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.

Maahan tuleva säteily 

Aurinko säteilee ilmakehän ulkorajalla neliömetriä kohden noin 1 368 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 noin 1 000 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 noin 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.

Maan säteilytalouden karkea kuvaus 

Tuleva Auringon säteily jakautuu seuraavasti

Ilmakehästä heijastuva osa noin 23,6 %
Alustan eli maan, veden ja ilman lämmöksi muuttuva osuus
Tuuli, aallot, merivirrat ja yhteyttäminen
23 % haihtuminen

Lähtevä säteily

Ilmakehän lämpösäteily avaruuteen
Alustan eli maan, veden, jään jne. pitkäaaltoinen lämpösäteily avaruuteen

Toinen kuvaus

Ilmakehän ulkorajoille tulee Auringosta verran noin 340 W/m² eli 100 %
Ilmakehästä heijastuu 25 % ja imeytyy osa 25 % säteilystä, muun muassa UV-säteilyä
Maan pinnasta heijastuu noin 5 %
Maahan pääsee 45 %

Vastaavasti

 haihtumiseen kuluu 30 %
 Maan ja veden yms. pinta säteilee ulos 115 %
 Kasvihuoneilmiön takia ilmakehä heijastaa ja imee ja säteilee Maasta karkaavasta säteilystä takaisin 100 %, ja 10 % pääsee ilmakehästä läpi avaruuteen
Ilmakehän läpi pääsee ja se säteilee ulos 60 %

Maan säteilytasapainon yhtälöt 

Kokonaissäteily G on sama kuin suora säteily D plus hajasäteily H eli 

G=H+R.

Lyhytaaltoisen säteilyn tasapaino 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 säteily. 

Qs = G - R 

eli

 D + H - R 

eli 

Qs=G-(1-a)

 G = kokonaissäteily
 D = suora säteily
 H = hajasäteily eli diffuusi säteily
 R = kokonaissäteilyn maasta ym. heijastunut osuus, noin 4 %.
 a = albedo eli pinnan säteilynheijastuskyky, jolloin (1-1) on pintaan imeytynyt säteily.

Pitkäaaltoisen säteilyn tasapaino Ql on

Ql = AE = AO - AG 

AE = tehollinen eli efektiivinen säteily, sama kuin 'Ql
AO = säteily Maan pinnalla
AG = Maan sieppaama säteily eli kasvihuoneilmiö

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 tehollinen säteily AE.

Qt = Qs - Ql = G - R - AE 

Auringonsäteilyn laskukaava on

I = Iimeytynyt+Ihajasäteily+Iilmakehän vastasäteily+Ikarkaava pitkäaaltoinen säteily

Nettosäteily lämmittää maata 
Maan lämpötiloihin vaikuttaa Auringon maata lämmittävä nettosäteily, joka koostuu suorasta säteilystä ja hajasäteilystä, johon vaikuttaa pinnan säteilynheijastuskyky albedo. Tästä vähennetään pinnan pitkäaaltoinen ulossäteily, ja lisätään vastasäteily eli kasvihuoneilmiön vaikutus.

Pinnan saama nettosäteily Qnetto on

Qnetto = (D + H)(1 - a) - AO + AG 

 jossa

D suora Auringon säteily
H hajasäteily
a albedo
AO Maan pinnan pitkäaaltoinen ulossäteily
AG ilmakehän vastasäteily eli kasvihuoneilmiö

Koska Maa lämpiää suhteellisen hitaasti, Maan lämpötilahuippu on noin kuusi tuntua Auringon maksimikorkeuden jälkeen.

Maan säteilytasapaino ja lämpötila 
Maan säteilytasapaino kytkeytyy lämpötilaan Stefanin-Bolzmannin lain kautta. Näin ollen Maan keskilämpötila riippuu aurinkovakiosta, Maan albedosta ja emissiivisyydestä pitkäaaltoiselle lähtösäteilylle.

 S  on aurinkovakio, noin 1368 W·m-2
  on Maan keskimääräinen albedo, mitattu 0.3    
 r on Maan säde,  6.371×106m
 π on piin arvo, noin 3.14159
  on Stefanin-Boltzmannin vakio — joka on noin 5.67×10-8 J·K-4·m-2·s-1
  on Maan efektiivinen emissiivisyys 0.612, joka ottaa huomioon kasvihuoneilmiön

Vakio πr2  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 pienenettävä kertomalla Maan ja pilvien lämpötilojen osamäärän 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.

Maan säteilytalous, tarkka kuvaus 
Ilmakehän ulkorajoille tulee 1 366 W/m², aurinkovakion verran säteilyä, Mikä jaettuna koko pallomaisen maapallon pinta-alalle tuottaa 342 W/m²

30 % Maahan tulevasta säteilystä heijastuu välittömästi pois maapallolta eli 105 W/m²
6 % Ilmakehästä
20 % Pilvistä
4 % Maasta, vedestä ja jäästä
70 % Imeytyneestä säteilystä säteilee pois pitkäaaltoisena infrapunasäteilynä. Maa ja meri säteilevät yhteensä 469 W/m², josta ilmakehä kuitenkin palauttaa takaisin 327 W/m², ja ulos säteilee 237 W/m² tai noin 215 W/m²
64 % Pilvistä ja ilmakehästä
6 % Maasta (ja jäästä, vedestä)

Maahan imeytynyt 70 % Auringon säteilystä voidaan jakaa näin

51 % Maahan ja veteen
23 % Siirtyy Maan ilmakehään veden haihtumisessa
7 %  Nostaa ilmaa ilmakehässä
6 % Karkaa ulossäteilynä pois avaruuteen
15 % Lämmittää Maan säteilyllä ilmakehää, joka säteilee lämmön avaruuteen
19 % Ilmakehään
16 % Säteilee takaisin avaruuteen
3 % Muuttuu pilviksi, joista säteily säteilee pois ilmakehään

Kaasukehän osuus 
Mittana on tässäkin aina Auringon Maahan tuleva säteily pinta-alayksikköä kohti eli 342 w/m2, joka on 100.

Vesihöyryyn, otsoniin ja hiilidioksidiin imeytyy 19 %. Kirkas taivas hajottaa avaruuteen 3 % Maahan tulevasta 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 ja pinnan välinen vuorovaikutus

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 % positiivinen, 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 0,02 % 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 merenpinnasta. Napa-alueiden lähellä säteet joutuvat auringon paistaessa matalalta 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.

Kasvihuoneilmiö 

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 alemman ilmekehän kasvihuonekaasuihin jota ovat hiilidioksidi, vesihöyry jne. ilmekehän imemästä säteilystä noin 60 % saapuu maan pinnalle, mikä lämmittää maata yli 30 C.

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 4 500 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 niihin 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 tasapainoleveysaste olisi 36–37 astetta.

Helsingin leveysasteilla 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.

Säteilytasapaino eri leveyksille 
Maan säteilyvyöhykkeet

Vyöhyke. leveysaste

Päiväntasaajavyöhyke 0–10 positiivinen säteilytase, pienet vuodenaikavaihtelut
Tropiikki 10–25 vuodenaikavaihteluja, mutta suuri säteily
Subtropiikki 25–35
Keskileveydet 35–55 vuodenaikavaihtelut voimistuvat, säteilytase negatiivinen viim 40. leveyspiiristä lähtien
Subarktinen 55–60
Arktinen 60–75 kesä ja
Napavyöhyke 75–90 puolen vuoden kaamosyö ja valoisa vuorottelevat

Taulukossa käytetty yksikkönä kcal/cm2, joka on 69.75 W/cm2.

Päiväntasaajalla maanpinnalle absorboituu 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.

Lähteet
Erat, Bruno & Erkkilä, Vesa & Löfgren, Timo & Nyman, Christer & Peltola, Seppo & Suokivi, Hannu: Aurinko-opas, aurinkoenergiaa rakennuksiin, Samala OY, Rakennusalan kustantajat RAK. ISBN 951-664-072-9.
Kanninen, Markku (toim): Muuttuva ilmakehä. Ilmasto, Luonto ja ihminen. SILMU. VAPK-Kustannus, Helsinki 1992 ISBN 951-37-0832-2 (nid.)

Golub; Leon & Pasachoff, Jay M.: Lähin tähtemme- tutkimuskohteena Aurinko. Ursan julkaisuja 92, 2004, ISBN 952-5329-37-2.
Jantunen, Matti & Nevanlinna, Lassi: Kasvihuoneilmiö, ilmastonmuutos ja Suomi. Gummerus Jyväskylä 1980; ISBN 951-666-302-8.
Hanski, Ilkka & Lindström, Jan & Niemelä, Jari & Pietiläinen, Hannu & Ranta, Esa: Ekologia. WSOY, Juva 1998. ISBN 951-0-21981-9.
Encyclopedia Britannica, Climate and Weather, 15th Edition; Vol 16

Viitteet

Aiheesta muualla 
The Earth's Radiation Energy Balance
Joint Research Centre (JRC): Solar radiation and photovoltaic electricity potential country and regional maps for Europe 

Ekologia
Ilmasto
Säteilytasapaino