Почему Земля остывает ночью?

Он излучает инфракрасное излучение в космос.

Это происходит постоянно, не только ночью, но и днем ​​чистый поток энергии положителен, потому что количество энергии, поступающей от Солнца, намного выше.

Ситуация немного усложняется атмосферой, а это означает, что большая часть излучения, испускаемого землей, не сразу достигает космоса, а вместо этого сначала поглощается атмосферой, а затем повторно излучается в космос.

Кроме того, часть энергии сначала переносится в атмосферу путем испарения и конденсации, а затем излучается ею.

Если вы хотите узнать больше, это вводное объяснение НАСА выглядит хорошо.

На картинке (взято с сайта НАСА, на который я ссылался выше): спутниковая карта, показывающая распределение теплового инфракрасного излучения, испускаемого Землей в сентябре 2008 года) .

Поверхность Земли и атмосфера находятся в тепловом контакте с космическим пространством, механизмом передачи тепла является излучение. Благодаря этому механизму система Земля-атмосфера постоянно теряет тепло. Действительно, это основной механизм, определяющий температуру поверхности планеты без атмосферы: планета радиусом$R_\oplus$без атмосферы и освещенный звездой с интенсивностью света$I$достигнет термической устойчивости при температуре$T$состояние, когда входящий и выходящий лучистые потоки тепла равны:

где правая часть выражает перенос излучения, описываемый законом Стефана-Больцмана (без учета телесного угла, стягиваемого Солнцем),$\sigma$постоянная Стефана-Больцмана$T_{CMBR}\approx 2.7{\rm K}$– температура космического фонового микроволнового излучения, «температура космического пространства». Решая (1) для$I = 1200{\rm W\,m^{-2}}$(сила, благодаря которой Солнце освещает Землю) мы получаем$T = 270{\rm K}$. Для Земли более тщательный расчет учитывает альбедо Земли ( т . е . долю падающего излучения, которая сразу же отражается в космос и никогда не преобразуется в тепло — температура идеально отражающего шара в космосе совершенно не зависит от приходящее излучение и вульф не поглощают и не излучают, оставаясь при любой начальной температуре). Это снижает результат. Еще одним источником несоответствия является парниковый эффект, который более чем компенсирует эффект альбедо безатмосферной Земли. Но вы можете видеть, что результат соответствует температуре Земли.

Ночью, когда нет солнечного света, нагревающего атмосферу и землю, поверхность Земли и атмосфера стремятся к температуре космического пространства.$T_{CMBR}$. Тепловая инерция воздуха и земной поверхности означает, что, конечно, ночное время недостаточно продолжительно для того, чтобы температура упала примерно до нуля.$T_{CMBR}$но, как вы заметили, он немного падает, и поэтому наши ночи прохладнее.

Хотя они не настолько высокого разрешения, как могло бы быть идеальным, веб-сайт meteoblue, по-видимому, дает разумные метеограммы для станций по всему миру, показывающие компоненты энергии...

^{_{(Пример прогноза энергетического баланса, авторское право meteoblue)}}

В разделе излучения (нижняя часть многих графиков) вы можете увидеть:

• Приходящая солнечная радиация (ЮЗ вниз)... энергия солнца, которая согреет землю. Дневной процесс.
• Явное тепло ... которое представляет собой теплопроводность + конвекцию в атмосферу, о которой вы упомянули, и будет процессом охлаждения земли ... в основном в нем земля непосредственно нагревает воздух прямо над ней (теплопроводность), и это приводит к термикам/смешению (конвекции). В основном дневной процесс.
• Скрытая теплота ... часто упускаемый из виду фактор, который может быть поразительно значительным в таких местах, как Флорида (где я нахожусь). Энергия расходуется на испарение воды... и эта энергия позже выделяется в атмосферу всякий раз, когда этот пар окончательно конденсируется (или откладывается ). Так что это процесс, который также удаляет энергию с поверхности (охлаждая ее). В основном это дневной процесс (приводит к менее резкому повышению дневной температуры в морской среде, чем в пустынях).
• Восходящее длинноволновое излучение (LW up)... Земля постоянно излучает излучение, как и все тела при любой температуре ... большая его часть имеет более длинные волны, чем у Солнца, из-за более низкой температуры здесь по сравнению с там (отсюда и название). Это постоянное выделение энергии 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, которая лишь немного меняется при изменении температуры... и это процесс охлаждения.
• Нисходящее длинноволновое излучение (LW down)... составляющие атмосферы поглощают энергию (большую часть которой составляет длинноволновая энергия Земли), нагревают, а затем повторно излучают энергию в качестве собственных излучателей. Часть этого возвращается на Землю. Наиболее преобладающими переизлучателями являются парниковые газы ($H_2O$,$CO_2$, метан и т. д.) и облака (небольшой вклад также от аэрозолей (твердых частиц в атмосфере)). Это будет происходить 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, хотя несколько варьируется в зависимости от облачности, и представляет собой чистый процесс потепления на Земле.

Так типично:
в течение дня мы получаем солнечный свет, приносящий энергию, со скрытым теплом (испарение) и явным теплом (проводимость/тепло), которые также рассеивают часть быстрого прироста энергии. Затем в течение ночи у нас действительно есть только длинноволновое излучение в качестве фактора... большая часть которого возвращается на Землю.

В более засушливых районах меньше скрытого тепла в течение дня (поэтому нагревается быстрее), меньше LW вниз ночью (из-за меньшего количества водяного пара) (поэтому быстрее остывает) и, следовательно, большие колебания в целом. В приморских регионах все наоборот.

В пасмурные дни меньше солнечной радиации, но больше LW внизу. Днем меньше греет, а ночью меньше охлаждает. Так небольшие колебания в целом.

Некоторая энергия действительно передается (и излучается) вниз, в Землю. Но это должен быть долговременный уравновешенный процесс ( сочетание преимущественно суточных и годовых колебаний в пределах первых нескольких метров )... в противном случае, если бы подземелье в целом продолжало набирать энергию, это заставляло бы его продолжать нагреваться. Точно так же очень небольшое количество энергии фактически поступает на поверхность за счет проводимости (и излучения) энергии, фактически исходящей внутри Земли (из-за радиоактивного распада). Однако это крошечная сумма ( Википедия цитирует ее как 0,027% от общего бюджета ).

Этот рисунок и связанная с ним статья в Википедии дают более широкое представление обо всех направлениях обмена энергией, происходящих в атмосфере Земли, и их типичных масштабах. Чтобы полностью распространить это на поверхность, вам просто нужно добавить небольшие компоненты излучения / проводимости в подземелье и из него.