الإشعاع الموجي الطويل الصادر

في علم المناخ ، يُعرف الإشعاع طويل الموجة ( LWR ) بأنه إشعاع حراري كهرومغناطيسي ينبعث من سطح الأرض وغلافها الجوي وسحبها. ويُشار إليه أيضًا بالإشعاع الأرضي . يقع هذا الإشعاع في الجزء تحت الأحمر من الطيف، ولكنه يختلف عن الإشعاع قصير الموجة (SW) القريب من الأشعة تحت الحمراء الموجود في ضوء الشمس. ^{[ 1 ] : 2251}

الإشعاع الموجي الطويل الصادر ( OLR ) هو الإشعاع الموجي الطويل المنبعث إلى الفضاء من أعلى الغلاف الجوي للأرض. ^{[ 1 ] : 2241} ويُشار إليه أيضًا بالإشعاع الأرضي المنبعث . يلعب الإشعاع الموجي الطويل الصادر دورًا هامًا في تبريد الكواكب.

يتراوح طول موجات الإشعاع طويل الموجة عمومًا بين 3 و100 ميكرومتر (ميكرومتر).  ويُستخدم أحيانًا حد فاصل قدره 4 ميكرومتر للتمييز بين ضوء الشمس والإشعاع طويل الموجة. أقل من 1% من ضوء الشمس له أطوال موجية أكبر من 4  ميكرومتر. أما أكثر من 99% من الإشعاع طويل الموجة الصادر فله أطوال موجية تتراوح بين 4  و100  ميكرومتر. ^{[ 2 ]}

يُقاس تدفق الطاقة المنقولة بواسطة الإشعاع الموجي الطويل الصادر عادةً بوحدة الواط لكل متر مربع (واط/ م² ⁾ . في حالة تدفق الطاقة العالمي، تُحسب قيمة الواط/م² ^{بقسمة إجمالي تدفق الطاقة على سطح الكرة الأرضية ( مقاسًا بالواط )} على مساحة سطح الأرض ^{، وهي} 5.1 × 10¹⁴ م² ( ^5.1 × ^{10⁸ كم²} ؛ 2.0 × 10⁸ ميل² ⁾ . [ 3 ^]   

يُعدّ انبعاث الإشعاع الموجي الطويل الصادر الطريقة الوحيدة التي تفقد بها الأرض طاقتها إلى الفضاء، أي الطريقة الوحيدة التي يبرد بها الكوكب نفسه. ^{[ 4 ]} ويُشغّل التسخين الإشعاعي الناتج عن امتصاص ضوء الشمس، والتبريد الإشعاعي إلى الفضاء عبر الإشعاع الموجي الطويل الصادر، المحرك الحراري الذي يُحرّك ديناميكيات الغلاف الجوي . ^{[ 5 ]}

يحدد التوازن بين الإشعاع الشمسي الصادر (الطاقة المفقودة) والإشعاع الشمسي الوارد قصير الموجة (الطاقة المكتسبة) ما إذا كانت الأرض تشهد احترارًا أو تبريدًا عالميًا (انظر ميزانية طاقة الأرض ). ^{[ 6 ]}

يشكل الإشعاع الموجي الطويل الصادر (OLR) عنصرًا حاسمًا في ميزانية طاقة الأرض . ^{[ 9 ]}

ينص مبدأ حفظ الطاقة على أن الطاقة لا تظهر ولا تفنى. وبالتالي، فإن أي طاقة تدخل نظامًا ما ولا تخرج منه، تبقى داخله. وعليه، فإن كمية الطاقة المحفوظة على الأرض (في نظام مناخ الأرض ) تخضع لمعادلة:

[التغير في طاقة الأرض] = [الطاقة الواصلة] - [الطاقة المغادرة] .

تصل الطاقة على شكل إشعاع شمسي ممتص (ASR). وتخرج الطاقة على شكل إشعاع موجي طويل صادر (OLR). وبالتالي، فإن معدل تغير الطاقة في النظام المناخي للأرض يُحدد من خلال اختلال توازن طاقة الأرض (EEI).

${\displaystyle \mathrm {EEI} =\mathrm {ASR} -\mathrm {OLR} }$.

عندما تصل الطاقة بمعدل أعلى من معدل خروجها (أي، الإشعاع الشمسي المنعكس > الإشعاع الشمسي المنعكس، وبالتالي يكون اختلال توازن الطاقة موجبًا)، تزداد كمية الطاقة في مناخ الأرض. تُعد درجة الحرارة مقياسًا لكمية الطاقة الحرارية في المادة. لذا، في ظل هذه الظروف، تميل درجات الحرارة إلى الارتفاع عمومًا (مع احتمال انخفاضها في بعض المناطق نتيجة لتغير توزيع الطاقة). ومع ارتفاع درجات الحرارة، تزداد كمية الإشعاع الحراري المنبعث، مما يؤدي إلى زيادة الإشعاع الشمسي المنعكس، وانخفاض اختلال توازن الطاقة. ^{[ 10 ]}

وبالمثل، إذا كانت الطاقة تصل بمعدل أقل من معدل خروجها (أي أن الإشعاع الشمسي السنوي < الإشعاع الحراري الصادر، وبالتالي يكون مؤشر كفاءة الطاقة سالباً)، فإن كمية الطاقة في مناخ الأرض تقل، وتميل درجات الحرارة إلى الانخفاض عموماً. ومع انخفاض درجات الحرارة، ينخفض ​​الإشعاع الحراري الصادر، مما يجعل الاختلال أقرب إلى الصفر. ^{[ 10 ]}

بهذه الطريقة، يُعدّل الكوكب درجة حرارته باستمرار للحفاظ على توازن الطاقة ضمن نطاق ضيق. فإذا امتصّ الكوكب إشعاعًا شمسيًا أكثر مما انبعث منه من إشعاع حراري خارجي (OLR)، سيرتفع درجة حرارته. أما إذا انبعث منه إشعاع حراري خارجي أكثر مما امتصّه، فسيبرد. وفي كلتا الحالتين، يُسهم تغيّر درجة الحرارة في تقريب توازن الطاقة من الصفر. وعندما ينعدم توازن الطاقة، يُقال إن الكوكب في حالة توازن إشعاعي . وتميل الكواكب بطبيعتها إلى حالة توازن إشعاعي تقريبي. ^{[ 10 ]}

في العقود الأخيرة، لوحظ أن الطاقة تصل إلى الأرض بمعدل يفوق معدل خروجها منها، وهو ما يتوافق مع ظاهرة الاحتباس الحراري. وقد ازداد اختلال توازن الطاقة. ^{[ 7 ] [ 8 ]} وقد يستغرق الأمر عقودًا أو حتى قرونًا حتى ترتفع درجة حرارة المحيطات ويتغير منسوب سطح الأرض بشكل كافٍ لتعويض هذا الاختلال. ^{[ 11 ]}

ينبعث الإشعاع الحراري من جميع المواد تقريباً، بما يتناسب مع القوة الرابعة لدرجة حرارتها المطلقة.

وعلى وجه الخصوص، تدفق الطاقة المنبعثة،${\displaystyle M}$(مقاسة بوحدة واط/م ² ) يتم إعطاؤها بواسطة قانون ستيفان-بولتزمان للمادة غير السوداء : ^{[ 12 ]}

${\displaystyle M=\epsilon \,\sigma \,T^{4}}$

أين${\displaystyle T}$هي درجة الحرارة المطلقة ،${\displaystyle \sigma }$هو ثابت ستيفان-بولتزمان ، و${\displaystyle \epsilon }$هي الانبعاثية . الانبعاثية هي قيمة بين الصفر والواحد تشير إلى مقدار الإشعاع الأقل المنبعث مقارنة بما ينبعث من جسم أسود مثالي.

الغلاف الجوي شفاف نسبيًا للإشعاع الشمسي، ولكنه شبه معتم للإشعاع طويل الموجة. ^{[ 18 ]} يمتص الغلاف الجوي عادةً معظم الإشعاع طويل الموجة المنبعث من سطح الأرض. ^{[ 19 ]} يمنع امتصاص الإشعاع طويل الموجة وصوله إلى الفضاء.

عند الأطوال الموجية التي يمتص فيها الغلاف الجوي الإشعاع السطحي، يتم استبدال جزء من الإشعاع الممتص بكمية أقل من الإشعاع الحراري المنبعث من الغلاف الجوي على ارتفاع أعلى. ^{[ 17 ]}

عند امتصاصها، تنتقل الطاقة المنقولة عبر هذا الإشعاع إلى المادة التي امتصته. ^{[ 18 ]} ومع ذلك، بشكل عام، تُصدر غازات الاحتباس الحراري في طبقة التروبوسفير إشعاعًا حراريًا أكثر مما تمتص، لذا فإن انتقال الحرارة الإشعاعي طويل الموجة له ​​تأثير تبريد صافٍ على الهواء. ^{[ 20 ] [ 21 ] : 139}

يهيمن الإشعاع ذو الموجات الطويلة على صافي الإشعاع الكلي خلال الليل وفي المناطق القطبية. ^{[ 25 ]} ورغم عدم امتصاص أي إشعاع شمسي خلال الليل، إلا أن الإشعاع الأرضي يستمر في الانبعاث، ويرجع ذلك أساسًا إلى الطاقة الشمسية الممتصة خلال النهار.

إن انخفاض الإشعاع الموجي الطويل الصادر (OLR)، مقارنة بالإشعاع الموجي الطويل المنبعث من السطح، هو جوهر ظاهرة الاحتباس الحراري . ^{[ 27 ]}

وبشكلٍ أدق، يمكن تعريف ظاهرة الاحتباس الحراري كميًا بأنها كمية الإشعاع الموجي الطويل المنبعث من سطح الأرض والذي لا يصل إلى الفضاء. ففي عام 2015، بلغ الإشعاع الموجي الطويل المنبعث من سطح الأرض حوالي 398 واط/م² ^، بينما بلغت كمية الإشعاع الموجي الطويل الصادر (OLR) التي تصل إلى الفضاء 239 واط/م² ^. وبالتالي، فإن تأثير الاحتباس الحراري هو 398 - 239 = 159 واط/م² ^، أو 159/398 = 40% من الانبعاثات السطحية التي لا تصل إلى الفضاء. ^{[ 28 ] : 968، 934 [ 29 ] [ 30 ]}

تُعدّ قياسات الإشعاع الموجي الطويل الصادر من أعلى الغلاف الجوي، والإشعاع الموجي الطويل العائد نحو سطح الأرض، مهمةً لفهم كمية الطاقة المُحتفظ بها في النظام المناخي للأرض؛ فعلى سبيل المثال، كيف يُبرّد الإشعاع الحراري سطح الأرض ويُسخّنه، وكيف تتوزع هذه الطاقة لتؤثر على تكوّن السحب. كما تُوفّر مراقبة هذا التدفق الإشعاعي من سطح ما طريقةً عمليةً لتقييم درجات حرارة السطح على المستويين المحلي والعالمي. ^{[ 33 ]} ويُشكّل توزيع الطاقة هذا المحرك الأساسي للديناميكا الحرارية للغلاف الجوي .

تتطلب العديد من التطبيقات حساب كميات الإشعاع ذي الموجات الطويلة. ويؤثر التبريد الإشعاعي الموضعي الناتج عن الإشعاع ذي الموجات الطويلة الصادر، وكبح التبريد الإشعاعي (بسبب إلغاء الإشعاع ذي الموجات الطويلة الهابط لانتقال الطاقة الناتج عن الإشعاع ذي الموجات الطويلة الصاعد)، والتسخين الإشعاعي من خلال الإشعاع الشمسي الوارد، على درجة حرارة وديناميكيات أجزاء مختلفة من الغلاف الجوي.

باستخدام الإشعاع المقاس من اتجاه معين بواسطة جهاز ما، يمكن استنتاج خصائص الغلاف الجوي (مثل درجة الحرارة أو الرطوبة ) بشكل عكسي . وتُستخدم حسابات هذه الكميات لحل معادلات انتقال الإشعاع التي تصف الإشعاع في الغلاف الجوي. عادةً ما يتم الحل عدديًا باستخدام برامج محاكاة انتقال الإشعاع الجوي المُكيَّفة مع المسألة المحددة.

وهناك نهج شائع آخر يتمثل في تقدير القيم باستخدام درجة حرارة السطح والانبعاثية ، ثم مقارنتها بإشعاع أو درجة حرارة سطوع قمة الغلاف الجوي التي تم الحصول عليها من الأقمار الصناعية . ^{[ 25 ]}

توجد أدوات تفاعلية عبر الإنترنت تتيح رؤية طيف الإشعاع الموجي الطويل المنبعث والمتوقع وصوله إلى الفضاء في ظل ظروف جوية مختلفة. ^{[ 41 ]}

• درجة الحرارة الفعالة
• قياس درجة الحرارة عبر الأقمار الصناعية
• الإشعاع ذو الموجات القصيرة

• مركز تشخيص المناخ التابع للإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي
• الإشعاع الحراري الصادر من مرصد الأرض التابع لناسا
• مكتب معالجة وتوزيع بيانات الأقمار الصناعية، ميزانية الإشعاع في Wayback Machine (تمت أرشفته في 5 مايو 2008)
• مركز الأقمار الصناعية للأرصاد الجوية، وكالة الأرصاد الجوية اليابانية على موقع Wayback Machine (تمت أرشفته في 27 سبتمبر 2007)
• توازن الطاقة الكوكبية، الجغرافيا الطبيعية