关于太阳 的章节对于散色:为什么天空是蓝色”的进行了描述。


        顺便说一下,这些光粒子被称为光子。当一个光子击中某个物体时,通常这个物体可以吸收光子,并将其转化为热量,也就是说,加热。这就是我们从阳光中获取热量的方式:光子到达我们身边并被吸收。(读到这里,你是不是想到了微波炉?)


        光这部分,它看起来很清楚了,是吧,但什么是热?


        我们周围的一切,包括我们自己,都是由分子组成的。热量只是物质内部分子运动或振荡速度的一种量度。热总是从一个较热的物体传递到一个较冷的物体,因为当一个快的分子与一个慢的分子碰撞时,它的能量会加速这个慢的分子。


        任何温度高于绝对零度(零下273摄氏度)的物体都会发射光子,这些光子大部分是人眼看不见的,但如果物体达到非常高的温度,它们就会变得可见——比如说,一块红热的金属。

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        空气分子也不例外。当被加热时,它们还会发射出周围物体可以吸收的不可见光子,从而变得更热。


        关于太阳


        太阳发出的光的波长非常不同-所有的颜色在同一时间发出,只有少部分能被人类的眼睛看见,更多的甚至在我们尚不可见的范围


        不同的光子在大气中的行为也不同。这也是由于地球大气层由不同的粒子组成的事实:主要是氮、氧和臭氧的原子,还有水蒸气和其他雾化粒子——气溶胶。


        还记得光子振动吗?构成空气的粒子也会以不同的方式振动(取决于它们所用的物质)。所以,空气颗粒振动。光子振动。振动的频率决定了它们碰撞时的行为。


        光子从太阳飞走了。一个原子,例如臭氧,挡住了它的去路。如果光子的振动频率与臭氧的振动频率相同或接近,就会发生两种情况。第一种是吸收:光子被“卡”在粒子中,它吸收了它的能量——换句话说,它会变热。一般来说,地球接收到的所有太阳辐射中约有23%被大气吸收。


        例如,臭氧是大气中最能吸收太阳最危险的紫外线辐射的物质,而这些光子几乎无法到达地表。这就是为什么人们经常谈论保护臭氧层的重要性。


        第二件事是散射:光子的振动与空气粒子的振动共振(读到这里是不是像个科学绕口令?有点饶舌,但我们慢慢的多读几遍就理解了)。然后原子本身开始在它周围的各个方向发射光,即它所吸收的波长的光。


        正是由于散射,所以我们的天空是蓝色的(因为空气粒子散射蓝色光子最明显)。总的来说,大约26%的太阳辐射是散射的。


        但是,即使这样,地球表面接收到的光子也没有消失:大约29%的入射阳光被反射回太空——不仅被大气层反射,而且还被地球表面本身反射。当光和它遇到的粒子以非常不同的频率振动时,就会发生这种情况,材料的结构阻止光像穿过玻璃一样简单地穿过它。在这里我们将不进行更详细的展开,未来在一个关于镜像属性的单独主题进行讨论。


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        新鲜的白雪最反光(这是为什么我们登雪山要防止雪盲的原因)。云层反射的光略多于50%,干燥的沙子——高达40%,全球的海洋——5%到20%。根据土壤类型的不同,土壤反射光的比例从5%到30%。


        你马上就能看到-所有的光都被反射了


        但是,尽管有这些损失,包括吸收、散射和反射,地球仍然接收和吸收高达48%的入射阳光。大部分散落在大气中的光仍然落在地球上,这是有帮助的。


        结果表明,太阳能够同时加热空气和地球,但是地球接收到更多的太阳热量,并且比大气更热,因为地球表面接收到更多的光子。作为一个温暖的物体,地球将热量传递给一个较冷的空气粒子。这就是为什么我们说空气被地球表面加热。