KESETIMBANGAN ENERGI RADIASI BUDGET

(EARTH RADIATION BUDGET - ERB)

DIAN HANDIANA22414304

OUT LINE

Historis pengukuran ERB

Di TOA(pengukuran + data tambahan)

Dalam atmosfer (harus dihitung dengan hanya tambahan data)

Di permukaan (pengukuran + tambahan data)

(Trenberth et al., BAMS, 2009)

Historis pengukuran ERB Sebelum 1959• Earthshine and solaremission from groundStudi numerik dengan data iklimDines, 1907; Abbot & Fowle,1908; Simpson 1929, London 1956, …

-- 1800• Planetary albedo: 35 to 45% • Planetary emission:220 to 280 Wm-2• Solar constant: 1360 to 1380 Wm-2

Setelah launch Explorer VII 1959• TIROS and Nimbus “families”: up to 1970• ERBE (ERBS, ERB): 1972 to 1995• CERES: 2000 to now• European ScaRaB and GERB: • Numerical studies: ISCCP, SRB, CERES, ….

-- 1959 2012• Planetary albedo: 29 to 31%• Planetary emission: 250 to 255 Wm-2 • … dengan wilayah yang detail

• Solar constant: from 1372 “down” to 1361 Wm-2

Hunt et al., 1986, Rev. Geoph. 24; G.L.Smith et al.,1987: JGR

Sebelum era satelit (1800 ke 1959)• Investigasi sebelum era satelit didominasi oleh para astronom dan kemampuan

instrumen untuk mengukur radiasi matahari. Pengukuran insolation di TOA mulai sekitar tahun 1800 (misalnya Foitzik dan Hinzpeter 1958); nilai berkisar antara 1200 dan 2000 Wm-2

W. H. Dines, 1917: J. R. Met. Soc. 43, 151-158; with A = TSI/4, D = reflected solar, C,B = absorption, E and F = IR emission, G = IRemission from surface, where K transmitted to space, H absorbed in atmosphere and M“reflected“ back to ground. L = upward fluxes of latent and sensible heat.

Julius London, 1957, untuk pertama kalinya tersedia detail pada semua level, zonal profiles andPoleward energy fluxes.

Solar Radiation

Hunt et al., 1986, Rev. Geophysics, nilai di compile dari Abbot and Fowle, 1908 (Ann. Astro. Observ.Smiths. Inst., Vol. 2)

Infrared Radiation

Peta pertama net radiasi dari simpson 1929

So = 1.952,OLR = 0.280 cal cm-2 min-1Albedo: 0.455

2 cal cm-2 min-1 = 1396 Wm-2

CERES (and GERB/ScaRaB)

Langkah-langkah utama dalam analisis dari pengukuran Radiance yang dikembangkan

Kebanyakan langkah tergantung-adegan dan memerlukan data tambahan:

a.) Menghitung insolation di TOA dari TSI dan geometri Sun-Earth.

b.) Koreksi untuk spektral respon yang tidak lengkap untuk sensor dalam wilayah diperlukan broad-band( solar dan inframerah)

c.) Koreksi untuk ketergantungan sudut (angular dependence) yang dipantulkan dari soalr radiasi dan radiasi inframerah yang dipancarkan

d.) variasi diurnal dan siklus musiman fluks radiasi keluar (sampling dalam waktu) observed dan “corrected".

From Raschke, et al.,1973

Satelit eksperimental awal (1959-1980)Explorer 6, 7; TIROS 2, 3, 4, 7, 9; Nimbus 2, 3; Cosmos-, NOAA-, and the ERBE- family until 1987

Temuan besar awal secara kualitatif

(1) Bumi adalah "gelap" (30%) dan "hangat" (> 255K)(2) gurun Utara di Afrika dan Asia adalah wilayah defisit radiasi permanen(3) Awan meningkatkan Albedo planet dan mengurangi OLR(4) Adanya transportasi poleward Tahunan

(Raschke, et al., 1973, JAS, 30)

Status sekarang • CERES radiometers memungkinkan melakukan scanning seperti pesawat berotasi

From G.L. Smith et al., 1994

Earth’s energy budgetMesin panas iklim (the climates heat engine) tidak hanya mendistribusikan panas matahari dari khatulistiwa ke arah kutub, tetapi juga dari permukaan bumi dan atmosfer yang lebih rendah kembali ke angkasa. Jika tidak, Bumi tanpa henti akan memanas. Suhu Bumi tidak naik signifikan karena permukaan dan atmosfer secara simultan memancarkan panas ke ruang angkasa. Aliran bersih antara energi masuk dan keluar dari sistem Bumi disebut juga Earth’s energy budget.

=

Radiasi Budget dilihat di angkasaF = Net radiative fluksr= AlbedoFir = OLR/ emitted longwave fluksQ = Solar insolation

Net radiative flux pola mendekati simetris antara Northern and Southern Hemispheres, maks di eq

wilayah equator : penyerapan yang besar, dan minimum OLR karena banyak pertumbuhan awan (ITCZ)

Wilayah kutub : albedo yang besar,

Pola net radiative flux berhubungan dengan sudurt zenith rata2 dengan lintang dari matahari

Di tropis = kelebihan/ melimpah energi radiasi (gains)Di kutub = kekurangan / sedikit energi radiasi (losses)

Net Radiation

• Antara 40°N and 40°S, incoming > outgoing• energy surplus

• Poleward of 40°N & S, outgoing > incoming• energy deficit

• Deficit = Surplus, jadi net radiation for Earth = 0

Poleward Heat Transport

• Surplus energy bergerak menuju kutub (wilayah deficit)

• membawa• Warm, moist air• Warm sea water

• Transport panas ke kutub mengendalikan pemicu (drivine force) adanya

• Global atmospheric circulation

• Weather systems• Ocean currents

Cloud Radiative Forcing Derived from ERB Data

• Awan teratur menempati setidaknya 50% dari langit pada skala global dan regulator yang paling penting dari ERB.

• Awan meningkatkan persentase solar fluks yang dipantulkan kembali ke angkasa. Efek ini, dikenal sebagai solar albedo effect mengurangi solar fluks untuk sistem bumi-atmosfer dan menghasilkan pendinginan sistem.

• Di sisi lain, awan mengurangi radiasi termal yang dipancarkan ke angkasa dengan menyerap fluks IR dari permukaan bumi dan atmosfer di bawah lapisan awan, dan dengan memancarkan radiasi termal yang pada umumnya suhu puncak awan lebih dingin. Efek ini, yang dikenal green house effect IR meningkatkan radiasi budget, yang secara umum menghasilkan pemanasan dari sistem bumi-atmosfer.

• Dalam referensi untuk Persamaan. (8.2.26) dan mempertimbangkan efek spesifik dari cakupan awan (cloud cover) η,

Absorbed Solar

Emitted IR Flux

Saat albedo meningkat cakupan awan meningkat

IR fluks menurun cakupan awan meningkat

Sehingga IR green house effect lebih besar daripada solar albedo effect, dan sebaliknya

• C = cloud radiative forcing

1 – η = clear-sky regionη = Overcast

Baik Cloud solar atau Cloud IR forcing akan berbeda dalam keadaan clear-sky atau cloudy-sky

Pengaruh seasonal terhadap cloud radiative forcing relatif kecil

Pada skala global untuk semua musim, albedo effect from clouds lebih dominan dari pada greenhouse effect.

Cloud Radiative Forcing

Radiative Heating/Cooling Rates of the Atmosphere

• Perbedaan pemanasan matahari dari daerah khatulistiwa dan kutub menyediakan sumber energi utama untuk sirkulasi umum atmosfer dan lautan dan juga bertanggung jawab untuk menyebabkan iklim ekstrim antara garis lintang tropis dan kutub.

• Setiap bagian dari bumi di langit diterangi matahari menerima energi dari matahari dan hangat untuk tingkat yang lebih besar atau lebih kecil. Faktor utama yang menentukan tingkat pemanasan matahari yang diterima oleh daerah tertentu rata-rata adalah awan, uap air dan ozon isi dari atmosfer, albedo permukaan, dan keberadaan aerosol dalam konsentrasi yang lebih besar atau lebih kecil, serta lintang, yang terkait dengan berbagai sudut zenith matahari yang dialami oleh daerah.

• Pemanasan matahari maksimum sekitar 0,5 K hari-1 diamati pada ketinggian sekitar 4 - 5 km di daerah tropis dan subtropis, menggunakan fluks matahari dari 342Wm-2 sebagai input (solar konstan 1366 Wm-2)

• Nilai minimal terjadi di troposfer atas dan stratosfer bawah, diikuti dengan peningkatan pemanasan matahari di stratosfer karena secara eksklusif adanya ozon

• Pemanasan matahari atmosfer terutama dihasilkan oleh penyerapan uap air di troposfer dan ozon di stratosfer.

Solar Heating Rate

IR Cooling Rate

• Pendinginan maksimum terjadi di stratosfer, karena adanya karbon dioksida dan ozon. • Pengaruh uap air untuk mendinginkan suasana yang jelas di mana karena ada peningkatan fluks dengan

tinggi sebagai penurunan konsentrasi uap air. • Maksimal sekunder pendinginan terjadi di lintang tropis dalam troposfer, terkait dengan gradien vertikal

besar uap air dan suhu.• Efek dari awan, yang cenderung meningkatkan pendinginan di atas puncak mereka dan mengurangi

pendinginan dibawah mereka, Dekat permukaan, besar kepadatan uap air dan suhu gradien menyebabkan maksimum pendinginan di daerah tropis. Pendinginan ini diimbangi sedikit dengan peningkatan pemanasan di bawah dasar awan.

Net Radiative Budget

• Di stratosfer atas (di atas 25 km), pendinginan intens karena ozon dan karbon dioksida. Tingginya tingkat pendinginan karena, sebagian akibat efek puncak awan yang dingin. Pada tropopause tropis, dekat 18 km, ada pemanasan oleh gelombang panjang relatif kecil yang terjadi di wilayah pemanasan matahari minimum untuk menghasilkan pemanasan bersih.

• Di bawah daerah ini adalah wilayah pendinginan maksimal terkait dengan gradien vertikal besar uap air dan suhu. Pendinginan yang dihasilkan oleh radiasi gelombang panjang melebihi pemanasan surya di setiap lintang, terutama karena uap air (maks di tropis)

• Kehadiran awan cenderung memoderat pendinginan di atmosfer yang lebih rendah, dengan mengurangi pendinginan di bawah awan dan memproduksi pemanasan di puncak.

Radiasi Budget di Permukaan• Fluks radiasi bersih di permukaan berdasarkan

kesetimbangan radiasi

= solar flux yang mencapai permukaan

= emisivitas permukaan (absorptivitas)= solar flux yang mencapai permukaan= Fluks Inframerah thermal dari atmosfer ke permukaan

Net solar (short wave) flux Longwave (infrared) flux

• Studi tentang (SRB) penting yang berkaitan dengan pemodelan iklim dan parameterisasi

• Nilai SRB diperlukan untuk mengevaluasi fluks panas yang masuk akal dan laten dari permukaan ke atmosfer, yang merupakan bagian penting dari siklus hidrologi dan energi global.

• akurasi SRB tergantung pada input data, khususnya yang menyangkut awan, dan pada kode radiasi yang digunakan dalam perhitungan. (Pinker et al.1995).

• Nilai kecil tinggi albedo, kecilnya nilai cloudiness dan kelembaban, tingginya suhu permukaan

• Lebih tinggi dilautan, tropis downward lebih melimpah/gains, kutub loss• Musim dingin di kutub, nilai downward sangat kecil atau mendekati nol

Radiative and Convective Atmospheres

• Kesetimbangan Energi radiasi

Energi masuk = Energi keluar

Suhu kesetimbangan sistem menjadi :

• keseimbangan energi di TOA dan permukaan

Sehingga suhu di permukaan dan atmosfer adalah

kesetimbangan energi

Vertikal model• Untuk mendapatkan profil suhu vertikal dimana saat

kesetimbangan, kita dapat melaksanakan prosedur iterasi dan waktu-berbaris sebagai berikut:

HEAT BUDGET OF THE EARTH–ATMOSPHERE SYSTEM• Sumber energi yang mendorong iklim bumi berasal dari radiasi elektromagnetik yang

dipancarkan dari matahari. Solar constant, yaitu, radiasi matahari (atau fluks) sesuai dengan jarak rata-rata antara bumi dan matahari yang tersedia di area satu meter persegi menghadap matahari, di TOA sekitar 1366 W m -2(Bersandar dan Rind, 1998)

Rata-rata solar fluks ke permukaan datar di TOA = ¼ solar constant

Jurnal terkait ERB

Presipitasi tambahan ini ditopang oleh lebih banyak energi meninggalkan permukaan oleh penguapan - yaitu, dalam bentuk laten fluks panas - dan karena diimbangi peningkatan gelombang panjang fluks ke permukaan.

Trenberth, K. E., and J. T. Fasullo (2009), Global warming due to increasing absorbed solar radiation, Geophys. Res. Lett., 36, L07706, doi:10.1029/2009GL037527.

Perubahan net radiation (atas), -OLR (tengah), dan ASR (bawah) dari 1960 to 2100 menggunakan 13 CMIP3 models. Kanan – periode rata-rata 1950 to 2100.

Flux

• How energy (or any material) passes through a unit surface area per unit time• Can think of energy as a particle• Units: some mass per unit area per unit time

• mg/m2/hr (= mg m-2 h-1) • mmol quanta/ m2/hr

Which passes through a larger unit area?Which has the higher flux?

Think about how that affects energyflux with latitude on earth.

Back to energy

• Energy is expressed as Joules (J) – measures heat, electricity and mechanical work• 1 J = 0.239 calories• 1 J = 2.7778 ×10−7 kilowatt hour

• Power (the rate at which work is done or energy is moved) is expressed in Watts (W)• 1 W = 1 J/second• W/m2 then is a unit of energy flux

• =J/m2/s• Energy flux is important for global climate• Polar regions cooler due to lower energy flux

(mass per unit area per unit time)

• Earth Radiation Budget Experiment (ERBE)• Colud and earths radiant energy sistem