ค่าอัลเบโดคืออัตราส่วนของพลังงานแสงที่สะท้อนต่อพลังงานแสงที่ตกกระทบในสเปกตรัมแสงที่มองเห็นได้ ซึ่งทำให้ดาวเคราะห์ปรากฏส่องแสง เนื่องจากดาวเคราะห์ไม่มีพลังงานในตัวเอง จึงสะท้อนแสงอาทิตย์บางส่วนที่ได้รับ ค่าอัลเบโดไม่ใช่ค่าคงที่และแปรผันไปตามหลายปัจจัย โดยหลักๆ แล้วคือมุมของรังสีที่ตกกระทบและลักษณะของพื้นผิวที่สะท้อนแสง กล่าวโดยง่าย ความสามารถของพื้นผิวในการสะท้อนแสงนั้นสัมพันธ์โดยตรงกับสีของพื้นผิวนั้น กล่าวคือ วัตถุสีอ่อนจะสะท้อนแสงได้มากกว่าวัตถุสีเข้ม คุณสมบัตินี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อวิทยาภูมิอากาศและการศึกษาการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศเมื่อเวลาผ่านไป
ตัวอย่างเช่น ค่าอัลเบโดของพื้นดินที่ปกคลุมด้วยหิมะจะสูงกว่าทุ่งหญ้าอย่างมาก หิมะมีค่าอัลเบโดเฉลี่ย0,7ในขณะที่ป่าเขียวมีค่าอัลเบโดเพียง0,2 เท่านั้น ซึ่งหมายความว่า 70% ของพลังงานแสงอาทิตย์ที่ตกกระทบหิมะจะสะท้อนกลับสู่ห้วงอวกาศ ในขณะที่ป่าไม้สะท้อนกลับเพียง 20% เท่านั้น ในระดับดาวเคราะห์ ค่าอัลเบโดเฉลี่ยของโลกอยู่ที่ประมาณ 0,3 ซึ่งบ่งชี้ว่าประมาณ30%ของพลังงานแสงอาทิตย์ที่เข้าสู่ชั้นบรรยากาศจะสะท้อนกลับสู่ห้วงอวกาศในรูปของรังสีโดยตรง เปอร์เซ็นต์นี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำความเข้าใจสมดุลพลังงานของโลก
ค่าอัลเบโดของทวีปอยู่ที่ประมาณ34%ในขณะที่ของมหาสมุทรอยู่ที่26%และของเมฆระดับกลางและระดับต่ำอยู่ระหว่าง50%ถึง70%ความแปรผันของค่าอัลเบโดเหล่านี้มีความสำคัญต่อสมดุลพลังงาน ของโลก และด้วยเหตุนี้จึงมีผลต่อการควบคุมสภาพภูมิอากาศของโลก ค่าอัลเบโดไม่เพียงแต่กำหนดว่าแสงจะสะท้อนอย่างไร แต่ยังมีผลกระทบอย่างมากต่ออุณหภูมิและสภาพภูมิอากาศโลกด้วย
ในแง่ของสมดุลพลังงานในระดับโลก สมดุลพลังงานถือว่าเท่ากับศูนย์ อย่างไรก็ตาม ในภูมิภาคต่างๆ ของพื้นผิวโลก สมดุลนี้ไม่ได้คงที่เสมอไป มีบางพื้นที่ที่ได้รับพลังงานมากกว่าที่ปล่อยออกมา ในขณะที่บางพื้นที่ปล่อยออกมามากกว่าที่ได้รับ โดยทั่วไปแล้ว สมดุลพลังงานมักจะเกินดุลในภูมิภาคที่อยู่ระหว่างละติจูดที่ 35 ถึง 40 องศาที่ละติจูดเหล่านี้ พลังงานที่เข้ามาและที่ปล่อยออกมาจะเท่ากัน และเลยจากละติจูดเหล่านี้ไป สมดุลพลังงานจะกลายเป็นลบ ปรากฏการณ์นี้เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศโลก
ความผันแปรของปริมาณพลังงานที่ได้รับและปล่อยออกมามีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากส่งผลโดยตรงต่อการร้อนหรือเย็นของอากาศ และเป็นปัจจัยสำคัญในการกระจายตัวของสภาพภูมิอากาศและการหมุนเวียนของบรรยากาศที่แตกต่างกัน การทำความเข้าใจค่าอัลเบโดและสมดุลพลังงานของโลกเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการวิเคราะห์ว่าองค์ประกอบเหล่านี้มีปฏิสัมพันธ์และส่งผลกระทบต่อสภาพภูมิอากาศโลกอย่างไร
สมดุลการแผ่รังสีทั่วโลกหมายถึงความแตกต่างระหว่างพลังงานแสงอาทิตย์ที่มาถึงชั้นบรรยากาศและพลังงานที่สูญเสียไปในอวกาศ ภายใต้สภาวะคงที่ พลังงานที่สูญเสียไปจะเท่ากับพลังงานที่เข้ามา อย่างไรก็ตาม ในระดับท้องถิ่น พบว่าในละติจูดสูง พลังงานที่แผ่รังสีมีแนวโน้มที่จะมากกว่าพลังงานที่ได้รับ และในทางกลับกันในละติจูดต่ำ ความไม่สมดุลนี้ได้รับการชดเชยด้วยกลไกการถ่ายเทความร้อน รวมถึงการหมุนเวียนของบรรยากาศ (ลม) และการหมุนเวียนของมหาสมุทรในบริบทของภาวะโลกร้อน
ที่ขอบบนของชั้นบรรยากาศโลก โลกได้รับรังสีจากดวงอาทิตย์ในปริมาณที่ค่อนข้างคงที่ โดยประมาณอยู่ที่2 แคลอรี/ตารางเซนติเมตร ต่อนาทีซึ่งเรียกว่าค่าคงที่ของดวงอาทิตย์พลังงานปริมาณนี้มีความสำคัญต่อการรักษาระดับอุณหภูมิของโลก รังสีที่ออกจากโลกแบ่งออกเป็นประเภทต่างๆ ดังนี้:
- รังสีคลื่นสั้น: รูปแบบของรังสีนี้สอดคล้องกับพลังงานที่สะท้อนจากพื้นผิวโลก ซึ่งรวมไปถึงมหาสมุทร ดิน เมฆ และอนุภาคในชั้นบรรยากาศ ค่าอัลเบโดแสดงถึง 30% ของรังสีทั้งหมดถึงแม้ว่าค่านี้อาจเปลี่ยนแปลงไปตามเวลาและสภาพบรรยากาศก็ตาม
- รังสีคลื่นยาว: รังสีประเภทนี้หมายถึงพลังงานความร้อนที่ปล่อยออกมาจากโลก โดยส่วนใหญ่อยู่ในรูปของอินฟราเรด บรรยากาศยังคงกักเก็บรังสีบางส่วนไว้ ส่งผลให้เกิดปรากฏการณ์เรือนกระจก และส่งผลต่ออุณหภูมิโลก
กฎของสเตฟาน-โบลต์ซมันน์ระบุว่า ปริมาณพลังงานที่แผ่รังสีออกมาจากวัตถุสีดำ ซึ่งในบริบทนี้ถือว่าโลกเป็นวัตถุสีดำนั้น สัมพันธ์กับกำลังสี่ของอุณหภูมิในหน่วยเคลวิน เมื่อประเมินสมดุลพลังงานของโลก สิ่งสำคัญคือต้องพิจารณาว่าพลังงานที่ดูดซับเข้าไปนั้นเท่ากับพลังงานที่แผ่รังสีกลับสู่ห้วงอวกาศหรือไม่ หากโลกได้รับพลังงานมากกว่าที่ปล่อยออกมา อุณหภูมิของโลกจะเพิ่มขึ้น ในขณะที่หากโลกปล่อยพลังงานมากกว่าที่ได้รับ อุณหภูมิของโลกจะลดลง นี่เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำความเข้าใจว่ามนุษย์ได้เปลี่ยนแปลงสมดุลพลังงานอย่างไร
ชั้นบรรยากาศมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งต่อสมดุลพลังงานนี้ เนื่องจากก๊าซเรือนกระจกเช่น คาร์บอนไดออกไซด์และมีเทน จะดักจับรังสีอินฟราเรดที่ปล่อยออกมาบางส่วน ทำให้โลกมีอุณหภูมิสูงขึ้น ปรากฏการณ์นี้มีความสำคัญต่อการทำความเข้าใจการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศและวิธีที่กิจกรรมของมนุษย์ได้เปลี่ยนแปลงสมดุลทางธรรมชาติ ซึ่งเป็นหัวข้อที่ได้รับการอภิปรายอย่างละเอียดในหลายงานวิจัย
แรงแผ่รังสีหมายถึงการเปลี่ยนแปลงสมดุลพลังงานของโลกอันเนื่องมาจากปัจจัยภายนอก มีหน่วยวัดเป็นวัตต์ต่อตารางเมตร (W/m²) และอาจเป็นค่าบวก (ทำให้เกิดภาวะโลกร้อน) หรือค่าลบ (ทำให้เกิดภาวะโลกเย็นลง) ปัจจัยที่สามารถส่งผลต่อแรงแผ่รังสี ได้แก่:
- ความเข้มข้นของก๊าซเรือนกระจก: การเพิ่มขึ้นของก๊าซ เช่น CO₂, CH₄ และ N₂O จะกักเก็บความร้อนไว้ในชั้นบรรยากาศ ซึ่งจะเพิ่มแรงบังคับแผ่รังสีบวก
- สเปรย์ละออง: ละอองลอยอาจมีแรงบังคับการแผ่รังสีเป็นบวกหรือเป็นลบ ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบ ตัวอย่างเช่น ละอองซัลเฟตมีแนวโน้มที่จะสะท้อนรังสีดวงอาทิตย์กลับสู่อวกาศ ในขณะที่เขม่าสามารถทำให้บรรยากาศอบอุ่นขึ้นได้
- การเปลี่ยนแปลงการใช้ที่ดิน: กิจกรรมต่างๆ เช่น การตัดไม้ทำลายป่าทำให้ค่าสะท้อนแสงของพื้นผิวโลกเปลี่ยนแปลง ซึ่งส่งผลกระทบต่อการบังคับแผ่รังสีในที่สุด การลดพื้นที่ป่าโดยทั่วไปจะช่วยเพิ่มค่าสะท้อนแสงและอาจช่วยลดภาวะโลกร้อนได้
- การเปลี่ยนแปลงของพลังงานแสงอาทิตย์: การเปลี่ยนแปลงในกิจกรรมของดวงอาทิตย์ยังส่งผลต่อการบังคับการแผ่รังสี แม้ว่าผลกระทบเหล่านี้โดยทั่วไปจะเล็กน้อยเมื่อเทียบกับผลกระทบของความเข้มข้นของก๊าซเรือนกระจกในบริบทของ ภาวะโลกร้อน.
แรงผลักดันการแผ่รังสีเป็นแนวคิดสำคัญในวิชาภูมิอากาศวิทยา เนื่องจากช่วยให้เราสามารถวัดผลกระทบของปัจจัยต่างๆ ต่อสมดุลพลังงานของโลกได้ จาก รายงานของ IPCCแรงผลักดันการแผ่รังสีจากกิจกรรมของมนุษย์ในปี 2011 เมื่อเทียบกับปี 1750 อยู่ที่ 2,29 วัตต์/ตารางเมตร ซึ่งบ่งชี้ถึงการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วตั้งแต่ปี 1970 เนื่องจากการปล่อยก๊าซเรือนกระจกในปริมาณสูง นี่เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำความเข้าใจวิวัฒนาการของสภาพภูมิอากาศ
แรงบังคับนี้มีความจำเป็นต่อการสร้างแบบจำลองการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศและคาดการณ์ว่าการเปลี่ยนแปลงสมดุลพลังงานจะส่งผลต่ออุณหภูมิโลกในอนาคตอย่างไร แบบจำลองสภาพภูมิอากาศปัจจุบันถือว่าการบังคับแผ่รังสีเป็นหนึ่งในตัวแปรหลักที่ต้องพิจารณาในการทำความเข้าใจและบรรเทาผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ
