2. Bilans radiacyjny powierzchni Ziemi
Bilans promieniowania to stan równowagi pomiędzy energią docierającą od Słońca a energią oddawaną przez Ziemię. Promieniowanie może być odbite przez powierzchnię Ziemi lub przez chmury albo też pochłonięte i wyemitowane w postaci energii cieplnej. Bilans ten informuje o przychodzie lub ubytku energii promienistej na powierzchni Ziemi. Od jego wartości są uzależnione stosunki termiczne panujące na powierzchni Ziemi. W przypadku gdy bilans jest dodatni, powierzchnia się nagrzewa, a gdy ujemny, następuje jej wychłodzenie. Dla Ziemi jako planety, bilans promieniowania na górnej granicy atmosfery musi być w stanie równowagi tak, aby Ziemia ani nie wychładzała się, ani nie przegrzewała. Mimo, iż system klimatyczny Ziemi pozostaje w równowadze, to jest to stan równowagi dynamicznej, podlegającej ciągłym zmianom.
Bilans promieniowania (radiacyjny) powierzchni Ziemi ma wyraźny bieg dobowy i roczny. W nocy bilans jest ujemny. Po wschodzie Słońca, przy jego wysokości około 10-15° zaczyna osiągać wartości dodatnie. Przy tej samej wysokości Słońca przed jego zachodem bilans z powrotem przyjmuje wartości ujemne.
Na wartości bilansu istotny wpływ wywiera zachmurzenie nieba. Zmniejsza ono bowiem dopływ promieniowania bezpośredniego, jak również zmniejsza promieniowanie efektywne. Gdy w porze nocnej bilans jest równy promieniowaniu efektywnemu, zachmurzenie uniemożliwia silne wychłodzenie powierzchni Ziemi. Bilansem promieniowania powierzchni Ziemi nazywamy różnicę między promieniowanie całkowitym pochłoniętym przez powierzchnię przez powierzchnię Ziemi, a promieniowaniem efektywnym:
Bilans radiacyjny można zmierzyć za pomocą bilansomierzy lub wyliczyć według formuły przedstawionej powyżej, po uprzednim uzyskaniu danych odnośnie do natężenia promieniowania bezpośredniego na powierzchnię poziomą, natężenia promieniowania rozproszonego, albedo oraz natężenia promieniowania efektywnego.
Składniki bilansu promieniowania radiacyjnego powierzchni Ziemi:
Promieniowanie całkowite - jest to suma promieniowania bezpośredniego i rozproszonego. Jego natężenie jest największe latem i w godzinach południowych. Jego natężenie określa się względem powierzchni poziomej i można wyrazić je wzorem:
Ic = I · sin h + Id
gdzie:
Ic - promieniowanie całkowite Słońca
I - promieniowanie bezpośrednie Słońca
Id - promieniowanie rozproszone Słońca
h - wysokość Słońca nad horyzontem
b) Promieniowanie słoneczne pochłonięte - część promieniowania słonecznego, która dociera do powierzchni Ziemi i jest przez nią pochłonięta. Energia ta jest zamieniona na ciepło i zużyta na ogrzanie powierzchni Ziemi.
c) Promieniowanie zwrotne atmosfery - część promieniowania długofalowego atmosfery skierowana ku powierzchni Ziemi. Atmosfera, pochłaniając promieniowanie długofalowe dochodzące z powierzchni Ziemi i część promieniowania dochodzącego bezpośrednio od Słońca, ogrzewa się, stając się, podobnie jak powierzchnia Ziemi, wtórnym źródłem promieniowania długofalowego rozchodzącego się we wszystkich kierunkach.
d) Promieniowanie rozproszone - jest wynikiem zmiany kierunku biegu promieni słonecznych w niejednorodnym optycznie środowisku, jakim jest atmosfera. Promienie uginają się, załamują i odbijają od drobin gazów, od cząsteczek ciekłych i stałych zawieszonych w powietrzu sprawiając, że wszystkie one stają się niejako źródłami promieniowania. Silniejszemu rozproszeniu ulegają promienie o mniejszych długościach fal. Natężenie promieniowania rozproszonego maleje wraz z wysokością ad poziomem morza. W dni bezchmurne odgrywa ono niewielką rolę, natomiast przy całkowitym zachmurzeniu nieba energia słoneczna dociera do powierzchni Ziemi wyłącznie w postaci promieniowania rozproszonego
e) Promieniowanie odbite - część energii padającej na powierzchnię Ziemi, która zostaje przez nią odbita i nie uczestniczy w procesie nagrzewania (nie ulega zamianie na ciepło na powierzchni Ziemi).
f) Promieniowanie efektywne - różnica między promieniowaniem powierzchni Ziemi i promieniowaniem zwrotnym atmosfery. Oznacza ono tę część energii, którą Ziemia traci na skutek wypromieniowania.
g) Promieniowanie powierzchni Ziemi - promieniowanie cieplne (w zakresie podczerwieni o długości fali 4 - 120 µm), będące wynikiem nagrzania powierzchni Ziemi. Ponad 80 % tego promieniowania jest pochłaniane przez atmosferę (przez zawartą w niej parę wodną i dwutlenek węgla) i zużyte na jej ogrzanie.
Bilans promieniowania może ulec zmianie:
-ze względu na zmiany w ziemskim albedo, wskutek oddziaływania czynników naturalnych (erupcje wulkaniczne dostarczają aerozoli do atmosfery) lub działalności człowieka: może ulec zmianie koncentracja aerozoli i wielkość zachmurzenia, jak również albedo powierzchni ziemi (zmiany powierzchni pokrytych lodem, wodą, pustyniami i lasami),
- z powodu działalności człowieka, która prowadzi do zmiany koncentracji gazów szklarniowych i właściwości chmur, tym samym wpływa na ilość ciepła traconego i zatrzymywanego. Z powodów naturalnych; czynniki astronomiczne.