Земная радиация представляет собой электромагнитное излучение, испускаемое поверхностью Земли, атмосферой и облаками в результате их теплового состояния. В отличие от солнечного излучения, которое сосредоточено в диапазоне коротких волн (ультрафиолет, видимый и ближний ИК), земная радиация излучается преимущественно в длинноволновой инфракрасной области спектра (от ~4 до ~100 мкм), что обусловлено сравнительно низкой температурой излучающих тел (в среднем 288 К).
Согласно закону Планка и закону смещения Вина, максимум спектральной плотности мощности излучения при температуре поверхности Земли приходится на длину волны около 10 мкм. Таким образом, земная радиация часто обозначается как длинноволновая радиация (longwave radiation), в отличие от солнечной коротковолновой радиации (shortwave radiation).
Земная радиация состоит из двух основных компонентов:
Излучение подстилающей поверхности (земной поверхности и океанов) – обусловлено тепловым излучением твердых и жидких тел, обладающих собственным тепловым балансом. Это излучение близко к спектру абсолютно черного тела с температурой, соответствующей температуре поверхности.
Излучение атмосферы (в том числе облаков) – газы атмосферы, обладающие поглощающей способностью в инфракрасном диапазоне, также испускают излучение, определяемое их температурой и спектральными характеристиками. Наибольшее значение имеют водяной пар (H₂O), углекислый газ (CO₂), озон (O₃), метан (CH₄) и закись азота (N₂O).
Облака также играют важную роль: они испускают длинноволновое излучение в направлении как к поверхности Земли, так и в космос, действуя как эффективный источник и поглотитель.
Спектр земного излучения в значительной мере поглощается атмосферой. Однако в диапазоне 8–13 мкм существует так называемое атмосферное окно – участок спектра, в котором атмосфера относительно прозрачна для инфракрасного излучения. Это окно позволяет части земного излучения беспрепятственно покидать атмосферу и излучаться в открытый космос.
Наиболее активные полосы поглощения приходятся на:
Таким образом, спектральный состав излучения, покидающего атмосферу, значительно отличается от спектра, испускаемого самой поверхностью.
С увеличением высоты температура воздуха убывает (в тропосфере), что приводит к уменьшению интенсивности инфракрасного излучения, исходящего из верхних слоев атмосферы. Поскольку излучательная способность газа пропорциональна его температуре, основное излучение в космос осуществляется с уровней, на которых оптическая толщина атмосферы по соответствующим длинам волн становится порядка единицы.
На высотах, где плотность водяного пара и других поглощающих компонентов значительно снижена, излучение в инфракрасном диапазоне становится все более эффективным. Это важный фактор, ограничивающий тепловое излучение планеты и определяющий равновесие в радиационном энергетическом обмене.
На глобальном уровне земная радиация является важнейшей частью энергетического баланса планеты. Суммарное излучение Земли в космос должно в среднем уравновешивать приходящую солнечную радиацию, поглощаемую системой “Земля – атмосфера”. Это условие радиационного равновесия позволяет стабилизировать среднюю температуру планеты.
Выход земной радиации в космос (outgoing longwave radiation, OLR) зависит от:
Типичные значения OLR составляют около 235 Вт/м², при этом величина варьирует в зависимости от широты, сезона, облачности и типа поверхности.
Облака, в зависимости от их высоты и физической структуры, по-разному влияют на земное излучение:
Высокие облака (например, перистые) – излучают в космос при низкой температуре, что снижает OLR и оказывает положительное радиационное воздействие (warming effect).
Низкие облака (например, слоистые) – обладают высокой эффективностью поглощения и излучения и излучают при температуре, близкой к поверхности, тем самым снижая теплопотери Земли в космос.
В целом облака увеличивают обратное длинноволновое излучение к поверхности (downward longwave radiation), что способствует усилению парникового эффекта.
Поглощение и переизлучение длинноволнового излучения парниковыми газами является основным физическим механизмом естественного парникового эффекта. Атмосфера задерживает часть излучения, которое в противном случае покинуло бы Землю, тем самым повышая среднюю температуру поверхности.
Энергия, испускаемая атмосферой вниз, представляет собой эффективную радиационную обратную связь, и она зависит от температуры, содержания влаги и состава газов. Процессы поглощения и излучения в атмосфере описываются уравнениями радиационного переноса, которые учитывают:
Для количественного анализа используются модели, включающие дискретизацию по спектральным каналам, моделирование вертикального профиля температуры и оптических свойств атмосферы.
Измерения земного длинноволнового излучения осуществляются как с поверхности, так и из космоса:
Наземные радиометры (пиргеометры) измеряют нисходящее излучение атмосферы на уровне земли, позволяя оценить эффективность радиационного охлаждения в ясные и облачные ночи.
Спутниковые радиометры фиксируют исходящее длинноволновое излучение (OLR) на верхней границе атмосферы. Эти данные критически важны для изучения глобального радиационного баланса, мониторинга климата и валидации климатических моделей.
Инфракрасные спектрометры на спутниках позволяют анализировать спектральную структуру излучения и оценивать концентрации парниковых газов, выявляя региональные особенности излучения.
Долговременные изменения в составе атмосферы, особенно повышение концентраций CO₂, CH₄ и других парниковых газов, вызывают уменьшение пропускной способности атмосферы в инфракрасном диапазоне, что снижает эффективность излучения энергии в космос и приводит к увеличению средней температуры планеты.
Этот процесс лежит в основе антропогенного изменения климата, и наблюдаемое уменьшение OLR на некоторых длинах волн уже подтверждено спутниковыми данными.
Механизмы обратных связей, включая усиление испарения и рост водяного пара, облачности и альбедо поверхности, существенно влияют на общий радиационный баланс и остаются предметом активного научного исследования.