18.03.99

WYKŁAD V

W warunkach naturalnych rzadko mamy doczynienia z promieniami padającymi pionowo (ogólnie są nachylone pod kątem) w stosunku do rozpatrywanej powierzchni.

Natężenie promieniowania padającego bezpośrednio na powierzchnię poziomą maleje proporcjonalnie do sinusa kąta padania promieni.

I_h=I^*×sinh

I_h - natężenie promieniowania na powierzchnię poziomą.

I^* - natężenie promieniowania na powierzchnię prostopadłą do padających promieni.

h - kąt padania promieni słonecznych.

Dlatego rano, wieczorem a także w zimie słońce mniej nagrzewa Ziemię niż w południe i w lecie.

Promieniowanie pochłonięte:

Promieniowanie pochłonięte przez powierzchnię Ziemi jest to całkowite promieniowanie słoneczne pomnożone przez K(1-a). Całość promieniowania pochłoniętego przez powierzchnię Ziemi oceniana jest na ok. 40 promieniowania słonecznego dochodzącego do górnej granicy atmosfery.

Promieniowanie powierzchni Ziemi [L­]:

Energia promieniowania słonecznego całkowitego pochłonięta przez powierzchnię Ziemi zamienia się w energię ocieplą Ogrzana powierzchnia Ziemi promieniuje do atmosfery i w przestrzeń międzyplanetarną.

Wskutek stosunkowo niskiej temperatury powierzchni Ziemi promieniowanie mieści się całkowicie w obszarze podczerwieni. Jest to więc promieniowanie długofalowe, trwa ono zarówno w dzień jak i w nocy. Jego wielkość rośnie wraz ze wzrostem temperatury powierzchni Ziemi, a szczególnie wyraźnie zaznacza się w ciągu nocy przy braku całkowitego promieniowania słonecznego, przy braku chmur, przy małej zawartości pary wodnej i zanieczyszczeń atmosfery.

Promieniowanie atmosfery [LŻ]:

Większa część promieniowania powierzchni Ziemi zostaje pochłonięta w dolnej troposferze przez parę wodną, CO₂, inne zanieczyszczenia. Istotną rolę odgrywają tu chmury, mgły i cząsteczki stałe. Na skutek pochłaniania promieniowania Ziemi i części promieniowania słonecznego oraz otrzymywania ciepła poprzez turbulencyjne mieszanie się powietrza i kondensacji pary wodnej zawartej w powietrzu, atmosfera ogrzewa się i sama promieniuje. Przeważająca część promieniowania atmosfery dociera do powierzchni Ziemi, reszta uchodzi w przestrzeń międzyplanetarną Promieniowanie atmosfery nosi nazwę zwrotnego promieniowania atmosfery [L Ż]. Jest to promieniowanie długofalowe.

Powierzchnia Ziemi pochłania promieniowanie zwrotne atmosfery w całości i w ten sposób uzyskuje dodatkowe ilości ciepła, pochodzi ono z dolnych warstw atmosfery i rośnie wraz ze wzrostem zachmurzenia i grubości chmur. Gdyby nie atmosfera i jej zwrotne promieniowanie zapobiegające szybkiemu ochładzaniu się powierzchni Ziemi średnia roczna temperatura ziemi wynosiłaby nie +15⁰C, tylko -23⁰C.

Promieniowanie efektywne [L]:

W nocy do powierzchni Ziemi dociera tylko promieniowanie zwrotne atmosfery, które zazwyczaj jest mniejsze od promieniowania Ziemi. Wówczas powierzchnia Ziemi ochładza się gdyż utrata energii cieplnej jest większa niż jej przychód.

Promieniowanie efektywne jest to różnica pomiędzy promieniowaniem powierzchni Ziemi a zwrotnym promieniowaniem atmosfery.

L= L­-LŻ [cal/cm²min]

Bilans promieniowania powierzchni Ziemi (saldo radiacyjne):

Jest to różnica pomiędzy przychodem a rozchodem ciepła drogą promieniowania, a oblicza się je ze wzoru:

Q= KŻ-K­+ LŻ-L­ Q=K-L

Q - promieniowanie różnicowe (saldo radiacyjne)

KŻ - całkowite promieniowanie słoneczne

K­ - promieniowanie odbite (albedo) - bilans promieniowania krótkofalowego

LŻ - zwrotne promieniowanie atmosfery

L­ - promieniowanie z powierzchni Ziemi - w zakresie długofalowym

Od wartości bilansu promieniowania zależą w głównej mierze warunki cieplne powierzchni gleby i przygruntowych warstw powietrza. W ciągu dnia bilans promieniowania jest zazwyczaj dodatni (przychody > rozchodów), przy księżycu - w nocy bilans przybiera wartości ujemne. W przebiegu rocznym ciepłe półrocze charakteryzuje się bilansem dodatnim, chłodne ujemnym.

Równanie bilansu cieplnego:

Q+G+A+LE=0 [cal/cm²] lub [w/m²]

Q - saldo radiacyjne (bilans promieniowania)

A - wymiana ciepła między powierzchnią Ziemi a atmosferą

G - wymiana ciepła między powierzchnią Ziemi a głębszymi jej warstwami

LE - wymiana ciepła w trakcie przemian fazowych wody (parowanie, kondensacja, topnienie itd.)

Bilans cieplny powierzchni Ziemi:

Bilans cieplny powierzchni Ziemi jest ot zestawienie ilości energii cieplnej otrzymywanej i traconej przez tę powierzchnię na drodze wymiany.

Zasadniczą pozycję dochodową w równaniu bilansu powierzchni stanowi część promieniowania słonecznego pochłoniętego przez powierzchnię Ziemi. Energia ta zostaje zamieniona na ciepło, które następnie jest zużywane różne procesy zachodzące stale w atmosferze i podłożu ziemi., a przede wszystkim na granicy atmosfery i podłoża w tzw. warstwie granicznej. Ciepło to jest oddawane atmosferze drogą wymiany turbulencyjnej i przyczynia się do wzrostu temperatury powietrza A, następnie ciepło to jest przenoszone w głąb podłoża i powoduje wzrost jego temperatury G, następnie jest zużywane na parowanie z powierzchni czynnej LE; dalej, jest ono wypromieniowywane bezpowrotnie w przestrzeń pozaziemską, w postaci promieniowania efektywnego. Niewielka ilość tego ciepła jest zużywana w procesie fotosyntezy (1-4%).

Każdy z tych składników równania może mieć w ciągu doby wartości dodatnie lub ujemne w zależności od kierunku strumienia ciepła.

:

Wartości dodatnie to te które odnoszą się do strumienia skierowanego do powierzchni czynnej

Wartości ujemne występują gdy strumień skierowany jest od powierzchni czynnej.

Zgodnie z prawem zachowania energii bilans cieplny powinien być=0, zależy on jednak od przebiegu pogody, pory dnia i roku.

---