Warum kühlt die Erde nachts ab?

Es sendet Infrarotstrahlung in den Weltraum aus.

Dies geschieht ständig, nicht nur während der Nacht, sondern tagsüber ist der Nettoenergiefluss positiv, da die Energiemenge, die von der Sonne kommt, viel höher ist.

Die Atmosphäre wird ein wenig komplizierter, was bedeutet, dass der größte Teil der vom Boden emittierten Strahlung nicht sofort den Weltraum erreicht, sondern zuerst von der Atmosphäre absorbiert und dann wieder in den Weltraum emittiert wird.

Außerdem wird ein Teil der Energie zunächst durch Verdunstung und Kondensation in die Atmosphäre transportiert, bevor sie von dieser abgestrahlt wird.

Wenn Sie mehr wissen wollen, sieht diese einführende Erklärung der NASA gut aus.

Auf dem Bild (entnommen von der NASA-Website, die ich oben verlinkt habe): Satellitenkarte, die die Verteilung der thermischen Infrarotstrahlung zeigt, die von der Erde im September 2008 emittiert wurde) .

Die Erdoberfläche und die Atmosphäre stehen in thermischem Kontakt mit dem Weltraum, wobei der Wärmeübertragungsmechanismus Strahlung ist. Das System Erde-Atmosphäre verliert durch diesen Mechanismus ständig Wärme. Tatsächlich ist dies der vorherrschende Mechanismus, der die Oberflächentemperatur eines atmosphärenlosen Planeten festlegt: ein Planet mit Radius$R_\oplus$ohne Atmosphäre und beleuchtet von einem Stern mit intensivem Licht$I$erreicht thermisch stabil bei Temperatur$T$Zustand, wenn ein- und ausgehende Strahlungswärmeströme gleich sind:

wobei die rechte Seite den durch das Stefan-Boltzmann-Gesetz beschriebenen Strahlungstransfer ausdrückt (unter Vernachlässigung des von der Sonne eingenommenen Raumwinkels),$\sigma$ist die Stefan-Boltzmann-Konstante die$T_{CMBR}\approx 2.7{\rm K}$ist die kosmische Hintergrundmikrowellenstrahlungstemperatur, die "Temperatur des Weltraums". Beim Lösen von (1) nach$I = 1200{\rm W\,m^{-2}}$(die Kraft, durch die die Sonne die Erde erleuchtet) erhalten wir$T = 270{\rm K}$. Für die Erde berücksichtigt eine sorgfältigere Berechnung die Albedo der Erde ( dh den Anteil der einfallenden Strahlung, der direkt in den Weltraum reflektiert und nie in Wärme umgewandelt wird - die Temperatur einer perfekt reflektierenden Kugel im Weltraum wäre davon völlig unbeeinflusst einfallende Strahlung und wird weder absorbieren noch abstrahlen, sondern unabhängig von ihrer Anfangstemperatur bleiben). Das schmälert das Ergebnis. Eine weitere Quelle der Diskrepanz ist der Treibhauseffekt, der den Effekt der Albedo einer atmosphärenlosen Erde mehr als aufhebt. Aber Sie können sehen, dass das Ergebnis in der richtigen Umgebung für die Temperaturen der Erde liegt.

Während der Nacht, wenn kein Sonnenlicht die Atmosphäre und den Boden erwärmt, nähern sich die Erdoberfläche und die Atmosphäre der Temperatur des Weltraums an$T_{CMBR}$. Die thermische Trägheit der Luft und der Erdoberfläche führt natürlich dazu, dass die Nacht nicht lang genug ist, um die Temperatur auch nur annähernd zu senken$T_{CMBR}$aber wie Sie bemerken, fällt es etwas ab und unsere Nächte sind daher kühler.

Obwohl sie nicht ganz so hochauflösend sind wie ideal, scheint die meteoblue-Website vernünftige Meteogramme für Stationen auf der ganzen Welt zu geben, die die Energiekomponenten zeigen ...

^{_{(Beispiel Energiebilanzprognose, Copyright meteoblue)}}

Auf dem Strahlungsabschnitt (unter den vielen Diagrammen) können Sie Folgendes sehen:

• Die einfallende Sonnenstrahlung (SW nach unten) ... Energie von der Sonne, die den Boden erwärmen wird. Ein Prozess nur tagsüber.
• Die fühlbare Wärme ... das ist die von Ihnen erwähnte Leitung + Konvektion in die Atmosphäre und wird ein Kühlprozess für den Boden sein ... im Grunde erwärmt der Boden direkt die Luft direkt darüber (Leitung) und das führt zu Thermik/Mischen (Konvektion). Im Grunde ein rein tagsüber stattfindender Prozess.
• Die latente Hitze ... ein oft übersehener Faktor, der an Orten wie Florida (wo ich mich befinde) von erschreckender Bedeutung sein kann. Beim Verdampfen von Wasser wird Energie verbraucht ... und diese Energie wird später an die Atmosphäre abgegeben, wenn dieser Dampf schließlich kondensiert (oder abgelagert wird ). Es ist also ein Prozess, der der Oberfläche auch Energie entzieht (sie kühlt). Im Grunde ein Prozess, der nur tagsüber stattfindet (führt zu weniger drastischen Tagestemperaturanstiegen in maritimen Umgebungen als in Wüsten).
• Die aufsteigende langwellige Strahlung (LW up) ... die Erde emittiert kontinuierlich Strahlung, wie alle Körper bei jeder Temperatur ... das meiste davon in längeren Wellenlängen als die Sonne aufgrund der kühleren Temperatur hier im Vergleich zu dort (daher der Name). Dies ist eine kontinuierliche Freisetzung von Energie rund um die Uhr, die nur geringfügig variiert, wenn sich die Temperatur ändert ... und ein Kühlprozess ist.
• Die nach unten strömende langwellige Strahlung (LW down) ... Bestandteile in der Atmosphäre absorbieren Energie (von denen das meiste langwellige Energie der Erde ist), erwärmen sich und geben die Energie dann als ihre eigenen Strahler wieder ab. Ein Teil davon kehrt zur Erde zurück. Die vorherrschenden Re-Emittenten sind Treibhausgase ($H_2O$,$CO_2$, Methan usw.) und Wolken (kleiner Beitrag auch von Aerosolen (feste Partikel in der Atmosphäre)). Dies wird rund um die Uhr geschehen, variiert jedoch je nach Bewölkung etwas und ist ein Nettoerwärmungsprozess für die Erde.

Also typisch:
Tagsüber bringt Sonnenlicht Energie ein, wobei latente Wärme (Verdunstung) und fühlbare Wärme (Leitung/Thermik) ebenfalls ansteigen und einen Teil des schnellen Energiegewinns zerstreuen. Dann haben wir die ganze Nacht über eigentlich nur langwellige Strahlung als Faktor... von der ein großer Teil zur Erde zurückkehrt.

In trockeneren Gebieten gibt es tagsüber weniger latente Wärme (erwärmt sich also schneller), nachts weniger LW (aufgrund von weniger Wasserdampf) (kühlt also schneller ab) und somit insgesamt größere Schwankungen. Das Gegenteil gilt für maritime Regionen.

An bewölkten Tagen gibt es weniger Sonneneinstrahlung, aber mehr LW nach unten. Tagsüber wärmt es weniger, aber nachts kühlt es weniger ab. Insgesamt also kleine Schwankungen.

Etwas Energie wird tatsächlich nach unten in die Erde geleitet (und emittiert). Aber es muss ein langfristig ausgeglichener Prozess sein ( eine Mischung aus vorwiegend täglichen und jährlichen Schwankungen auf den ersten Metern ) ... ansonsten würde der Untergrund bei einer insgesamt weiter steigenden Energiezunahme zu einer weiteren Erwärmung führen. Ebenso wird der Oberfläche tatsächlich eine sehr kleine Energiemenge durch Leitung (und Emission) von Energie zugeführt, die tatsächlich innerhalb der Erde ausstrahlt (aufgrund radioaktiven Zerfalls). Es ist jedoch ein winziger Betrag ( Wikipedia gibt 0,027 % des Gesamtbudgets an ).

Diese Grafik und dieser zugehörige Wikipedia-Artikel geben eine größere Darstellung aller Wege des Energieaustauschs innerhalb der Erdatmosphäre und ihrer typischen Größenordnungen. Um dies vollständig durch die Oberfläche zu erweitern, müssten Sie nur die kleinen Strahlungs- / Leitungskomponenten in den und aus dem Untergrund hinzufügen.