Meteorologija, Klimatologija - Vaje

1. Meteorologija,Klimatologija - Vaje 5. vaja Kondukcija in konvekcija ftp://ftp.bf.uni-lj.si/pub/klemen/*.ppt

2. Kondukcija in konvekcija Pregled poglavja • KONDUKCIJA • Temperaturni gradient in Fick-ova zakona (I. In II.) • Odvisnost energijskega toka od lastnosti materiala • Temperaturna nihanja v tleh • Globina dušenja temperaturnega nihanja • Časovni zamik • KONVEKCIJA • Naravna konvekcija • Prisilna konvekcija • ZAZNAVNA IN LATENTNA TOPLOTA • ENERGIJSKA BILANCA TAL • Bowen-ovo razmerje

3. Prenosi energije Trije osnovni načini prenosa energije v atmosferi in tleh: • Sevanje (za prenos ne potrebujemo materije) PRIMER: Vroča žička v žarnici oddaja svetlobo in s tem energijo preko sevanja. • Kondukcija (neposreden dotik - brez mešanja snovi) PRIMER: Če se grejete s sedenjem na toplem radiatorju, prejemate energijo s kondukcijo) • Konvekcija (z mešanjem snovi) PRIMER: Za topel zrak v predavalnici se moramo zahvaliti radiatorjem in konvekciji.

4. Prenosi energije Prenosi energije v različnih medijih • Vesolje (vir in ponor sevanja) • Ozračje(sevalni tokovi: kratkovalovni, dolgovalovni; konvektivni tokovi: turbulenca, advekcija) • Kopno (konduktivni tokovi) • Morje (sevalni tokovi: kratkovalovni, dolgovalovni; konvektivni tokovi: turbulenca, advekcija)

5. Toplota Toplota je oblika energije v procesu prenosa iz enega telesa na drugega zaradi temperaturnih razlik med njima. Ko pride do prenosa toplote, se le ta shrani v obliki notranje energije – gibanja molekul v snovi (na podlagi česar je definirana temperatura snovi).

6. Toplota Temperatura Temperatura je mera za kinetično energijo molekul v snovi. Toplota je energije v prehajanju med dvema (ali več) substancama. Temperatura je lastnost stanja snovi in jo lahko merimo (v K, °C, °F) Toplote ne moremo meriti, merimo lahko le temperaturne spremembe, ki jih povzroča Temperatura ni odvisna od števila molekul v snovi, temveč le od energije molekul. Več molekul prenaša energijo bolj efektivno kot manj molekul.

7. Kondukcija Kondukcija je način prenosa energije znotraj snovi (trki molekul), brez mešanja. Gostota energijskega toka, ki se prenaša s kondukcijo je odvisna od temperaturnega gradienta v snovi in toplotne prevodnosti snovi. Prenos poteka v nasprotni smeri gradienta temperature. NAJPOMEMBNEJŠI NAČIN PRENOSA ENERGIJE V TLEH!

8. Kondukcija – temperaturni gradient grad-sprememba spremenljivke vzdolž razdalje - ima smer in velikost - kaže v smeri največjega naraščanja spr. Temperaturni gradient predstavlja spremembo temperature vzdolž določene razdalje. 4 m 20°C 10°C Gradient: velikost smer

9. Kondukcija Toplota se prenaša v smeri od višje proti nižji temperaturi – smer nasprotna temperaturnemu gradientu Če obstaja temperaturni gradient, ga prenos toplote skuša izničiti. Nekatere snovi dobro prevajajo toploto – prevodniki (npr. železo), druge slabše – izolatorji (npr. zrak). O tem govori TOPLOTNA PREVODNOST SNOVI.

10. Kondukcija 1. FICKOV ZAKON jG - gostota toka toplote v snovi – kondukcija [W/m2] k - toplotna prevodnost snovi (lastnost snovi) [W/mK] (sposobnost snovi za prevajanje toplote) grad(T) - temperaturni gradient [K/m] velikost ocenimo približno kot razliko temperature snovi na določeni razdalji – T/ z

11. jG,1 Vertikalna divergenca toplotnega toka = ohlajanje jG,1 < jG,2 se ohlaja jG,2 jG,1 se segreva Vertikalna konvergenca toplotnega toka = segrevanje jG,1 > jG,2 jG,2

12. Kondukcija ČASOVNE SPREMEMBE TEMPERATURE TAL 2. FICKOV ZAKON =k/c- temperaturna prevodnost tal[m2/s]  - gostota tal[kg/m3] c - specifična toplota tal

13. DAN Spreminjanje temperature tal z globino Opis temperature površine tal Pri tem je =2/P– kotna hitrost površinskega temperaturnega vala P - perioda v s (24 ur za dnevna in 365 dni za letna nihanja) Opis temperature tal na globini z LETO zDje globina dušenja temperaturnih nihanja- globina na se amplituda nihanja zmanjša na e-1oziroma 37% vrednosti, ki jo ima na površju

14. Če nas zanimajo le nihanja amplitude A(0) T Zima Noč Poletje Dan A(z) z A(0)- razpon temperaturnih nihanj na površini tal [K] A(z) - razpon temperaturnih nihanj na globini z [K]

15. Če nas zanimajo tudi časovni potek T Peščena tla,  = 0.5 m2 s-1 zD = 1.954 m Šotna tla,  = 0.15 m2 s-1 zD = 0.917 m

16. Kondukcija TOPLOTNA PREVODNOST za nekatere snovi

17. Kondukcija TOPLOTNA IN TEMPERATURNA PREVODNOST za nekatere tipe tal

18. Vpliv vode v tleh na različne lastnosti tal toplotna prevodnost toplotna kapaciteta toplotna dostopnost temperaturna prevodnost (toplotna difuzivnost) from Oke, T., (1987)

19. LEVO: Temperaturni profil v snežni odeji ob različnem lokalnem času (vir: Oke, 1987). SNEG DESNO: Nočni temperaturni profil v novozapadlem snegu ter z njim pokritimi tlemi ob različnem lokalnem času (vir: Oke, 1987)

20. Convection Konvekcija • Prenos toplote z gibanjem tekočine – mešanjem. • Pomemben proces v ATMOSFERI IN OCEANIH delec zraka MEŠANJE T T T termična konvekcija

21. Convection Konvekcija NARAVNA KONVEKCIJA – Povzročajo jo razlike v gostoti zraka, ki se pojavljajo ob neenakomernem segrevanju zemeljske površine, ki posredno neenakomerno segreva zrak. Zrak se nad toplimi območji segreva, se zato dviga in s seboj v višino prenaša tudi zaznavno toploto, vlago, onesnaženjem, ... PRISILNA KONVEKCIJA – je posledica mehaničnih sil. Te se pojavijo zaradi orografije, pri trenju med posameznimi zračnimi plastmi, ki se gibljejo z različnimi hitrostmi, pri trenju zraka ob zemeljsko površino in podobno. To so razna valovanja zraka, prisilni dvigi zraka ob gorskih pregradah in ob frontah, striženje vetra, ...

22. Convection Konvekcija • Latentna toplota - “Nevidna oz. skrita” • Toplota, ki se sprošča oziroma porablja pri faznih prehodih vode. • Izhlapevanje – poraba energije - ohlajanje • Utekočinjenje – sproščanje energije - segrevanje • Zaznavna toplota • Toplota, ki jo lahko čutimo zaradi temperaturnih razlik.

23. Za dvig temperature 1 kg vodne pare iz 100 ºC na 150 ºC porabimo približno 23 kcal oz. Da izhlapimo 1 kg vode, porabimo približno 537 kcal oz. 2.25 MJ, T = konst. Za dvig temperature 1 kg vode iz 0°C na 100 ºC porabimopribližno 100 Kcal oziroma 419 kJ. Da stopimo 1 kg ledu, porabimo približno 80 kcal oz. 334 kJ , a temperatura se ne spremeni. Da segrejemo 1 kg ledu iz –50°C na 0°C, porabimo približno 25 kcal oz. 105 kJ. Dve vrsti toplote 1kcal = 4186,8J 150 100 Zaznavna toplota je toplota, ki se porablja oziroma sprošča pri temperaturnih spremembah. Temperatura (ºC) 50 Latentna toplota je toplota, ki se porablja oziroma sprošča pri faznih spremembah in ne spremembah temperature. 0 -50 100 200 300 400 500 600 700 Kilokalorije - kcal

24. Convection Konvekcija – zaznavna toplota ZAZNAVNA TOPLOTA – toplejši delec zraka se s pomočjo vrtincev primeša med hladnejši zrak in se ohladi – odda toploto. Obratno velja, če se hladnejši delec zraka primeša med toplejši zrak. Zaznavna toplota je odvisna od temperaturnega gradientav tekočini, gostote tekočine, njene toplotne kapacitete ter turbulentne difuzivnosti za prenos zaznavne toplote.

25. Convection Konvekcija – zaznavna toplota GOSTOTA TURBULENTNEGA TOKA ZAZNAVNE TOPLOTE KA - turbulentna difuzivnost za zaznavno toploto [m2/s]  - gostota zraka pri tleh [kg/m3] cp - specifična toplota zraka pri konstantnem pritisku [1004 Jkg/K] T/z - vertikalni gradient temperature zraka pri tleh [K/m]

26. Convection Konvekcija – latentna toplota LATENTNA TOPLOTA – če zaradi ohlajanja oziroma segrevanja delca zraka, ki se pomeša z okolico z drugačno temperaturo, pride do fazne spremembe vode (utekočinjenje oz. izhlapevanje) v zraku, se pri tem sprosti oziroma porabi dodatna energija. Latentna toplota je odvisna od gradienta vlagev tekočini, gostote tekočine, izparilne toplote za vodo ter turbulentne difuzivnosti za prenos latentne toplote.

27. Convection Konvekcija – latentna toplota GOSTOTA TURBULENTNEGA TOKA LATENTNE TOPLOTE KLE - turbulentna difuzivnost za latentno toploto [m2/s]  - gostota zraka pri tleh [kg/m3] Li - izparilna toplota za vodo[2,5 MJ/kg] q/z - vertikalni gradient specifične vlage pri tleh [1/m]

28. Convection Energijska bilanca tal Površina tal predstavlja neskončno tanko plast, ki ne more shranjevati toplote. Zato mora biti vsota vseh energijskih tokov, ki pridejo do površine oziroma od nje odhajajo enaka 0. + - pozitivne gostote energijskih tokov tlem prinašajo enerjijo -- negativne gostote energijskih tokov tlem odnašajo energijo

29. Energijska bilanca tal + - - - jA - gostota turbulentnega toka zaznavne toplote jLE - gostota turbulentnega toka latentne toplote jG - gostota toplotnega toka v tleh - kondukcija jRN - neto sevanje [W/m2] + + - +

30. Convection Bowenovo razmerje PRAKTIČNO IZRAČUNAVANJE jAIN jLE Netosevanje lahko merimo (netoradiometri) oziroma ocenimo preko meritev temperature zraka, tal ter globalnega obsevanja. Prav tako preko meritev temperature tal na različnih nivojih lahko ocenimo kondukcijo. Na podlagi ocen omenjenih dveh energjijskih tokov lahko ocenimo tudi gostoti turbulentnega toka zaznavne in latentne toplote. Pri tem si pomagamo z BOWENOVIM RAZMERJEM.

31. Bowenovo razmerje BOWENOVO RAZMERJE – razmerje med gostoto turbulentnega toka zaznavne in latentne toplote. Ob predpostavki da približno velja KA = KLEizpeljemo zgornjo enačbo, s pomočjo katere lahko ob meritvi zračne vlaga in temperature zraka na dveh nivojih ocenimo Bowenovo razmerje:

32. Bowenovo razmerje Na podlagi enačbe za energijsko bilanco tal ter ocenjenega Bowenovega razmerja lahko ocenimo gostoti turbulentnih tokov zaznavne in latentne toplote. PAZI! – v knjigi sta enačbi zamenjani – str. 57 – NAPAKA!

33. Meritve mikroklime v okolici kmetijskih nasadov Bowenovo razmerje/Metoda energijske bilance Bowenovo razmerje (B) nivo 2 jRN - neto sevanje izmerimo z netoradiometri ali ocenimo iz Tzrakin Ttlater vlage. jG - kondukcijo ocenimo na podlagi meritev Ttla(z) ter tipa tal. nivo 1 ET - izhlapevanje (v kg/m2s  mm/s) L - izparilna toplota za vodo

34. Metode, ki uporabljajo princip energijske bilance za zaščito pred pozebo Nočna energijska bilanca tal -jRN= jG+ jA+jLE + A Metode temeljijo na: Zmanjševanju energijskih izgub! Dodajanje novih energijskih virov - grelci na olje - dodajanje vode Prerazporedimo vire energije! • ‘zapremo’ atm. okno, primer so npr. toplejše oblačne noči in hladnejše jasne noči. • (MALCE TEŽKO SAMI VPLIVAMO NA TO) - mešanje toplejšega zraka iz višjih predelov; - valjanje tal za povečanje toplotnih tokov iz tal.

35. Zaščita pred pozebo Grelci zmanjšujejo jLE vendar povečujejo A Vernice vplivajo na turbulenco in mešanje zraka - spremenijo gostoto toka zaznavne jA in latentne toplote jLE.

36. Dovajanje toplote viša temperaturo zraka v nasadih.

37. Učinkovitost vetrovnih pregrad je odvisna od njihove gostote.