3.1.2　气候系统的驱动力

3.1.2　气候系统的驱动力

从根本上说，地球气候系统的运转过程都是有关地球吸收了多少太阳能，以及这些能量是怎样以红外辐射的形式被重新发射回太空的。由于地球系统得到的能量和失去的能量相等，所以，地球系统随时间基本上是稳定的。我们对气候系统的大部分认知都建立在19世纪末人类科学发现的基础上，这些发现包括关于电磁辐射的发射和吸收的基本物理定律，以及这些定律是如何与入射和出射的太阳辐射相联系的。

太阳辐射是地球的最主要的能源，也是地球大气中各种物理化学过程的总能源。从太阳辐射来的电磁波，其大部分能量分布在波长0.2～4μm的范围内，在0.5μm处辐射最强，其中大约有一半集中在可见光区域；而地球所发出的电磁波是红外线，其波长范围为4～100μm（图3.2）。太阳发射的辐射能随着距离的增加而减弱，地球接收的太阳辐射量平均为1 370W/m²（太阳常数）。因为地球是球形的，所以平均每平方米接受的辐射通量只是这个值的四分之一，即大约342W/m²。

图3.2　太阳和地球所产生的黑体辐射（黄荣辉，2005）

我们可以计算地球将要在任何给定的温度上发射多少能量给太空才能与入射的能量相平衡。在这样做的时候，我们必须假设地球只吸收了大约70%的太阳辐射（其余的被反射回太空了）。理论上，地球表面的平均温度估计是-18℃，比观测值（约15℃）低得多。形成这种差异的原因就在于地球的大气层，它本身既吸收辐射，也重新发射辐射，自然温室效应对确定地球表面和大气的温度起着重要的作用。

地球大气对辐射能的吸收存在很大差异。具体而言，入射的太阳辐射中，波长较短的紫外辐射被平流层的臭氧所吸收，波长较长的辐射被低层大气中的水汽和二氧化碳所吸收，接近一半的太阳辐射被地面吸收。地球表面和大气主要是在中红外波段辐射能量，所发射的长波地球辐射的量随温度升高而增多。主要的大气成分（氮气和氧气）并不吸收红外辐射，大气的辐射性质主要是由水汽、二氧化碳和臭氧等来决定的。每一种成分都因其分子光谱而具有一系列独特的吸收和发射性质，意味着大气只在某些波长附近强烈地吸收地球辐射，而在其他波段则是透明的。对大气透明的波段就像是一个“窗户”，因为地表和云在这些波段发射的地球辐射未经衰减就由地球系统逸出，进入太空。

图3.3　地球的能量收支（IPCC，2007）

第二章内容中已经讲到，入射太阳辐射和出射地球辐射的总的效果是，赤道地区有净的能量收入，高纬地区有净的能量支出。为了平衡这些盈亏，大气和海洋就必须从赤道向两极地区传输能量。在中低纬度，主要是由海洋环流把低纬度的多余热量向较高纬度输送，到了中纬度，通过海—气之间的强烈热交换，把相当多的热量输送给大气，再由大气环流的特定形势和活动将能量输送向更高纬度。赤道与极地之间的辐射不平衡就成了气候系统最基本的驱动力。