Równowaga pionowa

1

Dział 3: Energia: promieniowanie

________________________________________________________________________________

Zagadnienia

Procesy przenoszenia i wymiany energii w atmosferze Ziemi. Przypomnienie podstawowych
pojęć: praca, energia, moc, temperatura, ciepło. Promieniowanie elektromagnetyczne, widmo
promieniowania. Prawa radiacyjnego transportu energii. Promieniowanie w atmosferze
ziemskiej - krótkofalowe i długofalowe. Zjawiska związane z promieniowaniem, pojęcia
podstawowe, pochłanianie i rozpraszanie promieniowania w atmosferze ziemskiej. Bilans
energetyczny promieniowania.

________________________________________________________________________________

Cele

Po zapoznaniu się z materiałem tej części wykładu, powinieneś / powinnaś:
-

znać procesy przenoszenia i wymiany energii i orientować się co do ich roli w atmosferze
ziemskiej

-

znać podział widma promieniowania elektromagnetycznego na zakresy i umieć
scharakteryzować zakresy mające znaczenie w meteorologii

-

znać i rozumieć podstawowe prawa promieniowania: Wiena i Stefana-Boltzmanna, oraz
podstawowe pojęcia i zależności fotometryczne, a także stosować owe pojęcia i
zależności w prostych zadaniach rachunkowych

-

znać pojęcie równowagi radiacyjnej i umieć je zastosować dla układów postaci Słońce-
Ziemia oraz Słońce-Ziemia-atmosfera

-

wiedzieć, które zakresy fal podlegają efektywnemu pochłanianiu przez poszczególne
składniki atmosfery i jaki wpływ ma owo pochłanianie na równowagę radiacyjną planety

-

rozumieć pojęcia "efektu cieplarnianego", "globalnego ocieplenia" i "dziury ozonowej"

-

orientować się w proporcjach poszczególnych składników bilansu radiacyjnego atmosfery
i powierzchni Ziemi

________________________________________________________________________________

Procesy przenoszenia i wymiany energii

- przewodzenie
- konwekcja
- promieniowanie

________________________________________________________________________________

Definicje wielkości podstawowych, jednostki miar, najważniejsze wartości

Praca = siła

×

przesunięcie [1J = 1N × 1m = 1kg × 1m /s2 × 1m]

(1 cal = 4.187 J 1 J = 0.2389 cal)
Moc = praca / czas [1W = 1J / 1s]

Meteorologia

Łobocki

Równowaga pionowa

2

Ciepło właściwe:

J kg

-1

K

-1

cal/(g

×

°C)

woda (w temperaturze 15°C):

4187

1

para wodna (przy stałym ciśnieniu):

1850

0.44

lód (w temperaturze 0°C):

2106

0.5

Powietrze suche (w war. norm., przy stałym ciśnieniu)

1005

0.24

Piasek kwarcowy

790

0.19

Ciepło parowania wody: 2500600 J kg-1
Ciepło sublimacji lodu: 2834170 J kg-1

Przykład: Jaką ilość pary wodnej należałoby skroplić, aby ogrzać kolumnę powietrza o
jednostkowym przekroju poprzecznym, rozciągającą się pomiędzy poziomami 1000, a 850
hPa, o 1 K?
Jaką część owej kolumny powietrza będzie stanowić ta ilość pary?

Rozwiązanie:
a) najpierw postaramy się znaleźć masę rozważanego słupa powietrza. Ciśnienie p jest
wywierane przez całą kolumnę powietrza znajdującą się powyżej poziomu 1000 hPa. W
granicach od 1000 do 850 hPa znajduje się jedynie 0.15 tej masy. Parcie hydrostatyczne (siła
nacisku powietrza) na powierzchnię o polu przekroju S = 1 m2 wyniesie

P p S

= ⋅ =

⋅

=

100000

1

100000

N / m m

N

2

2

Z drugiej strony, siła ta równa jest iloczynowi przyspieszenia ziemskiego i masy całej
kolumny powietrza:

P m g

= ⋅

Stąd masa całej kolumny równa jest

m

P

g

=

=

=

100000

981

10194

kg m s

m s

kg

-2

-2

.

Odpowiednio, 0.15 tej masy, to 1529 kg. Na ogrzanie tej ilości powietrza o 1 K potrzeba

1529

1005

1

15

kg

J kg K

K =1536697 J

MJ

-1

-1

⋅

⋅

≈

.

a ponieważ ciepło parowania wody wynosi ok. 2.5 MJ / kg, więc wystarczy skroplić

15

25

06

.

.

.

MJ

MJ kg

kg

-1

=

wody.
W porównaniu z ogólną masą ponad 1500 kg powietrza, stanowi to zaledwie jej 0.04%!

Meteorologia

Łobocki

Równowaga pionowa

3

________________________________________________________________________________

Widmo promieniowania elektromagnetycznego

________________________________________________________________________________

Efekty biologiczne UV:

UVA: pochłaniane przez barwniki chlorofilowe (aż po niebieskie), odpowiedzialne za

starzenie się skóry

UVB: powstawanie witaminy D, opalenizna; zmiany nowotworowe
UVC: uszkadza kwasy nukleinowe i białka, bakteriobójcze

Meteorologia

Łobocki

1 0

- 1 2

1 0

- 1 0

1 0

- 8

1 0

- 6

1 0

- 4

1 0

- 2

1

D ł u g o ś ć f a l i , m

UKF

, TV

R A D I O W E

M I K R O F A L E

P O D C Z E R W I E N

I R

WID

ZIAL

NE

X

γ

U V

U V B

U V A

1 0 0

2 0 0

3 0 0

4 0 0

5 0 0

6 0 0

7 0 0

n m

U V C

Równowaga pionowa

4

________________________________________________________________________________

Podstawowe prawa promieniowania

- prawo Plancka (rozkład Plancka)

gęstość mocy promieniowania przypadający na określoną długość fali, dla danej temperatury
ciała doskonale czarnego
c – prędkość światła (300 000 km/s)
h – stała Plancka (6.62*10

-34

J*s)

λ

- długość fali

k – stała Boltzmanna (1.3807*10

-23

J/K)

T – temperatura [ K ]

-

prawo Wiena:

-

prawo Stefana-Boltzmanna

Meteorologia

Łobocki

Inte

nsy

wn

ość

pro

mie

nio

wan

ia

D ł u g o ś ć f a l i ,

0 . 4

0 . 7

1

1 . 5

5

1 0

2 0

4 0

λ

max

.

.

T

const

=

=

×

⋅

−

2 897 10

3

m K

P r a w o p r z e s u n i ę ć W i e n a :

µ

m

4

T

E

σ

=

2

,

5

2

1

*

1

B

hc

kT

c h

E

e

λ

λ

π

=

λ

−

Równowaga pionowa

5

E - gęstość mocy promieniowania ciała doskonale czarnego [Wm

-2

]

T - temperatura [K]

σ

= 5.669×10

-8

Wm

-2

K

-4

- stała Stefana-Boltzmanna.

Meteorologia

Łobocki

Równowaga pionowa

6

________________________________________________________________________________

Promieniowanie krótkofalowe (Słońca) i długofalowe (Ziemi i atmosfery)

Pochłanianie promieniowania krótkofalowego
- pochłanianie promieniowania przez tlen i ozon
- "okno atmosferyczne" w paśmie widzialnym

Pochłanianie promieniowania długofalowego
- para wodna
- dwutlenek węgla
- inne, np. metan, freony, podtlenek azotu, fluoropochodne i bromofluorowe pochodne
węglowodorów, ozon (praktyczne znaczenie ma ozon troposferyczny)

Efekt szklarniowy (cieplarniany)
- Podniesienie temperatury równowagi radiacyjnej planety wskutek pochłaniania
promieniowania długofalowego w atmosferze i reemisji przez nią
- Efekt naturalny, prawdopodobnie zwiększony wskutek działalności człowieka

________________________________________________________________________________

Pojęcia podstawowe

Stała słoneczna
gęstość mocy promieniowania słonecznego na górnej granicy atmosfery, ok. 1360 Wm-2

Współczynnik odbicia (Albedo)
stosunek ilości energii promieniowania odbitego od danej powierzchni, do ilości energii
promieniowania na nią padającego, w tym samym czasie.

Albedo planetarne - ok. 30%.

Bilans energetyczny promieniowania krótkofalowego i długofalowego

Rozkłady przestrzenne albedo, efektywnego promieniowania długofalowego i bilansu
promieniowania na kuli ziemskiej

Promieniowanie całkowite, bezpośrednie i rozproszone

Rozpraszanie promieniowania:
Rozpraszanie Rayleigha, Ramana i Mie

Natężenie promieniowania

Moc promieniowania emitowanego ze źródła punktowego, w obrębie jednostkowego kąta
bryłowego:
W / sr

Strumień promieniowania (gęstość strumienia)

Meteorologia

Łobocki

Równowaga pionowa

7

Moc promieniowania emitowanego, otrzymywanego lub przechodzącego przez jednostkę
powierzchni, w kierunkach (z kierunków) obejmujących połowę sfery leżącą po jednej ze
stron owej powierzchni.
W / m

2

________________________________________________________________________________

Równowaga radiacyjna

Załóżmy, że powierzchnia Ziemi pochłania 70% energii promieniowania dochodzącego do
górnej granicy atmosfery. Pozostałe 30% jest odbijane z powrotem w przestrzeń kosmiczną,
(albedo planetarne). Ilość energii emitowana przez Ziemię jest zależna od temperatury
powierzchni Ziemi (z prawa Stefana-Boltzmanna) i musi być równa ilości energii
pochłoniętej przez Ziemię. Znajdźmy więc temperaturę jaką musi mieć powierzchnia Ziemi
aby emitowała ilość energii równą ilości energii pochłanianej od Słońca:

Warunkiem istnienia równowagi radiacyjnej jest, aby w dostatecznie długim okresie czasu
ilość energii pochłoniętej przez powierzchnię Ziemi była równa ilości energii wyemitowanej:

2

4

0

2

0

4

)

1

(

r

T

r

S

π

σ

π

α

∗

=

∗

−

gdzie r – promień Ziemi

stąd

C

K

S

T

o

18

255

4

)

1

(

4

0

0

−

=

=

−

=

σ

α

Jest to tzw. temperatura efektywna Ziemi.

Jeśli przyjąć, że atmosfera przepuszcza w calości promieniowanie słonecze, ale pochłania w
calości promieniowanie podczerwone emitowane przez Ziemię, to temperatura zewnętrznej
części atmosfery będzie równa temperaturze efektywnej z poprzedniego przykładu. Bilans
energetyczny powierzchni Ziemi zapisze się jako:

2

4

2

4

2

0

4

4

)

1

(

r

T

r

T

r

S

S

A

π

σ

π

σ

π

α

∗

=

∗

+

∗

−

ale

2

4

2

0

4

)

1

(

r

T

r

S

A

π

σ

π

α

∗

=

∗

−

, więc

2

4

2

4

4

4

2

r

T

r

T

S

A

π

σ

π

σ

∗

=

∗

∗

, czyli

C

K

T

T

T

T

o

A

S

30

303

19

.

1

2

2

0

4

0

4

=

=

=

=

=

________________________________________________________________________________

Pomiary promieniowania słonecznego, wielkości mierzone

- promieniowanie bezpośrednie
- promieniowanie całkowite
- promieniowanie rozproszone
- nasłonecznienie
- usłonecznienie

________________________________________________________________________________

Zasoby internetowe do samodzielnej eksploracji

 http://www.unidata.ucar.edu/staff/blynds/tmp.html

Co wypada wiedzieć o temperaturze i jej pomiarach - materiał popularnonaukowy

Meteorologia

Łobocki

Równowaga pionowa

8



http://cimss.ssec.wisc.edu/wxwise/homerbe.html
Podstawowe pojęcia dotyczące bilansu radiacyjnego Ziemi i równowagi radiacyjnej

 http://cimss.ssec.wisc.edu/wxwise/homerbe.html

http://earthobservatory.nasa.gov/Library/GlobalWarming/warming4.html
http://www.ipcc.ch
Efekt cieplarniany

 http://www.ems.psu.edu/~fraser/Bad/BadGreenhouse.html

Jak nie mówić na temat efektu cieplarnianego

 http://maia.usno.navy.mil/eop.html

Ziemia się kręci ... i nie tylko

 http://cimss.ssec.wisc.edu/wxwise/bluesky.html

Dlaczego niebo jest niebieskie?

 http://susdesign.com/sunangle/

Kalkulator wysokości Słońca

 http://www.eere.energy.gov/RE/solar.html

energia słoneczna - U.S. DOE

 http://riker.ps.missouri.edu/RicksPage/refract/refraction.html

symulator załamania światła



http://pl.wikipedia.org/wiki/Radiometria
http://climate.gsfc.nasa.gov/~cahalan/Radiation/SolarIrr.html
http://avc.comm.nsdlib.org/java/budget/budget.htm
http://sol.sci.uop.edu/~jfalward/heattransfer/heattransfer.html
http://earth.usc.edu/~geol150/weather/atmenergy.html

Pojęcia związane z promieniowaniem

________________________________________________________________________________

Zadania do samodzielnej pracy i pytania kontrolne

1. Wyjaśnij pojęcie "strumień promieniowania"
2. Przyjmując temperaturę fotosfery Słońca ok. 6000 K, i temperaturę powierzchni Ziemi ok.

280 K, oszacuj długość fali promieniowania elektromagnetycznego, dla której
intensywność promieniowania jest największa (widmowa gęstość mocy osiąga maksimum)

3. Wyjaśnij terminy "promieniowanie krótkofalowe" i "promieniowanie długofalowe"
4. Jakie gazy spośród naturalnie występujących w atmosferze określamy mianem gazów

szklarniowych?

5. Wyjaśnij mechanizm powstawania efektu szklarniowego.
6. Czy efekt szklarniowy powinien odgrywać rolę w przypadku Marsa? W przypadku Wenus?
7. Wyszukaj w literaturze alternatywne teorie tłumaczące ewolucję klimatu we wczesnym

okresie dziejów Ziemi (pierwszy miliard lat) i skonfrontuj je z sobą.

8. Wyjaśnij, dlaczego tarcza Słońca oglądana o zachodzie ma czerwonawą barwę.
9. Co to jest "stała słoneczna"? Czy jej wartość jest taka sama latem i zimą?
10. Wyjaśnij, dlaczego w leżącej w pobliżu równika tzw. międzyzwrotnikowej strefie

zbieżności występuje zachmurzenie.

11. Wyjaśnij mechanizm prowadzący do powstania konwekcji w dolnej części atmosfery.

Meteorologia

Łobocki

Równowaga pionowa

9

12. Wyjaśnij, dlaczego w suchej atmosferze konwekcja rozwija się u powierzchni ziemi, a nie

np. w jakiejś warstwie leżącej powyżej.

13. Czy proces przenoszenia energii przez przewodnictwo cieplne ma w atmosferze większą,

czy mniejszą wydajność od transportu radiacyjnego? Jeśli odpowiedź zależy od warunków,
określ je.

14. Opisz rozkłady przestrzenne albedo, efektywnego promieniowania długofalowego i

bilansu radiacyjnego na kuli ziemskiej. Jakie czynniki fizyczne miały istotny wpływ na
ukształtowanie się tych rozkładów?

15. Czym należy tłumaczyć występowanie maksimum w pionowym profilu temperatury w

obszarze stratosfery?

16. Dlaczego uważa się powstanie "dziury ozonowej" za zagrożenie dla ludzkości?

________________________________________________________________________________

Meteorologia

Łobocki