Awan dan Radiasi Bumi

Studi tentang awan, bagaimana terjadinya, dan karakteristiknya, memainkan peran kunci dalam memahami perubahan iklim. Rendah, awan tebal terutama mencerminkan radiasi matahari dan mendinginkan permukaan bumi. Tinggi, awan tipis terutama mengirimkan radiasi matahari yang masuk; pada saat yang sama, mereka menyaring sejumlah radiasi inframerah keluar dipancarkan oleh bumi dan memancarkan kembali ke bawah, sehingga pemanasan permukaan Bumi. Apakah awan tertentu akan memanaskan atau mendinginkan permukaan tergantung pada beberapa faktor, termasuk ketinggian awan, ukuran, dan make-up dari partikel yang membentuk awan. Keseimbangan antara pendinginan dan pemanasan tindakan awan sangat dekat meskipun, secara keseluruhan, rata-rata efek dari semua awan di seluruh dunia, pendinginan mendominasi.

Sistem iklim bumi terus-menerus menyesuaikan dengan cara yang cenderung ke arah menjaga keseimbangan antara energi yang mencapai bumi dari matahari dan energi yang berlangsung dari bumi kembali ke ruang angkasa. Para ilmuwan menyebutnya sebagai Bumi "anggaran radiasi." Komponen dari sistem Bumi yang penting bagi anggaran radiasi planet permukaan, atmosfer, dan awan. Energi yang berasal dari matahari ke permukaan bumi disebut energi surya. Sebagian besar adalah dalam bentuk radiasi dari "terlihat" panjang gelombang, yaitu, mereka yang bertanggung jawab cahaya terdeteksi oleh mata kita. Terlihat radiasi dan radiasi dengan panjang gelombang yang lebih pendek, seperti radiasi ultraviolet diberi label "gelombang pendek." Kedua jumlah energi dan panjang gelombang di mana energi yang dipancarkan oleh sistem apapun dikendalikan oleh suhu rata-rata permukaan memancarkan sistem, ditambah sifat emisi. Suhu radiasi permukaan matahari, atau fotosfer, lebih dari 5500 ° C (9900 ° F). Namun, tidak semua dari energi matahari datang ke bumi. Energi matahari yang dipancarkan ke segala arah, dengan hanya sebagian kecil berada di arah Bumi.

 
Energi kembali ke ruang dari sistem Bumi dalam dua cara: refleksi dan emisi. Bagian dari energi matahari yang datang ke bumi dipantulkan kembali ke ruang dalam yang sama, panjang gelombang pendek yang datang ke Bumi. Fraksi energi surya yang dipantulkan kembali ke angkasa disebut albedo. Bagian yang berbeda dari Bumi memiliki albedo yang berbeda. Misalnya, permukaan laut dan hutan hujan memiliki albedo yang rendah, yang berarti bahwa mereka hanya mencerminkan sebagian kecil dari energi matahari. Gurun Pasir, es, dan awan, bagaimanapun, memiliki albedo yang tinggi; mereka mencerminkan sebagian besar energi matahari. Selama seluruh permukaan Bumi, sekitar 30 persen dari energi matahari yang masuk dipantulkan kembali ke angkasa. Karena awan biasanya memiliki albedo lebih tinggi dari permukaan di bawahnya, awan mencerminkan radiasi gelombang pendek lebih kembali ke ruang daripada permukaan akan dengan tidak adanya awan, sehingga meninggalkan sedikit energi surya yang tersedia untuk memanaskan permukaan dan atmosfer. Oleh karena itu, ini "albedo awan memaksa," diambil dengan sendirinya, cenderung menyebabkan pendinginan atau "negatif memaksa" dari iklim bumi.

Bagian lain dari energi akan ruang dari Bumi adalah radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh Bumi. Radiasi matahari diserap oleh bumi menyebabkan planet memanas sampai memancarkan banyak energi kembali ke angkasa karena menyerap dari matahari. Karena bumi menyerap hanya sebagian kecil dari energi matahari, tetap lebih dingin dari matahari, dan karena itu memancarkan radiasi jauh lebih sedikit. Sebagian besar radiasi yang dipancarkan ini pada panjang gelombang lebih panjang dari radiasi matahari. Tidak seperti radiasi matahari, yang sebagian besar pada panjang gelombang terlihat dengan mata manusia, radiasi gelombang panjang bumi sebagian besar pada panjang gelombang inframerah, yang tidak terlihat dengan mata manusia. Ketika awan menyerap radiasi gelombang panjang yang dipancarkan oleh permukaan bumi, awan reemits sebagian energi untuk luar angkasa dan sebagian kembali ke permukaan. Intensitas emisi dari awan bervariasi secara langsung sebagai suhu dan juga tergantung pada beberapa faktor lain, seperti ketebalan awan dan susunan partikel yang membentuk awan. Bagian atas awan biasanya lebih dingin dari permukaan bumi. Oleh karena itu, jika awan dimasukkan ke langit sebelumnya jelas, bagian atas awan dingin akan mengurangi emisi gelombang panjang ke angkasa, dan (mengabaikan albedo awan memaksa untuk saat ini) energi akan terperangkap di bawah puncak awan. Energi terjebak ini akan meningkatkan suhu permukaan bumi dan atmosfer sampai emisi gelombang panjang ke angkasa sekali lagi menyeimbangkan masuk diserap radiasi gelombang pendek. Proses ini disebut "rumah kaca awan memaksa" dan, diambil dengan sendirinya, cenderung menyebabkan pemanasan atau "positif memaksa" dari iklim bumi. Biasanya, semakin tinggi awan di atmosfer, semakin dingin adalah permukaan atas dan semakin besar memaksa rumah kaca awan.

Jika bumi tidak memiliki atmosfer, suhu permukaan jauh di bawah titik beku akan menghasilkan radiasi yang dipancarkan cukup untuk menyeimbangkan energi matahari diserap. Tetapi suasana menghangatkan planet ini dan membuat bumi lebih layak huni. Hapus udara sebagian besar transparan terhadap radiasi gelombang pendek matahari masuk dan, karenanya, mengirimkan ke permukaan bumi. Namun, fraksi yang signifikan dari radiasi gelombang panjang yang dipancarkan oleh permukaan diserap oleh jejak gas di udara. Ini memanaskan udara dan menyebabkan ia memancarkan energi baik untuk ruang dan kembali ke permukaan bumi. Energi yang dipancarkan kembali ke permukaan menyebabkan ia memanas lebih, yang kemudian menghasilkan emisi yang lebih besar dari permukaan. Efek pemanasan ini udara di permukaan, yang disebut efek rumah kaca di atmosfer, terutama karena uap air di udara, tetapi juga ditingkatkan oleh karbon dioksida, metana, dan gas jejak inframerah-menyerap lainnya.

Selain efek pemanasan udara yang jelas, awan di atmosfer membantu memoderasi suhu bumi. Saldo lawan albedo awan dan awan rumah kaca forcings menentukan apakah jenis awan tertentu akan menambah pemanasan alami udara murah dari permukaan bumi atau menghasilkan efek pendinginan. Seperti dijelaskan di bawah, awan cirrus yang tipis tinggi cenderung meningkatkan efek pemanasan, dan awan stratocumulus tebal rendah memiliki efek sebaliknya, sementara awan-awan konvektif yang mendalam netral. Efek keseluruhan dari semua awan bersama-sama adalah bahwa permukaan bumi lebih dingin daripada itu akan jika atmosfer tidak memiliki awan.

		Sinar gelombang pendek dari Matahari yang tersebar di awan. Banyak sinar kembali ke ruang angkasa. Hasil "albedo awan memaksa," diambil dengan sendirinya, cenderung menyebabkan pendinginan Bumi.
		Sinar gelombang panjang yang dipancarkan oleh bumi diserap dan dipancarkan kembali oleh awan, dengan beberapa sinar akan ke permukaan. Panah tebal menunjukkan lebih banyak energi. Hasil "rumah kaca awan memaksa," diambil dengan sendirinya, cenderung menyebabkan pemanasan bumi.

Tingginya, awan cirrus tipis di atmosfer bumi bertindak dengan cara yang sama untuk membersihkan udara karena mereka sangat transparan terhadap radiasi gelombang pendek (albedo awan mereka memaksa kecil), tetapi mereka mudah menyerap radiasi gelombang panjang keluar. Seperti udara yang jelas, awan cirrus menyerap radiasi bumi dan kemudian memancarkan gelombang panjang, radiasi infra merah baik untuk ruang dan kembali ke permukaan bumi. Karena awan cirrus yang tinggi, dan karena itu dingin, energi yang dipancarkan ke luar angkasa lebih rendah dari itu akan tanpa awan (cloud memaksa rumah kaca besar). Bagian dari radiasi sehingga terjebak dan dikirim kembali ke permukaan bumi menambah energi gelombang pendek dari matahari dan energi gelombang panjang dari udara sudah mencapai permukaan. Energi tambahan menyebabkan pemanasan permukaan dan atmosfer. Efek keseluruhan dari awan cirrus tipis tinggi maka adalah untuk meningkatkan pemanasan rumah kaca di atmosfer. Gambar dari Space Shuttle Endeavour pada tanggal 1 Juli 1993 (STS-57) menunjukkan awan cirrus tipis.

	Berbeda dengan efek pemanasan dari awan tinggi, awan stratocumulus rendah bertindak untuk mendinginkan sistem Bumi. Karena awan rendah jauh lebih tebal daripada awan cirrus yang tinggi, mereka tidak transparan: mereka tidak membiarkan banyak energi matahari mencapai permukaan bumi. Sebaliknya, mereka mencerminkan banyak dari energi matahari kembali ke angkasa (albedo awan mereka memaksa besar). Meskipun awan stratocumulus juga memancarkan radiasi gelombang panjang ke ruang dan ke permukaan bumi, mereka dekat permukaan dan di hampir temperatur yang sama permukaan. Dengan demikian, mereka memancarkan hampir intensitas yang sama seperti permukaan dan tidak sangat mempengaruhi radiasi inframerah yang dipancarkan ke ruang (rumah kaca cloud mereka memaksa pada skala planet kecil). Di sisi lain, radiasi gelombang panjang yang dipancarkan ke bawah dari dasar awan stratocumulus cenderung untuk menghangatkan permukaan dan lapisan tipis udara di antara, tetapi albedo awan preponderant memaksa perisai permukaan dari radiasi matahari yang cukup bahwa efek bersih dari awan ini adalah untuk mendinginkan permukaan.
	Gambar dari Skylab Kedua diawaki misi pada 1 Agustus 1973 menunjukkan awan stratocumulus di atas Samudera Pasifik.

	Berbeda dengan kedua kategori awan dibahas sebelumnya awan konvektif yang mendalam, ditandai oleh awan cumulonimbus. Awan cumulonimbus dapat banyak kilometer tebal, dengan basis di dekat permukaan bumi dan atas sering mencapai ketinggian 10 km (33.000 kaki), dan kadang-kadang lebih tinggi. Karena puncak awan cumulonimbus yang tinggi dan dingin, energi yang dipancarkan ke luar angkasa lebih rendah dari itu akan tanpa awan (cloud memaksa rumah kaca besar). Tetapi karena mereka juga sangat tebal, mereka mencerminkan banyak dari energi matahari kembali ke angkasa (albedo awan mereka memaksa juga besar); karenanya, dengan mengurangi radiasi gelombang pendek untuk diserap, pada dasarnya tidak ada radiasi berlebih terjebak. Akibatnya, secara keseluruhan, rumah kaca awan dan forcings albedo hampir keseimbangan, dan efek keseluruhan dari awan cumulonimbus netral-tidak pemanasan atau pendinginan.
	Gambar dari Space Shuttle Challenger pada April 7, 1983 menunjukkan awan cumulonimbus.   Tahunan rata-rata radiasi bersih ditentukan dari tahun 1985 sampai 1986 radiasi bersih adalah perbedaan antara radiasi matahari yang masuk yang diserap oleh bumi dan radiasi infra merah keluar dari Bumi yang hilang ke ruang angkasa. Radiasi bersih umumnya positif di lintang rendah (peningkatan pemanasan diwakili oleh jeruk, merah, dan pink) dan negatif di lintang tinggi (peningkatan pendinginan diwakili oleh hijau dan biru). Tahunan rata-rata radiasi awan bersih memaksa (bawah) ditentukan dari tahun 1985 sampai 1986 cloud Net memaksa adalah hasil dari dua efek berlawanan: (1) pemanasan rumah kaca oleh awan (atau positif memaksa) - awan memerangkap panas yang berasal dari permukaan bumi yang akan dinyatakan hilang ke angkasa, dan (2) pendinginan oleh awan (atau negatif memaksa) - awan mencerminkan radiasi matahari yang masuk kembali ke angkasa. Daerah yang relatif besar di mana pendinginan adalah yang terbesar yang diwakili oleh warna yang berkisar dari kuning ke hijau ke biru. Di beberapa daerah, pengaruh awan adalah untuk menghasilkan beberapa pemanasan seperti yang ditunjukkan oleh warna yang berkisar dari oranye ke merah menjadi merah muda. Secara keseluruhan, awan memiliki efek mengurangi jumlah pemanasan yang seharusnya dapat dialami di permukaan bumi (data Percobaan Earth Radiasi Anggaran pada Anggaran Satelit Bumi Radiasi dan NOAA-9 satelit Data diolah di NASA Langley Research Center,. Gambar yang dihasilkan pada University of Washington). Sumber: http://earthobservatory.nasa.gov/Features/Clouds/