Maan säteilytasapaino
Maan säteilytasapaino eli Maan säteilytase tai Maan säteilytalous) on tase Maahan tulevan Auringon säteilyn ja Maasta lähtevän heijastuneen ja lämmöstä syntyvän säteilyn välillä. Auringon säteilyssä on runsaasti lyhytaaltoista valoa. Osa Maan ilmakehään saapuvasta säteilystä heijastuu suoraan pois, osa lämmittää ilmakehää, meriä ja maata. Osa tästä Maahan absorboituneesta lämmöstä poistuu Maasta pitkäaaltoisena lämpösäteilynä. Maan energiataseen muutokset aiheuttavat ilmastonmuutoksen. Jos säteilytase on positiivinen, Maa lämpenee. Jos säteilytase on negatiivinen, Maa kylmenee.
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 formula_1, missä formula_2 on zeniitissä olevan Auringon kuivan ja kirkkaan ilmakehän läpäisemän säteilytehon maksimiarvo eli n. 1000 W/m ja formula_3 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.
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.
Tuleva Auringon säteily jakautuu seuraavastiLähtevä säteilyToinen kuvausVastaavastiKokonaissäteily G on sama kuin suora säteily D plus hajasäteily H eli
Lyhytaaltoisen säteilyn taspaino Qs on suora Auringon säteily D, johon lisätään hajasäteily H, ja josta vähennetään Maasta heijastunut osuus R. Se on sama kuin kokonaissäteily G, josta vähennetään Maasta heijastunut säteyly.
eli
eli Pitkäaaltoisen säteilyn tasapaino Ql on
Kokonaissäteilytasapaino on lyhytaaltoisen säteilyn tasapaino, josta vähennetään pitkäaaltoisen säteilyn tasapaino.
Se on sama kuin kokonaissäteily G, mistä vähennetään heijastunut säteily R, ja pitkäaaltoisen säteilyn tasapaino Ql eli tehollien säteily AE.
Auringonsäteilyn laskukaava on
Maan lämpötiloihin vaikuttaa Auringon maata lämmittävä nettosäteily, joka koostuu suorasta säteilystä ja hajasäteilystä, johon vaikuttaa pinna säteilynheijastuskyky albedo. Tästä vähennetään pinnan pitkäaaltoinen ulossäteily, ja lisätään vastasäteily eli kasvihuone-ilmiön vaikutus.
Pinnan saama nettosäteily Qnetto onKoska Maa lämpiää suhteellisen hitaasti, Maan lämpötilahuippu on noin kuusi tuntua Auringon maksimikorkeuden jälkeen.
Maan säteilytasapaino kytkeytyy lämpötilaan Stefanin-Bolzmannin lain kautta. Näin ollen Maan keskilämpötila riippuu aurinkovakiosta, Maan albedosta ja emissiivisyydestä pitkäaaltoiselle lähtösäteilylle.Vakio "πr" voidaan supistaa pois
Ja lämpötila saadaan tästä yhtälöstä
Tiedetään, että Maan aurinkovakio vaihtelee 1.4%, albedo 3.3% ja efektiivinen emissiivisyys 1.4%.
Monien maa-alueiden emissiivisyys on .96 - 0.99  . mutta joillakin pienillä aavikoilla emissiivisyys on niinkin alhainen kuin 0.7.
Noin puolet Maan pinnasta on pilvien peitossa. Pilvien emissiivisyys on keskimäärin 0.5 . Käytännössä tämä luku on pienneettävä kertovalla Maan ja pilvien lämpötilojen osamaäärän neljännellä potenssilla eli (Tpilvi/Tmaa)^4
. Pilvien keskilämpötila on 258 K. Kun kaikki ilmiöt otetaan huomioon, Maan keskimääräiseksi pintalämpötilaksi tulee 285 K ja emissiivisyydeksi 0.64.
Ilmakehän ulkorajoille tulee 1366 W/m², aurinkovakion verran säteilyä, Mikä jaettuna koko pallomaisen maapallon pinta-alalle tuottaa 342 W/m²Maahan imeytynyt 70 % Auringon säteilystä voidaan jakaa näinMittana 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 %.
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 vie pinnasta ilmakehään 25 % Näin pinnan säteilytase on 30 % postitiivinen, kaasukehän 30 % negatiivinen.
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 %.
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.
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 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.
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 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.
Maa säteilee ulos säteilymäärän, joka vastaa sen keskimääräistä säteilylämpötilaa, joka on noin -20 °C. Mutta Maan keskilämpötila on noin 15 °C, koska kasvihuonekaasut kuten hiilidioksidi, metaani, otsoni, vesihöyry, halokarbonit ja eräät muut lämmittävät sitä. Ihmisen hiilidioksidi- ja muiden kaasupäästöjen aiheuttama kasvihuoneilmiö on kasvattanut Maan sieppaamaa Auringon säteilyä 2,4 W/m², mikä on noin 1 % auringon Maahan saapuvasta säteilystä.
Ilmakehän absorptio riippuu sen sisältämistä kaasuista. Lyhytaaltoista UV-säteilyä imee otsoni, pitkäaaltoista infrapunasäteilyä taas vesihöyry ja hiilidioksidi.
Kun Auringon säteilystä 50% on infrapunaa, siitä suurin osa absorboituu alemmen ilmekehän kasvihuonekassuihin jota ovat hiilidioksidi, vesihöyry jne. ilmekehän imemästä säteilystä noin 60% saapuu maan pinnalle, mikä lämmittää maata yli 30 C.
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.
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.
Joissain lähteissä ilmoitetaan säteily esimerkiksi yksikkönä 1 cal/cm. 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.
Koko Maan pinnan säteilyenergiasta 84 % eli 66–79 kcal/cm/v menee haihduttamiseen. Merissä haihduttamiseen menee 90 %, mutta maalla vain 54 % eli 27–50 kcal/cm/v. Kuivimmilla alueilla haihtuminen vie vain 15–20 % pinnan säteilyenergiasta. Trooppisessa sademetsässä säteilytasapaino R on 83 cal/cm/v ja haihduttamiseen kuluva L 64 cal/cm/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.
Maan säteilyvyöhykkeet
Vyöhyke. leveysasteTaulukossa käytetty yksikkönä kcal/cm, joka on 69.75 W/cm.
päiväntassajalla maanpinnalle absorboutuu 50% kokonaissäteilystä, mutta 60 leveysasteella vain 30%, koska ilmakehä imee osan säteilystä pois. Kun Aurinko paistaa Suomessa matalampaan, auringon säteet joutuvat kulkemaan pidemmän matkan ja ilmakehä imee säteilyä enemmän.