Maan säteilytasapaino

Maahan tuleva säteily

Aurinko säteilee ilmakehän ulkorajalla neliömetriä kohden noin 1368 W/m². Tätä lukua sanotaan aurinkovakioksi. Se muuttuu hieman Maan kiertäessä radallaan, jolloin se vaihtelee keskiarvoistaan molempiin suuntiin 3.3 % eli välillä 1350-1390 W/m2.
Koska Maapallo on pyöreä ja ilmakehä absorboi osan auringonsäteilystä, Auringosta maahan saapuva säteilyteho on suurimmillaan noin , missä  on  zeniitissä olevan Auringon kuivan ja kirkkaan ilmakehän läpäisemän säteilytehon maksimiarvo eli n. 1000 W/m² ja  on Auringon korkeuskulma horisontin yläpuolella, jonka suurin arvo on joko 90° tai kääntöpiirien ulkopuolella [(90° + 23.5°) - |leveysaste|]. Suomessa säteilyteho on suurimmillaan n. 800 W/m² (Etelä-Suomessa keskipäivällä kesäpäivänseisauksen aikaan). Käytännössä kuitenkin maanpinnalle tuleva säteilymäärä on aina huomattavasti pienempi kuin edellä laskettu maksimiarvo.
Yhteensä koko Maan alalle saapuu säteilyä 174 petawattia. Yleensä Maan säteilytasapainoa koskevissa laskelmissa tämä säteily jaetaan tasaisesti koko maapallolle, jolloin saadaan noin 342 W/m². Koska maapallo on pallon muotoinen, napa-alueille osuu pinta-alayksikköä kohti vähemmän säteilyä kuin päiväntasaajalle.
Maan ilmakehän ulkorajoille tulevasta säteilystä heijastuu pois 30 % eli maan albedon verran. Loppuosa eli noin 70 % menee Maan lämmittämiseen. Tästä 23 % kuluu veden haihtumiseen ja vain 47 % varsinaiseen maan, meren ja ilman lämmittämiseen.

Maasta lähtevä säteily

Maahan tulevan ja siitä lähtevän säteilyn energian välillä vallitsee tasapaino. Osa Maahan tulevasta Auringon säteilystä heijastuu suoraan pilvistä, ilmakehästä, Maan ja meren pinnasta takaisin avaruuteen. Osa lämmittää ilmakehää, maata ja vesistöjä. Kasvihuoneilmiö on syynä Maan säteilemän lämpösäteilyn varastoitumiseen ilmakehään. Ilman kasvihuoneilmiötä maapallon keskilämpötila olisi noin -18 °C nykyisen +15 °C:een sijasta. Lopulta kasvihuoneilmiön sieppaama säteily karkaa avaruuteen. Osa Auringon säteilyenergiasta muuttaa yhteyttämisen kautta elotonta materiaa biomassaksi sitoen Auringon säteilyenergiaa eloperäisiin molekyyleihin.
Maapallolle tuottaa energiaa Auringon säteilyn lisäksi myös maalämpö ja vuorovesivoimien aiheuttama kitkakuumennus. Kasvihuonekaasujen eli esimerkiksi hiilidioksidin, metaanin ja halonien lisääntymisen on arvioitu muuttaneen Maan lämpötaloutta 2,4 W/m². Maa lämpenee kasvihuoneilmiön voimistumisen vuoksi, koska yhä enemmän Maan säteilemästä lämpösäteilystä jää ilmakehään.

Kaasukehän osuus

Mittana on tässäkin aina Auringon Maahan tuleva säteily pinta-alayksikköä kohti eli 342 w/m2, joka on 100.
Vesihöyryyn, otosoniin ja hiilidioksidiin imeytyy 19 %. Kirkas taivas hajottaa avaruuteen 3 % Maahan tulevesta Auringon säteilystä ja Maan pintaan imeytymään toiset 3 %. Pilvet sirottavat 25 % avaruuteen ja 12 % Maahan. Pilviin imeytyy 4 %. Toisaalta pilvien emissio avaruuteen on 8 %. ja kirkkaan taivaan emissio avaruuteen 55 %.

Pitkäaaltoisen säteilyn tase

Kaasukehän pilvistä imeytyy pitkäaaltoista säteilyä pintaan 52 % ja kirkkaan taivaan säteilyn kautta 46 %. Pinnasta menee pitkäaaltoista säteilyä pilvien kautta ilmakehään 57 % ja kirkkaan taivaan kautta 51 %.

Haihdunta ym

Haihdunta vie pinnasta ilmakehään 25 %  Näin pinnan säteilytase on 30 % postitiivinen, kaasukehän 30 % negatiivinen.

Pintaan saapuva ja siitä lähtevä säteily

Suorasta säteilystä imeytyy pintaan 31 %. Pintaan saapuu pilvien sirottamasta säteilystä 12 % ja kirkkaan taivaan sirottamasta 3 %. Pinta säteilee suoraan avaruuteen 3 %, haihduttaa latentiksi lämmöksi 25 %, siirtää turbulenssin kautta ilmakehään 5 %, ja pitkäaaltoisen säteilyn puolella pilviin menee 57 % ja kirkkaaseen taivaaseen 51 %.

Maanpinnalle tulevia kokonaissäteilymääriä

Maapallolle tulee noin 170 000 TW, josta lämmittämiseen menee 70 %, eli 23 % haihduttamiseen ja 47 % ilmakehän, maan ja meren lämmittämiseen. Maasta heijastuu 50 000 terawattia eli 30 %. Tuulet, aallot ja merivirrat kuluttavat 0,2 % eli 400 terawattia. Fotosynteesi kuluttaa 0,002 % eli 40 terawattia.

Maan albedo

Maa heijastaa noin 100 W/m² saamastaan 342 W/m² säteilystä pois, ja näin ollen Maan albedo on hieman yli 30 %. Albedomuutoksiin vaikuttavat muun muassa pilvet, jää, kasvillisuus ja ilmakehässä leijuva pöly.

Ilmakehän läpäisy

Ilmakehän läpäisy kirkkaalla ilmalla riippuu paikkakunnan leveysasteesta ja korkeudesta merenpinnatsa. Napa-aluaiden lähellä säteet joutuvat auringon paistaessa matatalta kulkemaan pitkän matkan ilmakehässä. Toisaalta korkealla vuoristossa ilma on ohuempaa eikä estä niin tehokkaasti Auringon suoraa säteilyä.

Pilvisyyden vaikutus

Pilvisyys vähentää Maan pintaan tulevan suoran auringonsäteilyn määrää, mutta toisaalta lisää ilmakehän vastasäteilyn määrää. Näin ollen täysin pilvisenä päivänä lämpötilan vaihtelut ovat melko tasaisia verrattuna pilvettömään päivään. Kirkkaalla ilmalla noin 80 % Auringon säteilystä saavuttaa Maan pinnan. Ilmakehä sirottaa pois 5-6 % ja ilma ja pöly imevät 14-15 %. Pilvisenä päivänä Maan pinnalle saapuu vain 0–45 % suorasta Auringon säteilystä, koska pilvistä heijastuu pois 30–60 % ja pilviin imeytyy 5–20 %. Pilvisenä päivänä 80% Auringon säteilystä saattaa olla hajasäteilyä, mutta kirkkaana vain 20%. Toisen arvion mukaan hajasäteily on kirkkaalla 30%, puolipilvisellä 70% ja täysin pilvisellä 100%. Tämä tasoittaa huomattavasti vuorokautista lämpötilanvaihtelua.

Maa lämmittää ilmakehää

Maa lämmittää ilmakehää alhaalta päin, koska ilmakehä lämpiää suoraan sen läpi kulkevan auringonsäteilyn vaikutuksesta erittäin vähän. Näin napaseudulla Aurinko voi paistaa kirkkaasti, mutta lumen pinnassa on -60 °C. Monesti Auringon maanpintaa lämmittävä vaikutus luo ilmakehään epävakaisuutta. Muun muassa suuri vesihöyrypitoisuus lisää ilmakehän lämpiävyyttä.

Vaihtelu

Vuorokauden aikana Auringon lähettämä tulosäteily on huipussaan keskipäivällä tai kesäajan mukaan klo 13, mutta lämpötilahuippu on kello 15-16 tai tämän jälkeen.
Vuoden aikana päiväntasaajalla lähellä Librevillen–Singaporen leveyksillä Auringon tulosäteily vaihtelee pienissä rajoissa suunnilleen 3500-4000 j cm-2 päivää kohden. Säteilyssä näkyy huiput maaliskuun alussa ja syyskuun lopussa. Helsingin–Anchorangen leveyksillä säteilee kesällä melkein 4500 J Cm-2 päivässä, mutta pimeimpinä talvikuukausina auringon säteily pienenee nollaan.

Lämmön siirtyminen leveysasteiden välillä

Maahan imeytyy vain osa siihen osuneesta Auringon säteilystä. Päiväntasaajalle imeytyy vuosittain keskimäärin noin 300 W/m², mutta se säteilee ulos vain noin 234 W/m². Näin ollen suuri määrä säteilyä kulkee pois konvektion mukana. Runsaasti lämpösäteilyä sitoutuu ilmaan ja meriin. Tällöin tuulet ja merivirrat kuljettavat niinih sitoutunutta Auringon säteilyenergiaa navoille päin lämmittäen korkeampia leveysasteita.
Navoilla on liian vähän auringon säteilyä suhteessa lämpöön ja päiväntasaajalla toisin päin. Pohjoisnavalle saapuu vain 55 W/m² vuodessa, mutta sieltä säteilee pitkäaaltoista säteilyä ulos noin 145 W/m². Etelänapa imee 55 W/m² ja säteilee ulos 170 W/m². Noin 35. pohjoisella leveysasteella sekä Maahan imeytynyt säteily että ulossäteily ovat samoja, noin 215 W/m². Joidenkin tietojen mukaan taspainoleveysaste olisi 36-37 astetta.
Helsingin leveysasteila eli 60 pohjoisella leveydellä Maahan saapuu noin 140 W/m² ja säteilee ulos 210 W/m2. Pohjois-Afrikan yllä lämpötila on noin 35 °C ja Etelänavalla noin -50 °C. Lämmön kuljetus tuulten ja merivirtojen avulla on voimakkainta 30-50 leveysasteiden tienoilla. Jos tasoittavia ilmavirtauksia ja meren virtauksia ei olisi, napaseuduilla olisi 25 °C kylmempää kuin nyt, päiväntasaajan seudulla sitä vastoin 15 °C lämpimämpää.

Säteilytasapainot eri ympäristöissä

Joissain lähteissä ilmoitetaan säteily esimerkiksi yksikkönä 1 cal/cm². Radiatiivinen lämpövuo eli Maan pinnan säteilytase R on tase pintaan imeytyneestä lyhytaaltoisesta säteilystä ja pinnan ulos säteilemästä säteilystä. LE on haihtumiseen kulunut latentti lämpö, eli tuli L:stä ja E:stä. L on veden haihduttamiseen kulunut latentti lämpö massayksikköä kohti E on haihtumisvauhti. P on lämmön siirtyminen pinnasta ilmakehään ilman virtauksen turbulenssiin liittyen. Fo on lämmön siirtyminen johonkin paikkaan sivusta.

Säteilytasapaino eri tyyppisille ympäristöille

Koko Maan pinnan säteilyenergiasta 84 % eli 66–79 kcal/cm²/v menee haihduttamiseen. Merissä haihduttamiseen menee 90 %, mutta maalla vain 54 % eli 27–50 kcal/cm²/v. Kuivimmilla alueilla haihtuminen vie vain 15–20 % pinnan säteilyenergiasta. Trooppisessa sademetsässä säteilytasapaino R on 83 cal/cm²/v ja haihduttamiseen kuluva L 64 cal/cm²/v näiden erotus H on 19. H/L on 0,3 eli haihtumisen osuus lämmön siirtymisessä pinnasta pois on suuri, koska kosteutta on paljon. Albedo a=10. Hieman kuivemmalla savannillakin R=49, L=30 ja H=19 ja a=25 ja H/L=0.6. Aavikolla todellinen haihtuminen on vähäistä. R on 53 L=6 H=47 a=35 %. H/L = 8.0. Merissä suurin osa, noin 90 % meriin imeytyvästä lämmöstä mennee haihtumiseen, ja näin ollen meret ovat hitaita lämpiämään ja viilenemään.