7.大氣的能量來源：輻射

地球的氣體層並不是靜止不動的：風吹，上升氣流和下降氣流形成，降水形成和下降。空氣中水的相變吸收或釋放瞭大量的潛熱。驅動這些過程的能量從何而來？簡而言之，就是太陽。在這一節中，我們將研究太陽能是如何穿過地球大氣層並與之相互作用的。

7.1電磁輻射的性質

幾乎所有的太陽能都以輻射的形式到達地球大氣層的頂部。在一般意義上，輻射是通過物質或真空從源處傳播出去的能量。輻射一般有兩種形式：電磁輻射(如可見光)和微粒輻射(如放射性元素釋放出的微粒)。

在這裡，我們把註意力集中在電磁輻射上，特別是在一個陽光燦爛的下午，讓你感到溫暖(或燃燒)的太陽能。所有物體隻要溫度高於絕對零度(0 )，就會發射電磁輻射。電磁輻射是一種能量形式，以電磁和磁場的形式在太空中傳播。在20世紀早期，Einsten提出輻射能量的最小單位是無質量的粒子，後來被稱為光子。

在空間中運動的光子群構成電磁波，而電磁波群構成光束。物理學傢通常把電磁波描繪成一組周期性的上下曲線，它們的形狀類似於海浪。但是從物理上講，電磁波與海浪有很大的不同。電磁波可以穿過真空傳輸能量，而且電磁波本身是看不見的，盡管儀器和我們的感官都能探測到它們。

我們可以通過指定波長、波峰之間的距離、頻率、一秒內通過空間點的波峰數來描述電磁波。電磁波有很大的波長范圍或頻率范圍。因為所有的電磁波在真空中以相同的速度傳播，光速(300,000km/s)，頻率隨著波長的減少而增加。

所有可能的波長構成瞭電磁波譜(Electromagnetic Spectrum)。物理學傢對光譜的不同部分使用不同的名稱。短波輻射包括伽馬射線、x射線和紫外線輻射，以及可見光和一些紅外輻射(紅外分為較短波長的近紅外和較長波長的遠紅外)。長波輻射包括遠紅外輻射、微波(用於雷達)和無線電波。電磁輻射所攜帶的能量取決於它的波長和頻率。短波(高頻)輻射比長波(低頻)輻射含有更多的能量。

電磁波譜

7.2地-日系統的能量平衡

7.2.1黑體輻射的概念

要理解為什麼地球的大氣層有這樣的溫度，我們必須深入研究一些物理學的背景概念。當討論電磁輻射的行為時，物理學傢描繪瞭一個假想的物體，稱為黑體(Blackbody)，它吸收所有照射在它上面的輻射。

任何被黑體吸收的輻射最終都必須以黑體輻射的形式重新輻射回太空，否則，該物體會變得非常熱。地球、太陽，以及空間中任何物體的行為都很像黑體。三個定律支配著黑體輻射的行為:

較暖的物體比較冷的物體發出更多的輻射，無論哪種波長。

一個物體所放射出的總輻射量隨著其溫度的升高而迅速增加。

當一個物體的溫度增加時，最大輻射發射的波長會向更短的波長移動。

7.2.2輻射平衡的概念

太陽表面的溫度達到5600℃，足以使地球蒸發。但是，由於太陽向各個方向發送能量，而且它離地球又那麼遠，我們的星球隻能截取到太陽總輻射的很小一部分(0.00000015%)。如果地球吸收瞭從太陽那裡獲得的全部能量，而不將其釋放回太空，地球最終會蒸發。

當然，這並沒有發生，因為地球就像任何黑體一樣，不斷地向太空重新輻射能量。隨著時間的推移，從太陽到達地球的總能量正好平衡瞭從地球重新輻射到太空的能量。在十年的時間尺度上，太陽能量到達地球的速率，一個被稱為太陽能量通量的量(Solar Energy Flux)，幾乎保持不變。

如果地球沒有大氣層，太陽能量流將導致地球保持在一個恒定的-18℃，這個溫度被稱為地球的輻射平衡溫度。

由於太陽太熱而地球太冷，到達地球的太陽輻射光譜與地球重新輻射到太空的光譜有很大的不同，這是黑體輻射定律所預測的。特別地，到達地球的太陽能主要以短波輻射的形式到達：紫外線(能使我們被太陽曬傷的輻射)、可見光(我們的眼睛能探測到的輻射)和近紅外輻射(我們能感覺到熱量但看不見的輻射)。相比之下，地球發出的輻射是長波輻射(遠紅外輻射)。

f4f190367474ef8c6510cde006ac0fde為瞭使地球處於平衡狀態，地球從太陽接收到的短波輻射必須與地球發射到太空的長波輻射相等

7.2.4大氣溫室效應

如果地球表面處於輻射平衡溫度，你就不會在讀這本書，因為生命就不會存在。幸運的是，我們地球表面的實際平均溫度(15℃)要高得多，所以液態水可以存在，生命可以繁衍。這種差異完全是由於大氣溫室效應，也簡稱為溫室效應(Greenhouse Effect)導致的。

我們經常在有關地球氣候變化的新聞中聽到溫室效應。在這裡，讓我們來探索它是如何工作的，以及為什麼它對我們的生存如此重要。

雖然地球本身就像一個黑體，但它的大氣層卻不是這樣。相反，每一種大氣氣體都有選擇性地吸收和釋放輻射，這意味著它隻吸收特定的波長，也隻發出特定的波長。為什麼大氣會表現出這種行為?

這是因為空氣中含有的分子的性質。像O2和N2這樣僅由兩個原子組成的分子，不會吸收或釋放大量的太陽輻射和地球輻射。相比之下，超過兩個原子的分子(如H2O、CO2、O3、CH4和N2O)在某些波長是極好的輻射吸收和發射體。這種行為上的差異可以追溯到暴露在輻射下分子是如何振動的。

由於大氣中各種氣體的吸收和發射特性不同，大氣對太陽和地球兩個范圍的波長都是透明的。換句話說，大氣層有兩個輻射窗口(Radiation Windows)，太陽和地球輻射可以通過這個窗口在地球表面和太空之間不受幹擾地傳遞。第一個窗口包括可見波長，第二個窗口包括某些紅外波長(允許從地球輻射逃逸回太空)。對於所有其他的波長，大氣表現出很強的吸收作用。

它將吸收的能量重新向任意方向輻射。一些再輻射的能量返回到地球表面，使地球升溫，還有一些被其他大氣分子吸收，增加瞭空氣的平均動能(即溫度)。因此，大氣層就像覆蓋在地球上的毯子，吸收輻射並阻止它逃逸到太空中。

fc1e5b52db3042e66c6e8794e07a522f不同的大氣氣體吸收不同波長的輻射。光譜的低吸收區稱為大氣窗口大氣溫室效應的簡單描述

大氣對能量的吸收和再輻射被稱為大氣溫室效應，因為大氣保留的熱量使人們想到玻璃溫室保持熱量的方式。然而，這個類比並不完美，因為真正的溫室裡的熱量無法逃逸，會被吸收。

大氣溫室效應起作用是因為太陽能可以穿過大氣層到達地面，但某些大氣分子阻止地球的紅外輻射從大氣逃逸回太空。大氣中吸收和再釋放紅外輻射的氣體被稱為溫室氣體(Greenhouse Gases)。

8.大氣中的光學效應

8.1為啥天空是藍色的？

當宇航員在月球上行走並向上看時，他們看到瞭一片漆黑的天空，盡管他們沐浴在陽光下。同樣，當他們望向巨石後面的陰影時，他們看到的也隻是黑色。相反，當你在陽光明媚的日子從地球表面向上看時，你看到的是藍天，而如果你往一塊巨石後面的陰影裡看，你仍然可以看到地面。為什麼?

藍天的存在是因為空氣分子導致光散射，這種現象發生在分子吸收可見光後立即向隨機方向重新發射。散射程度取決於相對於光波長的分子的大小。由於空氣分子相對於可見光的波長較小，短波光(紫色和藍色)比長波光(橙色和紅色)更容易散射。

當一束陽光從頭頂直接穿過大氣層時，其中的藍色波長優先地一次又一次地散射。經過這些散射事件，藍色波長從天空的某個地方到達我們的眼睛，使天空看起來是藍色的。同樣由於光的散射，一些光能進入物體背後的陰影中，所以地球上的陰影不是完全黑的。

當太陽低垂在天空中時，一束陽光要經過大氣層才能到達我們的眼睛的距離就會增加。結果，幾乎所有的藍色、綠色和黃色波長都散射回太空，隻留下紅色和橙色，這是日出和日落的顏色。

8.2海市蜃樓(Mirages)

沙漠旅行者有時會看到遠處幹枯的土地上像一個湖，波光粼粼。水手們可能會看到船隻倒掛在天空中，而極地探險者看到漂浮在地平線上的冰城堡。這樣的景象是海市蜃樓，當你接近它們時，它們就會消失。

簡單地說，海市蜃樓就是光線從物體反射後發生彎曲或折射而形成的圖像。在大氣中，物體看起來就像是出現在瞭它實際上並不存在的地方。

當接近地面的空氣相對於上面的空氣異常溫暖或異常寒冷時，海市蜃樓就會形成。當光線從密度較小的暖空氣進入密度較大的冷空氣(反之亦然)時，光線會發生折射。冷空氣層下的熱空氣層產生下蜃景(Inferior Mirage)(看到的圖像在真實物體之下)，冷空氣層的存在產生瞭上蜃景(Superior Mirage)(看到的圖像位於真實物體之上)。

在沙漠中，地面上有一層非常熱的空氣，你會在地面上看到下蜃景。由於熱空氣流動，海市蜃樓的光線閃爍，所以它看起來像水。上蜃景主要發生在北極和南極，在那裡地球表面形成瞭一層冷空氣，所以光線從較冷的空氣上升到較暖的空氣時向下彎曲。

當靠近地面的熱空氣使光線向上彎曲時，就會形成下蜃景。由於地面上的熱空氣並不是靜止的，所以海市蜃樓看起來就像波光粼粼的水；當暖空氣覆蓋在冷空氣之上，使光線彎曲時，就會形成上蜃景。通常，海市蜃樓是顛倒的

8.3炫目的大氣：色彩斑斕的光學效果

當陽光穿過含有水滴或冰粒子的空氣時，就會產生各種各樣的彩色光學現象。例如，當太陽靠近地平線時，它的光線穿過你身後的清新空氣，變成你面前的雨，你就會看到彩虹，一道弧線依次顯示出可見光的所有顏色。如果你仔細觀察，有時你會看到兩條彩虹，一條較低的叫主虹(Primary Bow)，一條較高的叫副虹(Secondary Bow)。

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請註意，副虹的顏色順序與主虹相反。彩虹的形成是光線在雨滴中反射和折射。特別地，當入射的陽光照射到雨滴的球面上時，雨滴就像一個棱鏡，把光線分成不同的顏色。然後光線從水滴背面表面的內部反射出來，當它離開水滴時再次折射。副虹中的光會經歷一次額外的反射。

許多其他較少被觀測到的光學現象在大氣中局部發展。例如雲虹彩(Cloud Iridescence)：當光線穿過薄雲時看到的閃爍色帶；光環(Glory)：從上空觀看時，雲層頂部環繞飛機陰影的一系列彩色環；暈或弧：當光線以低角度穿過薄薄的冰晶雲或霧時，就會形成光和顏色的圓圈和拱形。所有這些現象都與光線通過空氣中的水滴和冰晶的方式有關。