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 = siÅ‚a × przesuniÄ™cie [1J = 1N × 1m = 1kg × 1m /s2 × 1m]
(1 cal = 4.187 J 1 J = 0.2389 cal)
Moc = praca / czas [1W = 1J / 1s]
Meteorologia A
obocki
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?
RozwiÄ…zanie:
a) najpierw postaramy siÄ™ znalez
ć 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 powierzchniÄ™ o polu przekroju S = 1 m2 wyniesie
P = pÅ" S = 100000 N / m2 Å"1 m2 = 100000 N
Z drugiej strony, siła ta równa jest iloczynowi przyspieszenia ziemskiego i masy całej
kolumny powietrza:
P = mÅ" g
Stąd masa całej kolumny równa jest
P 100000 kg m s-2
m= = = 10194 kg
g 981 m s-2
.
Odpowiednio, 0.15 tej masy, to 1529 kg. Na ogrzanie tej ilości powietrza o 1 K potrzeba
1529 kgÅ"1005 J kg-1 K-1Å"1 K =1536697 J H" 15 MJ
.
a ponieważ ciepło parowania wody wynosi ok. 2.5 MJ / kg, więc wystarczy skroplić
1.5 MJ
= 06 kg
.
25 MJ kg-1
.
wody.
W porównaniu z ogólną masą ponad 1500 kg powietrza, stanowi to zaledwie jej 0.04%!
Meteorologia A
obocki
Równowaga pionowa 3
________________________________________________________________________________
Widmo promieniowania elektromagnetycznego
I R U V
R A D I O W E M I K R O F A L E Å‚
P O D C Z E R W I E N X
- 2 - 4 - 6 - 8 - 1 0 - 1 2
1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0
D ł u g o ś ć f a l i , m
U V B
U V A U V C
7 0 0 6 0 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0
n m
________________________________________________________________________________
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 A
obocki
WIDZIALNE
UKF, TV
Równowaga pionowa 4
________________________________________________________________________________
Podstawowe prawa promieniowania
- prawo Plancka (rozkład Plancka)
2Ä„c2h 1
E,B = *
5 hc
ekT -1
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)
 - długość fali
k  stała Boltzmanna (1.3807*10-23 J/K)
T  temperatura [ K ]
- prawo Wiena:
P r a w o p r z e s u n i ę ć W i e n a :
maxT = const.= 2.897 ×10-3 m Å" K
0 . 4 0 . 7 1 1 . 5 5 1 0 2 0 4 0
µ m
D ł u g o ś ć f a l i ,
- prawo Stefana-Boltzmanna
4
E = ÃT
Meteorologia A
obocki
Intensywność promieniowania
Równowaga pionowa 5
E - gęstość mocy promieniowania ciała doskonale czarnego [Wm-2]
T - temperatura [K]
à = 5.669×10-8 Wm-2K-4 - staÅ‚a Stefana-Boltzmanna.
Meteorologia A
obocki
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 niÄ… padajÄ…cego, 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 z
ródła punktowego, w obrębie jednostkowego kąta
bryłowego:
W / sr
Strumień promieniowania (gęstość strumienia)
Meteorologia A
obocki
Równowaga pionowa 7
Moc promieniowania emitowanego, otrzymywanego lub przechodzÄ…cego przez jednostkÄ™
powierzchni, w kierunkach (z kierunków) obejmujących połowę sfery leżącą po jednej ze
stron owej powierzchni.
W / m2
________________________________________________________________________________
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. Znajdz
my 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 2
S0 (1-Ä…) "Ä„r = ÃT04 " 4Ä„r gdzie r  promieÅ„ Ziemi
S0 (1-Ä…)
4
stÄ…d T0 = = 255K = -18o C
4Ã
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 siÄ™ jako:
2 4 2 2
S0 (1-Ä…) "Ä„r + ÃTA " 4Ä„r = ÃTS4 " 4Ä„r
2 4 2
ale S0 (1-Ä…) "Ä„r = ÃTA " 4Ä„r , wiÄ™c
4 2 2
2 "ÃTA " 4Ä„r = ÃTS4 " 4Ä„r
, czyli
TS = TA 4 2 = T0 4 2 = 1.19T0 = 303K = 30o C
________________________________________________________________________________
Pomiary promieniowania słonecznego, wielkości mierzone
- promieniowanie bezpośrednie
- promieniowanie całkowite
- promieniowanie rozproszone
- nasłonecznienie
- usłonecznienie
________________________________________________________________________________
Zasoby internetowe do samodzielnej eksploracji
Øð http://www.unidata.ucar.edu/staff/blynds/tmp.html
Co wypada wiedzieć o temperaturze i jej pomiarach - materiał popularnonaukowy
Meteorologia A
obocki
Równowaga pionowa 8
Øð http://cimss.ssec.wisc.edu/wxwise/homerbe.html
Podstawowe pojęcia dotyczące bilansu radiacyjnego Ziemi i równowagi radiacyjnej
Øð http://cimss.ssec.wisc.edu/wxwise/homerbe.html
http://earthobservatory.nasa.gov/Library/GlobalWarming/warming4.html
http://www.ipcc.ch
Efekt cieplarniany
Øð http://www.ems.psu.edu/~fraser/Bad/BadGreenhouse.html
Jak nie mówić na temat efektu cieplarnianego
Øð http://maia.usno.navy.mil/eop.html
Ziemia się kręci ... i nie tylko
Øð http://cimss.ssec.wisc.edu/wxwise/bluesky.html
Dlaczego niebo jest niebieskie?
Øð http://susdesign.com/sunangle/
Kalkulator wysokości Słońca
Øð http://www.eere.energy.gov/RE/solar.html
energia słoneczna - U.S. DOE
Øð http://riker.ps.missouri.edu/RicksPage/refract/refraction.html
symulator załamania światła
Øð 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 A
obocki
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 odpowiedz
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 A
obocki