8
\ begingroup美元

我认为(在最简单的模型中)地球在排放N美元光子每单位时间,某个比例$ p $撞击一个温室气体粒子,将有可能重新排放回地球$ 0.5美元.因此,温室气体颗粒越多,体积就越大$ p $将会是,地球将会更热。

对于一个改进的模型,我认为大气更像一个连续的介质,光子在粒子之间反弹并加热它们。在这种情况下,是否有一个简单的类比,或者可能是一个1维微分方程模型(比如通过介质的热流)?热在物质中的扩散行为是否与辐射在大气中的传播方式相似?

我感兴趣的是简单、容易理解和大致准确的模型来理解温室气体。

\ endgroup美元
3.
  • 3.
    \ begingroup美元 你是特别想要一个基于粒子的方法,还是一个简单的模型来量化温室效应就足够了?如果你坚持基于粒子的方法,一般的想法是,对于短波辐射,你只考虑散射和吸收,而对于长波辐射,你忽略散射,但考虑发射。这可以用Schwarzschilds方程来实现,该方程模拟了光谱亮度的变化[$\text{W}\cdot \text{sr}^{-1}\cdot \text{m}^{-2}\cdot\mu\text{m}^{-1}$],你可以把大气想象成无限多块平板。 \ endgroup美元
    - - - - - -Joscha Fregin
    2022年5月28日7点58分
  • \ begingroup美元 我对更高层次的抽象感兴趣,如果它们在物理上有说服力和教育意义的话。你知道史瓦西方程好的/基本的表述吗? \ endgroup美元
    - - - - - -Zinklestoff
    2022年5月28日17:04
  • 1
    \ begingroup美元 是的,一维方程是可以存在的。它将有一些蒙混因素来平均云层,纬度,昼夜变化等,但它当然可以(并且已经)写。比如维基百科理想温室模型 \ endgroup美元
    - - - - - -uhoh
    2022年5月29日1:34

1回答1

2
\ begingroup美元

我的回答集中在一个“简单易懂、大致准确的理解温室气体的模型”上。这与你的问题的评论中使用的模型是一样的。

理解温室效应的最基本模型是基于辐射平衡的。入射的太阳辐射与射出的(长波)辐射相平衡。从能量的角度来说:在大的时间尺度上,输出的能量必须等于输入的能量。

一个面向太阳的单位正方形在大气的顶部接收$S_0 \约1360美元$ {W} \ \文本文本{m} ^ {2} $,S_0美元太阳常数.受到太阳辐射的区域是一个以地球为半径的圆盘r美元.因此,地球接收到的能量/时间是$E_I = S_0\ r^2$.部分辐射被反射(见反照率收益率),$E_I = S_0(1-\alpha)\ r^2$,\α美元就是反照率。地球的反照率在附近$\alpha = 0.3$

如果我们把地球想象成黑体没有大气,我们可以用斯蒂芬玻尔兹曼定律来估计放射出的能量为$E_O =∑T_s^4 4 \ r^2$,斯蒂芬玻尔兹曼常数$\sigma = 5.67 \times10^{-8}$$ {W} \ \文本文本{m} ^{2} \文本{K} ^ {4} $地表温度T_s美元.之所以出现因子4,是因为我们需要考虑地球的整个表面(我解释了为什么这是一个合理的假设).

由于能量需要平衡,我们可以将其等同$ e_i = e_o $解出T_s美元这将让我们了解温室效应到底有多严重。

{方程}T_s = \ \开始离开(\压裂{S_0(1 -α)\}{4σ\}\右)^{\压裂{1}{4}}\大约255 \ \文字{K} \大约-18°C{} \ \文本结束{方程}

我们观察到,我们估计的温度比地球的平均温度要低得多{C} $ $ 15°\文本$288.15 \, \text{K}$.这相当于温室效应约为美元\σ(288 ^ 4 \文本{K} ^ 4 - 255 ^ 4 \文本{K} ^ 4) \大约150 \ \文字{Wm} ^ {2} $.这是地球因大气而接收到的能量/时间/单位平方的量。

我们可以通过在问题中添加大气层来改进模型,但我认为这抓住了本质。

\ endgroup美元
2
  • \ begingroup美元 这是对温室气体影响的一个很好的量化解释。在这个等式中,生物体内长期储存的能量和来自地核的能量是否微不足道? \ endgroup美元
    - - - - - -Zinklestoff
    2022年6月2日4:53
  • \ begingroup美元 是的,实际上海洋作为一个散热器是一个主要因素,必须在更精细的(玩具)模型中考虑。我从来没有读到过有人在他们的考虑中包括地核(这并不意味着很多。我的知识仅限于几门大学课程),然而,在气候模型中,岩石圈的能量通量被考虑在内。我会在周末有时间的时候试着修改我的答案。 \ endgroup美元
    - - - - - -Joscha Fregin
    2022年6月2日10:12

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