ΦΤΙΚΗ ΜΔΣΔΩΡΟΛΟΓΙΑ. Γηάδοζε ηες ειηαθής θαη γήηλες αθηηλοβοιίας ζηελ Αηκόζθαηρα

Transcript

1 ΦΤΙΚΗ ΜΔΣΔΩΡΟΛΟΓΙΑ Γηάδοζε ηες ειηαθής θαη γήηλες αθηηλοβοιίας ζηελ Αηκόζθαηρα

2 Αθηηλοβοιία κεγάιοσ κήθοσς θύκαηος Γήηλε αθηηλοβοιία Αθηηλνβνιία κεγάινπ κήθνπο θύκαηνο ή γεληθά ζεξκηθή αθηηλνβνιία θαιείηαη ε αθηηλνβνιία ηεο νπνίαο ην θάζκα πεξηιακβάλεηαη κεηαμύ ησλ κεθώλ θύκαηνο 4.0 κm<ι<100 κm. Τν ζύζηεκα Γε-αηκόζθαηξα απνξξνθά πεξίπνπ ην 70% ηεο ειηαθήο αθηηλνβνιίαο θαη γηα κεγάιεο ρξνληθέο πεξηόδνπο ε ζεξκνθξαζία ηνπ ζπζηήκαηνο δελ παξνπζηάδεη ζεκαληηθέο κεηαβνιέο. Πξνϋπόζεζε γηα λα ηζρύεη ην πην πάλσ είλαη ε ελέξγεηα πνπ απνξξνθάηαη λα επηζηξέθεη ζην δηάζηεκα (κέζσ εθπνκπήο). Με ηνλ όξν γήηλε αθηηλνβνιία λνείηαη ην ζύλνιν ησλ αθηηλνβνιηώλ πνπ εθπέκπνληαη από ηελ επηθάλεηα ηεο Γεο θαη ηε γήηλε αηκόζθαηξα. Η γήηλε αθηηλνβνιία κπνξεί λα ζεσξεζεί ζαλ αθηηλνβνιία κέιαλνο ζώκαηνο. Θεσξώληαο κέγηζηε θαη ειάρηζηε επηθαλεηαθή ζεξκνθξαζία ηεο Γεο <80 C θαη >-70 C αληίζηνηρα, κε εθαξκνγή ηνπ λόκνπ ηνπ Planck πξνθύπηεη όηη ηα θάζκα ηεο γήηλεο αθηηλνβνιίαο αξρίδεη πξαθηηθά από ι>1.5 κm θαη ηειεηώλεη ζην ι<100 κm. Εηδηθά ε Γε (κέζε ζεξκνθξαζία 15 C) κπνξεί λα ζεσξεζεί σο κέιαλ ζώκα ζεξκνθξαζίαο πεξίπνπ 288 Κ, ηνπ νπνίνπ ην θάζκα θπκαίλεηαη από 4 κm σο 100 κm. Σύκθσλα κε ην λόκν ηνπ Wien, ην κέγηζην ηεο έληαζεο ηεο αθηηλνβνιίαο ζα αληηζηνηρεί ζε αθηηλνβνιία κε κήθε θύκαηνο ~10 κm. Σεκεηώλεηαη όηη ην 99% ηεο γήηλεο αθηηλνβνιίαο βξίζθεηαη κεηαμύ 4 κm θαη 80 κm, κε κέγηζην ζηα 10 κm. Μέιαλ ζώκα = Υπνζεηηθό ζώκα ηνπ νπνίνπ ε θαζκαηηθή ππθλόηεηα ηεο ιακπξόηεηαο γηα θάζε ζεξκνθξαζία είλαη ε κέγηζηε δπλαηή. Επίζεο ην κέιαλ ζώκα απνξξνθάεη πιήξσο ηηο αθηηλνβνιίεο.

3 Μεγάιοσ κήθοσς θύκαηος αθηηλοβοιία από ηελ αηκόζθαηρα Η γήηλε αθηηλνβνιία σο αθηηλνβνιία κεγάινπ κήθνπο θύκαηνο απνξξνθάηαη έληνλα από ηα πνιπαηνκηθά ζπζηαηηθά ηεο αηκόζθαηξαο όπσο Η 2 Ο, Ο 3, CO 2, CH 4, θαη N 2 O (αέξηα ζεξκνθεπίνπ). Απνηέιεζκα απηήο ηεο απνξξόθεζεο είλαη ε ζέξκαλζε ηεο γήηλεο αηκόζθαηξαο λα γίλεηαη θαηά θύξην ιόγν από ηελ αθηηλνβνιία κεγάινπ κήθνπο θύκαηνο, δειαδή ηελ γήηλε αθηηλνβνιία. Σην Σρήκα 1 δίλνληαη ηα θάζκαηα απνξξόθεζεο ηεο ειεθηξνκαγλεηηθήο αθηηλνβνιίαο ησλ πδξαηκώλ θαη θάπνησλ βαζηθώλ αηκνζθαηξηθώλ ηρλνζηνηρείσλ. Όπσο πξνθύπηεη, ηα δηάθνξα αηκνζθαηξηθά αέξηα απνξξνθνύλ θπξίσο ηε κεγάινπ κήθνπο θύκαηνο αθηηλνβνιία, αιιά θάπνηα εκθαλίδνπλ θαη απνξξόθεζε ζηα κηθξόηεξα κήθε θύκαηνο πνπ αληηζηνηρνύλ ζηελ ειηαθή αθηηλνβνιία. Από ηα παξαπάλσ ζπκπεξαίλεηαη όηη ε ζεξκνθξαζία ηεο αηκόζθαηξαο εμαξηάηαη θαηά κεγάιν κέξνο από ηελ πεξηεθηηθόηεηα ηεο αηκόζθαηξαο ζε πδξαηκνύο (H 2 O), δηνμείδην ηνπ άλζξαθα (CO 2 ) θαη άιισλ επηκέξνπο ζπζηαηηθώλ πνπ εκθαλίδνπλ απνξξόθεζε ζην ππέξπζξν. Σπλεπώο, κεηαβνιέο ησλ ζπζηαηηθώλ απηώλ ζα έρνπλ ζεκαληηθέο επηπηώζεηο ζηε ζεξκνθξαζηαθή θαηάζηαζε ηεο αηκόζθαηξαο. Η θαζκαηηθή πεξηνρή κεηαμύ ησλ κεθώλ θύκαηνο 8 κm-13.5 κm κπνξεί λα ζεσξεζεί δηαθαλήο ζηε γήηλε αθηηλνβνιία θαζώο ηα δηάθνξα ζπζηαηηθά ηεο αηκόζθαηξαο ζηε ζπγθεθξηκέλε θαζκαηηθή πεξηνρή παξνπζηάδνπλ ήπηα ζρεηηθά απνξξόθεζε θαη είλαη γλσζηή σο αηκνζθαηξηθό παξάζπξν. Μέζσ απηήο ηεο θαζκαηηθήο πεξηνρήο έλα ζεκαληηθό πνζνζηό ηεο γήηλεο αθηηλνβνιίαο δηαθεύγεη πξνο ην δηάζηεκα, ελώ ην ππόινηπν απνξξνθάηαη από ηελ αηκόζθαηξα θαη ρξεζηκεύεη γηα ηε ζέξκαλζή ηεο. Ωζηόζν, όπσο αλαθέξζεθε, ε πεξηνρή ησλ 10 κm αληηζηνηρεί ζην κέγηζην ηεο γήηλεο αθηηλνβνιίαο. Φαξαθηεξηζηηθό παξάδεηγκα ηεο απώιεηαο απηήο πξνο ην δηάζηεκα είλαη ε παξαηεξνύκελε θαηά ηηο αλέθειεο λύρηεο ζεκαληηθή ςύμε ησλ επηθαλεηαθώλ ζηξσκάησλ ηεο αηκόζθαηξαο. Αληίζεηα, θαηά ηηο λεθνζθεπείο λύρηεο δελ παξαηεξείηαη ζεκαληηθή ςύμε επεηδή ε ύπαξμε ησλ λεθώλ πξνθαιεί θιείζηκν ηνπ αηκνζθαηξηθνύ παξαζύξνπ. Σρήκα 1. Φάζκαηα απνξξόθεζεο βαζηθώλ αηκνζθαηξηθώλ ηρλνζηνηρείσλ θαη πδξαηκώλ.

4 Ση ζα ζσλέβαηλε αλ δελ σπήρτε ε αηκόζθαηρα; Φσξίο αηκόζθαηξα, ε ειηαθή αθηηλνβνιία ζα έθζαλε ζηελ επηθάλεηα ηεο Γεο ρσξίο εμαζζέληζε θαη ζα ζέξκαηλε ζεκαληηθά ηελ επηθάλεηα ηνπ πιαλήηε καο. Όκσο, εμαηηίαο ηεο έληνλεο ζεξκηθήο εθπνκπήο ηεο Γεο, ε ζεξκνθξαζία ζα ήηαλ αηζζεηά κεησκέλε θαηά ~30 βαζκνύο κηθξόηεξε από όηη είλαη ζήκεξα, δειαδή 255 Κ ή δηαθνξεηηθά 18 C. Σύκθσλα κε ηηο παξνύζεο ζπλζήθεο, ιόγσ απνξξνθήζεσλ θαη επαλεθπνκπήο ηεο ζεξκηθήο αθηηλνβνιίαο ζηελ αηκόζθαηξα, ε ζεξκνθξαζία ηεο Γεο παξακέλεη ζεκαληηθά πςειή γύξσ (~ 15 C ή 288 Κ). Τα ζπζηαηηθά πνπ απνξξνθνύλ θαη επαλεθπέκπνπλ αλαθέξνληαη ζαλ αέξηα ηνπ ζεξκνθεπίνπ π.ρ. ην δηνμείδην ηνπ άλζξαθα (CO 2 ), ην κεζάλην (CH 4 ), ην όδνλ (O 3 ), νη πδξαηκνί (H 2 O), θαη ην ππνμείδην ηνπ αδώηνπ (N 2 O).

5 Τποιογηζκός αθηηλοβοιίας κεγάιωλ κεθώλ θύκαηος από ηελ επηθάλεηα ηες γες Όπσο ζε όιεο ηηο θπζηθέο επηθάλεηεο, ε εθπνκπή αθηηλνβνιίαο κηθξώλ κεθώλ θύκαηνο από ηελ επηθάλεηα ηεο Γεο ζπλήζσο παξαιείπεηαη θαη ε εθπνκπή αθηηλνβνιίαο κεγάισλ κεθώλ θύκαηνο δίλεηαη ππό ηελ κνξθή ηνπ ηξνπνπνηεκέλνπ λόκνπ ησλ Stefan - Boltzmann. I =ε s ζ T s 4 (2.1) όπνπ ζ είλαη ε ζηαζεξά ησλ Stefan - Boltzmann ίζε κε 5.67 X 10-8 Wm -2 K -4, ε s είλαη ν ζπληειεζηήο εθπνκπήο κεγάισλ κεθώλ θύκαηνο ηεο επηθάλεηαο θαη Τ s ε απόιπηε ζεξκνθξαζία ηεο επηθάλεηαο. Εάλ είλαη γλσζηή ε ζεξκνθξαζία θαη ε ηθαλόηεηα εθπνκπήο ηεο επηθάλεηαο ηεο Γεο, κπνξεί λα εθηηκεζεί ε Ι από ηελ εμίζσζε (2.1) κε αθξίβεηα πεξίπνπ 10%. Δπζθνιίεο ππάξρνπλ ζηε κέηξεζε ηεο ζεξκνθξαζίαο ηεο επηθάλεηαο εηδηθόηεξα ησλ θπηνθαιπκκέλσλ επηθαλεηώλ. Σ' απηέο ηηο πεξηπηώζεηο είλαη νξζό λα ρξεζηκνπνηείηαη ε "θαηλόκελε ζεξκνθξαζία επηθάλεηαο" ή ε "ηζνδύλακε ζεξκνθξαζία κέιαλνο ζώκαηνο" (T eb ) πνπ ζα πξνζδηνξίδεηαη από κεηξήζεηο ηεο ππέξπζξεο αθηηλνβνιίαο θνληά ζηελ επηθάλεηα (R), κέζσ ηεο εμίζσζεο: R = ζ Τ eb4.

6 Έλα κεγάιν πιήζνο εμηζώζεσλ έρεη πξνηαζεί ζηελ πξνζπάζεηα ππνινγηζκνύ ηεο αηκνζθαηξηθήο αθηηλνβνιίαο ππό αίζξην νπξαλό, από κεηξνύκελεο ζην έδαθνο απιέο κεηεσξνινγηθέο παξακέηξνπο. Σηηο πεξηζζόηεξεο, ν ζπληειεζηήο εθπνκπήο ηεο αηκόζθαηξαο ππό αίζξην νπξαλό (ε) είλαη ζπλάξηεζε ηεο ζεξκνθξαζίαο ή ηεο πγξαζίαο (ηεο ηάζεο ησλ αηκώλ ή ηνπ ζεκείνπ δξόζνπ) ή θαη ησλ δύν. Πίλαθας 1. Σρέζεηο γηα ηελ εθηίκεζε ηνπ ζπληειεζηή εθπνκπήο ηεο αηκόζθαηξαο (Τ α =ζεξκνθξαζία αέξα, T d =ζεξκνθξαζία δξόζνπ, e=ηάζε αηκώλ, n=λέθσζε) Οη πιένλ ραξαθηεξηζηηθέο εθθξάζεηο ηνπ ε πνπ αλαθέξνληαη ζηε δηεζλή βηβιηνγξαθία θαίλνληαη ζηνλ Πίλαθα 1. Αλάκεζα ζ απηέο, ε εμίζσζε πνπ πξόηεηλε ην 1932 o Brunt γηα λα πεξηγξάςεη ηνλ ζπληειεζηή εθπνκπήο ηεο αηκόζθαηξαο (ε) ζπλαξηήζεη ηεο ηάζεο ησλ αηκώλ (e) ζην ύςνο ηνπ θισβνύ απνηέιεζε ζηαζκό θαη ρξεζηκνπνηήζεθε επξύηαηα. Πξέπεη λα ηνληζηεί, όηη γηα ηελ εθηίκεζε ηεο Ι από ηηο πξναλαθεξζείζεο ζρέζεηο, ρξεζηκνπνηείηαη ε ζεξκνθξαζία ηνπ αέξα (Τ α ) θαη ε παξάκεηξνο πγξαζίαο (e ή Τ d ) θνληά ζηελ επηθάλεηα ηεο Γεο. Απηό εμεγείηαη από ην γεγνλόο όηη ε ππέξπζξε αθηηλνβνιία απνξξνθάηαη έληνλα από ηελ αηκόζθαηξα θαη άξα απηή πνπ ππνινγίδεηαη ή κεηξηέηαη πξνέξρεηαη θπξίσο από ηα ζηξώκαηα ηεο αηκόζθαηξαο πνπ είλαη ζρεηηθά θνληά κεηαμύ ηνπο.

7 Τποιογηζκός ηες αθηηλοβοιίας κεγάιωλ κεθώλ θύκαηος από ηελ αηκόζθαηρα Οη πην αθξηβείο κέζνδνη ππνινγηζκνύ ηεο αηκνζθαηξηθήο αθηηλνβνιίαο (Ι ), απαηηνύλ γεληθά, δεδνκέλα ηεο θαηαθόξπθεο θαηαηνκήο ηεο πγξαζίαο, ηνπ CO 2, ηνπ Ο 3 θαη ηεο ζεξκνθξαζίαο ηεο αηκόζθαηξαο, θαζώο θαη ηεο λεθνθάιπςεο, ηεο θύζεο θαη ηνπ ύςνπο ησλ λεθώλ. Τέηνηα δεδνκέλα δελ είλαη ζπλήζσο πξνζηηά εθεί πνπ ρξεηάδεηαη ε εθηίκεζε ηεο κεγάινπ κήθνπο θύκαηνο αθηηλνβνιίαο. Έηζη, έρνπλ αλαπηπρζεί απινύζηεξεο κέζνδνη, πνπ θπξίσο βαζίδνληαη ζε κηα εμίζσζε ηεο κνξθήο ησλ Stefan-Boltzman: Ι = εζτ α 4 (2.2) όπνπ Τ α είλαη ε ζεξκνθξαζία ηνπ αέξα θνληά ζην έδαθνο θαη ε είλαη ν ζπληειεζηήο εθπνκπήο κεγάισλ κεθώλ θύκαηνο ηεο αηκόζθαηξαο. Γηα ηελ εθηίκεζε ηνπ ζπληειεζηή εθπνκπήο ηεο αηκόζθαηξαο έρνπλ δηακνξθσζεί εκηεκπεηξηθέο ζρέζεηο πνπ ζηεξίδνληαη ζε κεηξήζεηο πνπ πξνέθπςαλ από δηάθνξα πεηξάκαηα θαη δηαθξίλνληαη γεληθά ζε δύν επξύηεξεο θαηεγνξίεο: απηέο πνπ αλαθέξνληαη ζε αίζξην νπξαλό θη απηέο πνπ ηελ εθηηκνύλ ππό λεθνζθεπή νπξαλό.

8 Γηα ηνλ ππνινγηζκό ηεο αηκνζθαηξηθήο αθηηλνβνιίαο ππό λεθνζθεπή νπξαλό (I ) λεθ πξέπεη λα ππεηζέξρεηαη εθηόο από ηελ αηκνζθαηξηθή αθηηλνβνιία ππό αίζξην νπξαλό (I ) θαη ε λέθσζε γηα λα ζπλππνινγηζηεί θαη ε εθπνκπή από ηα λέθε. Έρνπλ θαηά θαηξνύο πξνηαζεί αξθεηέο εμηζώζεηο θαη νη πεξηζζόηεξεο κπνξνύλ λα πεξηγξαθνύλ κε ηελ αθόινπζε γεληθή κνξθή: (I )λεθ= I (1+kn c ) (2.3) όπνπ n: πνζνζηό ηεο λέθσζεο c: κηα εκπεηξηθή ζηαζεξά k: ζηαζεξά πνπ εμαξηάηαη από ην είδνο ησλ λεθώλ. Σηε δηεζλή βηβιηνγξαθία αλαθέξνληαη ηηκέο ηνπ c, πνπ θπκαίλνληαη από 1.0 έσο 2.7 κε κηα κέζε ηηκή θνληά ζην 2.0. Σηνλ Πίλαθα 1 αλαθέξεηαη ελδεηθηηθά ν ζπληειεζηήο εθπνκπήο ππό λεθνζθεπή νπξαλό πνπ δόζεθε από ηνλ Brunt.

9 Ιζοδύγηο Αθηηλοβοιηώλ Μεγάιοσ Μήθοσς Κύκαηος Γεληθά, ηζνδύγην ελέξγεηαο είλαη ε δηαθνξά ηεο εηζεξρόκελεο θαη ηεο εμεξρόκελεο ελέξγεηαο από αθηηλνβνιία, ε νπνία απνξξνθάηαη ή εθπέκπεηαη από ηελ επηθάλεηα ηεο Γεο, ηελ αηκόζθαηξα, ή θαη ην ζύζηεκα Γεο-αηκόζθαηξαο. Τν ηζνδύγην αθηηλνβνιηώλ γηα ηελ επηθάλεηα ηεο Γεο (R), εθθξάδεηαη από ηε ζρέζε: R = (Q + q) (1 α )+ (Ι Ι ) (2.4) ην ηζνδύγην αθηηλνβνιίαο ηεο αηκόζθαηξαο (Rα) κε ηε ζρέζε: Rα = q' F (Ι Ι ) (2.5) όπνπ: Q: ε άκεζε ειηαθή αθηηλνβνιία ζην έδαθνο, q: ε δηάρπηε ειηαθή αθηηλνβνιία, q : ε ειηαθή αθηηλνβνιία πνπ απνξξνθάηαη από ηελ αηκόζθαηξα, α: ε ιεπθαύγεηα ηνπ εδάθνπο, Ι : ε ππέξπζξε αθηηλνβνιία πνπ δέρεηαη ην έδαθνο θαη εθπέκπεηαη από ηελ αηκόζθαηξα, Ι : ε ππέξπζξε αθηηλνβνιία πνπ εθπέκπεη ην έδαθνο θαη δέρεηαη ε αηκόζθαηξα, F: ε ππέξπζξε αθηηλνβνιία πνπ εθπέκπεη ε αηκόζθαηξα πξνο ην δηάζηεκα. Πξνζζέηνληαο θαηά κέιε ηηο (2.4) θαη (2.5) πξνθύπηεη ην ηζνδύγην αθηηλνβνιίαο ηνπ πιαλήηε καο (Γεο θαη αηκόζθαηξαο καδί) Rg = (Q + q) ( 1 - α) + q - F (2.6)

10 Βαζηθή παραηήρεζε Τα ηζνδύγηα αθηηλνβνιίαο R, Rα θαη Rg είλαη γεληθά δηάθνξα από ην κεδέλ, γηα κηθξά ρξνληθά δηαζηήκαηα. Απηό ζεκαίλεη όηη ππάξρεη πιεόλαζκα ή έιιεηκκα ελέξγεηαο. Αλ όκσο ζεσξεζεί ε κέζε ηηκή ησλ δηαθόξσλ αθηηλνβνιηώλ γηα κεγάια ρξνληθά δηαζηήκαηα ηόηε ηα R, Rα θαη Rg είλαη κεδέλ. Τν ηζνδύγην αθηηλνβνιηώλ ηνπ ζπζηήκαηνο Γεο-αηκόζθαηξαο ζηηο δηάθνξεο πεξηνρέο ηεο Γεο είλαη δπλαηόλ λα είλαη ζεηηθό ή αξλεηηθό. Όκσο γηα όιε ηελ επηθάλεηα ηεο Γεο θαη ζε εηήζηα βάζε ην ηζνδύγην αθηηλνβνιηώλ πξέπεη λα είλαη κεδέλ.

11 ΔΡΩΣΗΔΙ 1) Πνηα είλαη ε βαζηθή πεγή ζέξκαλζεο ηεο αηκόζθαηξαο; Πσο εξκελεύεηαη απηό; 2) Γηαηί νη νπζίεο πνπ απνξξνθνύλ ηελ κεγάινπ κ.θ. αθηηλνβνιία απνηεινύληαη από πνιπαηνκηθά κόξηα;