Meteorologija, Klimatologija - Vaje

1. Meteorologija,Klimatologija - Vaje 5. vaja Sevanje

2. Sevanje • Danes na vajah: • Definicija sevanja • Spekter sevanja OSNOVNI ZAKONI SEVANJA • Planck-ov zakon • Štefan-Boltzmann-ov zakon • Wien-ov zakon • Kirchhoff-ov zakon in optične lastnosti snovi SONČNO IN TERESTRIČNO SEVANJE • Prehod sončnega sevanja skozi atmosfero • Dolgovalovno sevanje tal in atmosfere • Neto sevanje

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. Sevanje – energijski pojmi • gostota energijskega toka sevanja • energija na enoto časa in površine • enota: J/sm2 = W/m2 • energijski tok • energija na časovno enoto • enota: W = J/s • energija • enota: J

8. 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.

9. Zakoni sevanja - Planck Telesa sevajo pri vseh valovnih dolžinah, vendar pri nekaterih več, kot pri drugih. O tem, koliko sevajo pri posameznih valovnih dolžinah, govori PLANCK-ov ZAKON c - svetlobna hitrost (3˙108 m/s) h - Planck-ova konstanta (6,62˙10-34 Js) k - Boltzmann-ova kontsnta (1,38˙10-23 J/K)

10. Zakoni sevanja - Planck dj/d (dj/d)max  (valovna dolžina) [m] Spektralna porazdelitev gostote toka sevanja črnega telesa s temperaturo 5800 K (črtkana krivulja) ter sončevega sevanja, ki pride do vrha atmosfere pri povprečni oddaljenosti Zemlje od Sonca (polna krivulja)

11. Zakoni sevanja - Wien Valovna dolžina sevanja, pri kateri telo seva največ, je obratno sorazmerna s temperaturo telesa. Toplejša telesa tako sevajo več pri manjših valovnih dolžinah, kot hladnejša. cW - Wien-ova konstanta (2898 μmK) λmax - valovna dolžina pri kateri telo seva največ (m) T - temperatura telesa (K)

12. Zakoni sevanja – Štefan-Boltzmann Vsako telo, ki ima temperaturo višjo od absolutne ničle, oddaja energijo s sevanjem. Toplejši predmeti sevajo več energije kot hladnejši. črno telo sivo telo σ - Štefan-ova konstanta (5,67˙10-8 W/m2K4) ε - emisivnost T - temperatura sevalca (K) j - gostota toka sevanja (* za črno telo)

13. Optične lastnosti snovi Telesa sevalno energijo deloma: • odbijejo - odbojnost oz. albedo ρ (reflektirajo) • prepustijo - prepustnost oz. transmisivnost τ (transmitirajo) • vpijejo - vpojnost oz. absorptivnost α (absorbirajo) Telesa s sevanjem energijo tudi • oddajajo - sposobnost oddajanja oz. emisivnost (emitirajo) ε

14. Optične lastnosti snovi Absorbirano (vpito) sevanje Reflektirano (odbito) sevanje Transmitirano (prepuščeno) sevanje OPTIČNE LASTNOSTI SO V SPLOŠNEM ODVISNE OD λ

15. Zakoni sevanja - Kirchhoff Telo seva samo tiste valovne dolžine, ki jih pri določeni temperaturi tudi vpija - absorbira. Dober absorber je tudi dober sevalec! αλ - absorptivnost pri valovni dolžini λ ελ - emisivnost pri valovni dolžini λ

16. Sevanje in oddaljenost od sevalca Gostota toka sevanja slabi s kvadratom razdalje od sevalca (ob predpostavki, da ni absorbcije in sipanja) energija se ohranja površina sfere

17. Sončno in terestrično sevanje Sončno sevanje Sevanje Zemlje je energijsko gledano mnogo manjše od sevanja Sonca Valovna dolžina Terestrično sevanje © 1999 Prentice-Hall -- From Aguado and Burt, Understanding Weather and Climate Valovna dolžina

18. Sončni spekter max = 0.55 m © 1998 Wadsorth Publishing -- From Ahrens Essentials of Meteorology

19. Vpadno sončno sevanje Energija, ki jo prejme zemeljsko površje od Sonca, je odvisna od zenitnega kota pod katerim vpadajo sončni žarki na površje in od lastnosti ozračja. • Zenitni kot (υ) je odvisen od: • dneva v letu oz. deklinacije • geografske širine • ure v dnevu υ β © 1997 Prentice-Hall. From Moran and Morgan, Meteorology, 5th Ed.

20. Sončno sevanje SONČNO SEVANJE pri prehodu skozi ozračje slabi zaradi absorpcije in sipanja na molekulah zraka, oblačnih delcih, aerosolu, ... j0 - solarna konstanta (1375 W/m2) jDIR - gostota toka direktnega sončnega sevanja, ki prispe do zemeljskega površja β - višina Sonca nad horizontom τZ - zenitna prepustnost

21. Sončno sevanje Če nas zanima gostota toka direktnega sončnega sevanja, glede na horizontalno ploskev na površju, moramo gostoto direktnega sončnega sevanja še dodatno utežiti. jH - gostota direktnega sončnega sevanja na horizontalni ploskvi

22. Sončno sevanje - meritve • Meritve Enote • trajanje sončnega obsevanja h • gostota toka globalnega obsevanja W/m2 • gostota toka difuznega obsevanja W/m2 globalno obsevanje solarimeter difuzno obsevanje Namestitev Na inštrument ob kateremkoli času v dnevu ali letnem času ne sme padati senca zaradi okoliških predmetov. heliograf trajanje sončnega obsevanja

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

25. 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.

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

27. 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, ...

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

29. 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.

30. 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

31. 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

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