Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

1. Dolgovalovno sevanjesevanje talinsevanje atmosfere ftp://ftp.bf.uni-lj.si/pub/klemen/predavanje/EnergijskaBilanca.ppt

2. Dolgovalovno sevanje Pregled poglavja • UVODoziroma ponovitev • Toplota • Prenosi energije • Sevanje (karakteristike in spekter) • DOLGOVALOVNO SEVANJE • Sevanje tal • Sevanje ozračja • Selektivnost • Efekt tople grede • Neto sevanje oziroma sevalna bilanca

3. 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).

4. 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.

5. Sevanje Sevanje – način prenosa energije med dvema lokacijama preko elektromagnetnega valovanja. Vsako telo, ki ima temperaturo nad absolutno ničlo, seva! Sevanje lahko opišemo z: • valovno dolžino - λ(m) • Razdalja med dvema vrhoma • frekvenco - ν (s-1 oz. Hz) • Število valov, ki na sekundo prečka isto točko ena valovna dolžina

6. Sevanje Lahko zapišemo zvezo med valovno dolžino in frekvenco sevanja: c - svetlobna hitrost (3˙108 m/s) λ - valovna dolžina (m) ν - frekvenca (s-1 oz. Hz)

7. Elektromagnetni spekter EM valovanje ločimo glede na valovne dolžine © 1998 Prentice-Hall -- From The Atmosphere, 7th Ed., by F.K. Lutgens and E.J. Tarbuck, p. 31.

8. Sevanje tal 99 % sevanja tal in ozračja je dolgovalovnega (DV). SEVANJE TAL – tla sevajo v skladu s Štefanovim zakonom za siva telesa.

10. Sevanje ozračja Atmosfera za DV sevanje tal ni prozorna – samo nekaj % ga preide neposredno v vesolje ! DV sevanje tal vpijajo: • oblaki - metan – CH4 • vodna para !!!!! - dušikov oksid – N2O • ogljikov dioksid – CO2 - ozon – O3 • klorofluorokarbonati – CFCl3 in CFCl2 SEVANJE OZRAČJA – ozračje seva selektivno, v skladu z absorpcijskimi črtami posameznih plinov, ki sestavljajo zrak, ter v skladu s Kirchhoffovim zakonom.

11. Sevanje tal in ozračja Atmosferska absorpcija Terestrično sevanje Sončno sevanje Prirejeno po: Fleagle and Businger, 1980: An Introduction to Atmospheric Physics, p. 232

12. Kako je oddano sevanje sistema Zemlja-Atmosfera primerljivoz zakoni sevanja ? črno telo ozračje “OKNO”

13. Sevanje ozračja Skupno sevanje ozračja lahko približno ocenimo s semiempirično enačbo: Obstajajo tudi natančnejše ocene, ki temeljijo na izračunavanju emisivnosti ozračja na podlagi temperature zraka, vlage v zraku, oblačnosti, ...

14. Sevanje ozračja Jasno nebo (e –delni parni tlak v mb, T2m – T zraka na 2m v K ) Oblačno nebo (n – je oblačnost v desetinah)

15. Sevanje ozračja Ozračje seva IR v vseh smereh - navzgor proti vesolju in navzdol proti površju. IR sevanje ozračja, ki je usmerjeno navzdol dodatno ogreva zemeljsko površje – pojav imenujemo Efekt tople grede.

16. Efekt tople grede Tega se ne smete naučiti!!!! Odeja, ali topla greda, po kateri ima pojav ime, namreč preprečujeta prenos energije s konvekcijo (o njej več v nadaljevanju), ki pa je v ozračju eden izmed pomembnih procesov izmenjave energije. Efekt tople grede in globalno ogrevanjeNISTA isti pojav. • Efekt tople grede je posledica tega, da se plini v ozračju obnašajo kot odeja, ki ujame sevanje zemeljskega površja ter ga nato izseva nazaj proti površju.

17. Efekt tople grede Definicija Efekt tople grede: Ime procesa, ki povzroča, da je zemeljsko površje toplejše, kot bi bilo, če Zemlje ne bi obdajala tanka plast ozračja - Efekt ozračja Globalno ogrevanje: (Pričakovan) povečan vpliv efekta tople grede, zaradi povečevanja koncentracije plinov tople grede v ozračju  zemeljsko površje bo postalo toplejše kot je sedaj.

18. Efekt tople grede Ocena temperature zemeljskega površja, če ne bi bilo atmosfere in njenega efekta tople grede. Energija, ki jo Zemlja prejme = Energija, ki jo zemlja odda Zemlja prestreže sončno sevanje s površino kroga (R2). Do zemlje pride gostota energijskega toka sončnega sevanje 1375 Wm-2(j0 – solarna konstanta), vendar pa se približno 30 % (Zemlje=0.3) tega KV sevanja odbije nazaj proti vesolju. Za zemljo predpostavimo, da seva približno kot črno telo (Zemlje=1) v vse smeri, torej v celotno površino sfere (4R2). Sevanje Sonca Sevanje Zemlje

19. Efekt tople grede Da bi temperatura Zemlje ostala konstantna v daljšem časovnem obdobju, mora biti torej energija absorbiranega sončnega sevanja (KV) enaka količini oodanega (DV) sevanja. Če ne bi bilo ozračja, bi torej temperatura zemeljskega površja znašala: Dejanska temperatura zemeljskega površja je 288K=15°C. OD KOD RAZLIKA??? EFEKT TOPLE GREDE Zemeljsko površje ne prejema energije le od Sonca, temveč tudi od ozračja.

20. Efekt tople grede Efekt tople grede je posledica absorpcije DV sevanja tal v plinih tople grede (H2O, CO2, CH4, N2O, O3, ...) v ozračju, ki nato sami sevajo pri istih , kot absorbirajo – Sevanje ozračja. Del sevanja ozračja se vrne nazaj proti zemeljskemu površju. Če bi se koncentracija plinov tople grede s časom povečevala, bi se vse več DV sevanja tal v ozračju absorbiralo, posledično bi se povečalo sevanje ozračja, zemeljsko površje bi dobilo več energije, posledica česar bi bilo GLOBALNO OGREVANJE. Od začetka industrijske dobe (pb. 1850) se koncentracija plinov tople grede v ozračju dejansko povečuje.

21. Koncentracije plinov tople grede

22. Neto sevanje NETO SEVANJE – jRN = vsota vseh komponent sevanja, ki prihajajo na neko plast (npr. zemeljsko površje) in odhajajo od nje. jGO - globalno obsevanje (gostota KV sevanja Sonca na enoto horizontalne ploskve) – jGO = jDIR + jDIF jRN - neto sevanje ρTLA - odbojnost tal za KV sevanje

23. jGO jRN jOZR TLA×jGO jTLA NetosevanjeDan: Noč: jGO = vpadno sončno sevanje TLA×jGO = odbito sončno sevanje jOZR = DV sevanje ozračja jTLA = DV sevanje tal jRN = neto sevanje

24. Neto sevanje ENERGIJSKA BILANCA SISTEMA POVRŠJE-ATMOSFERA +100 -30 © 1998 Wadsorth Publishing -- Essentials of Meteorology (Ahrens)

25. Kondukcija inkonvekcija

26. 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

27. 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.

28. 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!

29. 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

30. 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.

31. 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 – ΔT/ Δz

32. 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

33. Kondukcija ČASOVNE SPREMEMBE TEMPERATURE TAL 2. FICKOV ZAKON κ=k/ρc- temperaturna prevodnost tal[m2/s] ρ - gostota tal[kg/m3] c - specifična toplota tal

34. 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

35. 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]

36. 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

37. Kondukcija TOPLOTNA IN TEMPERATURNA PREVODNOST za nekatere tipe tal

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

39. 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)

40. Kondukcija TOPLOTNA IN TEMPERATURNA PREVODNOST za nekatere snovi

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

42. 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, ...

43. 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.

44. Za dvig temperature 1 kg vodne pare iz 100 ºC na 150 ºC porabimo približno 23 kcal oz. 96kJ 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

45. 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.

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

47. 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.

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

49. 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

50. 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] + + - +