BILANS ENERGII POWIERZCHNI ZIEMI

Cel ćwiczenia

Celem dwiczenia jest poznanie:



praw promieniowania



problematyki dotyczącej ilości promieniowania pochłoniętego, odbitego oraz emitowanego przez
powierzchnię Ziemi.



sezonowego i dobowego zróżnicowanie ilości energii dopływającej do powierzchni ziemi



wpływ zachmurzenia na wielkośd promieniowania krótkofalowego oraz długofalowego

Prawa promieniowania

W związku z tym, że dwiczenie dotyczy bilansu energetycznego, ważne jest poznanie dwóch praw, które
pomogą nam zrozumied zależności zachodzące pomiędzy temperaturą a wielkością i charakterem
promieniowania emitowanego przez ciało. Pierwsze z ich, prawo Stefana Boltzmanna mówi, że ilośd energii
emitowanej przez ciao wzrasta wraz z temperaturą. Matematyczny zapis tego prawa jest następujący:

E=δT

4

,

Gdzie:

E – promieniowanie emitowane (w*m

-2

), δ – stała Stefana Boltzmanna (5.67*10

-8

Wm

-2

K

-4

), T – temperatura

(K).

Ile w związku z tym energii emitowałaby powierzchnia ziemi mająca temperaturę ciała doskonale czarnego
255K?

E=(5.67*10

-8

Wm

-2

K

-4

)*(255K)

4

= =(5.67*10

-8

Wm

-2

K

-4

)*(4.228*10

9

K

4

)

E=240Wm

-2

Zauważ, że średnia temperatura ziemi wynosi 288K, to jest około 33K więcej. Powodem tego jest fakt, że
atmosfera ziemska pochłania promieniowanie cieplne ziemi, ogrzewa się w ten sposób (im jest cieplejsza tym
więcej emituje promieniowania) i sama staje się wtórnym źródłem promieniowania, którego to częśd
skierowana jest z powrotem w kierunku ziemi.

Zadanie 1

a. Średnia temperatura słooca wynosi 6000K. Jaka jakie jest natężenie emitowanego przez nie

promieniowania?

b. Ile promieniowania emitowałaby Ziemia, gdyby jej temperatura wynosiła 300K?

Zadanie 2

a. W zadaniu 1, ile razy słooce cieplejsze jest od ziemi?

b. Czym jest liczba podniesiona do potęgi 4?

c. Czy wyniki twoich obliczenia są w przybliżeniu równe wielkości promieniowania słooca/ziemi?

Drugie, prawo Wiena mówi, że charakter promieniowania zależy od temperatury ciała. A szczegółowo mówi, że
długośd fal o maksymalnej zdolności emisyjnej jest odwrotnie proporcjonalna do temperatury ciała.

λ

max

=C*T

-1

gdzie:

λ

max

– długośd fal o maksymalnej emisji (µm)

C – stała Wiena (2898 µm K)

T – temperatura (K)

Zadanie 3

Oblicz długośd fal o maksymalnej emisji dla ziemi i słooca biorąc pod uwagę temperatury podane powyżej
(ziemia – 288K; słooce – 6000K).

Twoje obliczenia wyjaśniają dlaczego promieniowanie słooca określa się jako promieniowanie krótkofalowe, a
promieniowanie ziemi jako długofalowe.

Zadanie 4

Na jaki zakres spektrum promieniowania elektromagnetycznego przypada długośd fal o największej emisyjności
słooca (Tabela 3).

Fale elektromagnetyczne

Długośd fal (µm)

Gamma

<0,0001

Promieniowanie X

0,0001 do 0,01

Ultrafiolet UV

0,01 do 0,4

Promieniowanie widzialne

0,4 do 0,7

Bliska podczerwieo

0,7 do 4,0

Podczerwieo (cieplne)

4 do 100

Mikrofalowe

100 do 1,000,000 (1m)

radiowe

>1,000,000 (1m)

Strumienie promieniowana

Z perspektywy ziemi na budżet radiacyjny składają się 4 strumienie jak pokazano na rycinach 3-1.

Dochodzące promieniowanie krótkofalowe (SW↓) to globalna wielkośd promieniowania słonecznego
dochodzącego do powierzchni ziemi. Wielkośd ta uzależniona jest głownie od lokalizacji, pory roku, pory dnia,
zachmurzenia i innych warunków atmosferycznych. Pewna częśd promieniowania krótkofalowego padającego
na powierzchnię ziemi jest od niej odbita (SW↑). Wielkośd ta w bilansie promieniowania jest odejmowana od
ilości energii słonecznej dochodzącej do powierzchni ziemi. Wielkośd odbitego od powierzchni ziemi
promieniowania słonecznego uzależniona jest od albedo powierzchni, które z kolei uzależnione jest od takich
charakterystyk jak kolor czy tekstura powierzchni. Oczywiście strumieo promieniowania krótkofalowego ma
znaczenie jedynie pomiędzy wschodem i zachodem słooca.

Musimy również rozpatrzyd promieniowanie długofalowe emitowane przez powierzchnię ziemi (LW↑) oraz
promieniowanie długofalowe, które pochłania atmosfera przy powierzchni ziemi (LW↓). Jak dowiedzieliśmy
się, promieniowanie długofalowe emitowane przez ziemię zależy od jej temperatury. Natomiast
promieniowanie długofalowe, które otrzymuje powierzchnia ziemi zależy od stanu atmosfery. W
przeciwieostwie do promieniowania krótkofalowego, promieniowanie długofalowe ma znaczenie przez cała
dobę. Bilans promieniowania obliczany jest jako suma promieniowania krótkofalowego (SW↓) i
długofalowego (LW↓) dochodzącego do powierzchni ziemi minus suma promieniowania długofalowego
(LW↑) i krótkofalowego (SW↑) uchodzącego lub odbitego od powierzchni ziemi.

Bilans promieniowania = SW↓- SW↑+ LW↓- LW↑

Na rycinach 3-2 i 3-3 pokazano wyniki pomiarów promieniowania długofalowego i krótkofalowego podczas
dwóch dni na stacji Barnewell, Południowa Karolina (33½°N). Zwród uwagę na różnicę 4 wspomnianych
strumieni promieniowania 24 lipca i 8 grudnia.

SW↓ - promieniowanie krótkofalowe dochodzące do powierzchni ziemi
SW↑- promieniowanie krótkofalowe odbite od powierzchni ziemi
LW↓- promieniowanie długofalowe dochodzące do powierzchni ziemi emitowane przez atmosferę
LW↑-promieniowanie długofalowe emitowane przez powierzchnię ziemi
Zadanie 5

Wypełnij poniższe diagramy na podstawie ryciny 3-3, dla jednej wybranej godziny w ciągu dnia i jednej
wybranej godziny w okresie nocy – na podstawie tak wybranych danych oblicz bilans promieniowania

Zadanie 6

Natężenie promieniowania dochodzącego do górnej granicy atmosfery w południe słoneczne 24 lipca i 8 grudnia
w Barnwell wynosi odpowiednio 1317 i 757W*m

-2

. Jak uważasz, dlaczego wartości te różnią się od wartości

notowanych na powierzchni Ziemi, które to pokazują wykresy 3-2 i 3-3.

Zadanie 7

Jakie jest albedo powierzchni ziemi o godz 13.00 24 lipca ?

(Albedo = SW↑/SW↓ *100%)

Zadanie 8

O której godzinie w ciągu dnia promieniowanie emitowane przez powierzchnię ziemi jest największe i dlaczego?

Zadanie 9

Dlaczego promieniowanie długofalowe ziemi jest większe 24 lipca niż 8 grudnia?

Zadanie 10

W jaki sposób strumienie promieniowania wyjaśniają dlaczego temperatura powietrza przy powierzchni ziemi
jest wyższa niż na wysokości 2m?

Promieniowanie i chmury

Poniższa figura pokazuje wartośd strumieni promieniowania na powierzchni ziemi w Barnwell w ciągu okresu 4
dniowego od 9-12 listopada 1983. Zmiany każdego strumienia promieniowania można wyjaśnid poprzez
rozpatrzenie praw promieniowania, normalnego cyklu dobowego oraz zmiany zachmurzenia.

Zadanie 11

Na podstawie dobowego promieniowania krótkofalowego wskaż, w których z rozpatrywanych dni były
bezchmurne, a w których pojawiło się zachmurzenie?

Zadanie 12

Na podstawie wartości promieniowania długofalowego oszacuj, w których dniach temperatura powietrza przy
powierzchni ziemi była najwyższa, a kiedy najniższa. W jaki sposób to oszacowałeś?

Zadanie 13

Którego dnia i w jakich godzinach, długofalowe promieniowanie dochodzące do powierzchni ziemi od atmosfery
zmieniło się radykalnie.

W jaki sposób te nagłe zmiany mogą nawiązywad do zmian zachmurzenia w tym okresie.

Zadanie 14

Na podstawie danych sporządź wykresy obrazujące zależnośd pomiędzy zachmurzeniem oraz strumieniem
promieniowania długofalowego i krótkofalowego.

Promieniowanie krótkofalowe: 8 grudzień, godz. 12.00, albedo 30% (promieniowanie w Wm

-2

)

Stopieo

zachmurzenia

chmurami L

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

SW↓

275

264

253

242

231

220

209

198

187

176

165

SW↑

83

79

76

73

69

66

63

59

56

53

50

Stopieo

zachmurzenia

chmurami M

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

SW↓

275

256

237

218

198

179

160

140

121

102

83

SW↑

83

77

71

65

59

54

48

42

36

31

25

Stopieo

zachmurzenia

chmurami M, przy

zachmurzeniu L=5

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

SW↓

275

205

189

174

159

143

128

112

97

82

66

SW↑

83

61

57

52

48

43

38

34

29

24

20

Promieniowanie krótkofalowe: 24 lipiec, godz. 12.00, albedo 30% (promieniowanie w Wm

-2

)

Stopieo

zachmurzenia

chmurami L

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

SW↓

890

854

818

783

747

712

676

640

605

569

534

SW↑

267

256

246

235

224

213

203

192

181

171

160

Stopieo

zachmurzenia

chmurami M

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

SW↓

890

827

765

703

640

578

516

454

391

329

267

SW↑

267

248

230

211

192

173

155

136

117

99

80

Stopieo

zachmurzenia

chmurami M, przy

zachmurzeniu L=5

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

SW↓

890

662

612

562

512

463

413

363

312

263

213

SW↑

267

199

184

169

154

139

124

109

94

79

64

Promieniowanie długofalowe dla T=15°C

Stopieo

zachmurzenia

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Chmury pietra L

LW↓ 290,0 296,4 302,8 309,1 315,5 321,9 328,3 334,7 341,0 347,4 353,8

LW↑ 370,6 370,6 370,6 370,6 370,6 370,6 370,6 370,6 370,6 370,6 370,6

Chmury pietra M

LW↓ 290,0 295,2 300,4 305,7 310,9 316,1 321,3 326,5 331,8 337,0 342,2

LW↑ 370,6 370,6 370,6 370,6 370,6 370,6 370,6 370,6 370,6 370,6 370,6

Stopieo

zachmurzenia

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Chmury pietra M,

dla chmur L=5

LW↓ 290,0 327,1 332,3 337,6 342,8 348,0 353,2 358,4 363,7 368,9 374,1

LW↑ 370,6 370,6 370,6 370,6 370,6 370,6 370,6 370,6 370,6 370,6 370,6