1. ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ

Transcript

1 1. ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ

2 Η ΣΧΕΤΙΚΗ ΘΕΣΗ ΤΗΣ ΓΗΣ ΚΑΙ ΤΩΝ ΠΛΑΝΗΤΩΝ ΩΣ ΠΡΟΣ ΤΟΝ ΗΛΙΟ ΤΟ ΗΛΙΑΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ Mercury Venus Earth Mars inner (terrestrial) planets εσωτερικοί (γήϊνοι) πλανήτες Jupiter Saturn Urans Neptune gas giants εξωτερικοί πλανήτες (γίγαντες αερίων) Jupiter ( ίας) Saturn (Κρόνος) Mars (Άρης) Earth (Γη) SUN Venus (Αφροδίτη) Mercury (Ερµής) Uranus (Ουρανός) Pluto (Πλούτωνας) Neptune (Ποσειδώνας) R Φωτεινότητα=3.9χ10 26 J/s R= Km (>100R ΓΗ ) M=2x10 30 Kg ( 3x10 8 M ΓΗ ) Ήλιος: αποτελείται από H (91.2%) και He (8.7%) έχει ηλικία 4.7x10 9 έτη περιλαµβάνει σχεδόν όλη τη µάζα του ηλιακού µας συστήµατος

3 Η ΣΧΕΤΙΚΗ ΘΕΣΗ ΤΗΣ ΓΗΣ ΚΑΙ ΤΩΝ ΠΛΑΝΗΤΩΝ ΩΣ ΠΡΟΣ ΤΟΝ ΗΛΙΟ ΤΟ ΗΛΙΑΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ terrestrial planets (rock, metals) outer planets gas giants (hydrogen, helium, water, ammonia, methane)

4 ΟΙ ΠΛΑΝΗΤΕΣ ΚΑΙ ΤΟ ΗΛΙΑΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ The Planets in our Solar System Mars Earth Jupiter Venus SUN Saturn Mercury Uranus Μέση ισχύς στην επιφάνεια της Γης από τις κύριες πηγές ενέργειας του κλιµατικού συστήµατος Πηγές Ενέργειας Ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία Ενεργειακά σωµατίδια Γεωθερµία Ανθρωπογενείς Μέση ισχύς (W m -2 ) 240 (99.97%) Pluto Pluto Neptune Neptune Παραγωγή ενέργειας στον Ήλιο 4( 1 H) 4He + energy + 2 neutrinos θερµοπυρηνική σύντηξη 630x10 6 tonnes/s 625x10 6 tonnes/s διαφορά 5x10 6 tonnes ΕΚΠΕΜΠΟΜΕΝΗ ΙΣΧΥΣ ΑΠΌ ΤΟΝ ΗΛΙΟ έλλειµµα µάζας 5x10 6 tonnes/s E = M c 2 4x10 26 W (περίπου 6.3x10 7 W/m 2 ) βάσει αυτού του ρυθµού, έχουν καταναλωθεί 5x10 23 tonnes (1/4000 της µάζας του)

5 ΟΜΗ ΤΟΥ ΗΛΙΟΥ Ο Ήλιος έχει ανοµοιογενή κατανοµήθερµοκρασίας και πολύ διαφορετικές θερµοκρασίες στα διάφορα στρώµατά του, από 16x106 βαθµούς στον πυρήνα του, έως µερικές χιλιάδες ή εκατοµµύρια βαθµούς στο εξωτερικό του (φωτόσφαιρα και στέµµα, αντίστοιχα) Ηθερµοκρασία αυξάνεται από τη φωτόσφαιρα προς τα έξω (χρωµόσφαιρα και στέµµα)

6 ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΗ ΙΣΧΥΣ ΤΟΥ ΗΛΙΟΥ (στη Φωτόσφαιρα) ΟΜΗ ΤΟΥ ΗΛΙΟΥ 1 W = cal/s 1 cal/s = cal/s ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ Ικανότητα εκποµπής Ήλιου: 1 ΝΟΜΟΣ STEFAN-BOLTZMANN 4 P = ε σ T (4 π Σταθερά Boltzmann: Wm -2 grad -4 Θερµοκρασία φωτόσφαιρας Ήλιου: Κ 2 R H ) ΝΟΜΟΣ Stefan-Boltzmann Μέση Ακτίνα Ήλιου: m Θεωρούµε τη Φωτόσφαιρα ως εξώτερη εκπέµπουσα επιφάνεια για τον Ήλιο και όχι το στέµµα Γιατί?? ρόλος πυκνότητας (πολύ αραιό στέµµα)

7 ΕΝΤΑΣΗ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΣΤΗ ΜΕΣΗ ΑΠΟΣΤΑΣΗ ΓΗΣ-ΗΛΙΟΥ ΗΛΙΑΚΗ ΣΤΑΘΕΡΑ R 0 P R 0 Η Γη έχει πολύ µικρή ενεργό επιφάνεια απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας, ίση µεαυτή ενός δισδιάστατου δίσκου, παρά µεεκείνηµιας τρισδιάστατης σφαίρας στη Γη φθάνει πολύ µικρό τµήµα της συνολικά εκπεµπόµενης ισχύος από τον Ήλιο Animation: Σε απόσταση R 0, όση η µέσηαπόστασηγης-ήλιου, η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας είναι: 1 cal/cm 2 µέση απόσταση Γης-Ήλιου (1.5x10 8 km AU) αιτίες µεταβολής ηλιακής σταθεράς Astronomical Unit Είναιτοποσότηςηλιακήςακτινοβολίας που προσπίπτει κάθετα στη µονάδα επιφάνειας που βρίσκεται στη µέσηαπόστασηγης-ήλιου, ανά µονάδα χρόνου (κατά µέσον όρο) µεταβολές λόγω µεταβαλλόµενης P γιατί?? µεταβολές λόγω µεταβαλλόµενης R 0 (1 ly/min = W/m 2 ) ΗΛΙΑΚΗ ΣΤΑΘΕΡΑ πολύ σηµαντικό µέγεθος διότι αντιπροσωπεύει το διαθέσιµο ποσό ενέργειας για τον πλανήτη ±0.71 Wm -2 ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΕΚΤΙΜΗΣΗ

8 ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ ΤΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΣΤΑΘΕΡΑΣ (ΛΟΓΩ ΜΕΤΑΒΑΛΛΟΜΕΝΗΣ Ελλειπτική τροχιά ΑΠΟΣΤΑΣΗΣ ΓΗΣ-ΗΛΙΟΥ της Γης (04/07) (03/01) R a =1.017R o ελλειπτική τροχιά R p =0.983R o ΦΩΤΟΜΕΤΡΙΑ τωρινή τιµή e= (µεταβλητή µετοχρόνο χιλιάδες χρόνια) εκκεντρότητα (eccentricity) Περιήλιο: I p =1.035I o Αφήλιο: I a =0.967I o κυκλική τροχιά e=0 Animation: θέρος εαρινή ισηµερία χειµώνας φθινοπωρινή ισηµερία

9 ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ ΤΗΣ ΕΚΚΕΝΤΡΟΤΗΤΑΣ ΤΗΣ ΤΡΟΧΙΑΣ ΤΗΣ ΕΛΛΕΙΠΤΙΚΗΣ ΤΡΟΧΙΑΣ ΓΗΣ ΓΥΡΩ ΑΠΟ ΤΟΝ ΗΛΙΟ ΘΕΡΟΣ ΒΟΡΕΙΟΥ ΗΜΙΣΦΑΙΡΙΟΥ ΧΕΙΜΩΝΑΣ ΒΟΡΕΙΟΥ ΗΜΙΣΦΑΙΡΙΟΥ Η ελλειπτικότητα της τροχιάς της Γης αλλάζει µε τοχρόνο, µεταξύ 2 τιµών: (α) για σχεδόν κυκλική τροχιά (e=0.005) και (β) για περισσότερο ελλειπτική τροχιά (e=0.058), έχοντας µια µέση τιµή e= Η µεταβολή αυτή συµβαίνει µε µια µη σταθερήπερίοδο, τάξεως δεκάδων έως εκατοντάδων χιλιάδων ετών (~ έτη). Η αλλαγή της ελλειπτικότητας της τροχιάς της Γης τροποποιεί την ένταση των ακραίων τποχών της, δηλαδή του χειµώνα και της άνοιξης σηµερινή τιµή Μεταβολή της εκκεντρότητας της τροχιάς της Γης κατά τα τελευταία χρόνια

10 ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ ΤΗΣ ΕΚΚΕΝΤΡΟΤΗΤΑΣ ΤΗΣ ΤΡΟΧΙΑΣ ΤΗΣ ΕΛΛΕΙΠΤΙΚΗΣ ΤΡΟΧΙΑΣ ΓΗΣ ΓΥΡΩ ΑΠΟ ΤΟΝ ΗΛΙΟ ΙΣΗΜΕΡΙΕΣ ΚΑΙ ΗΛΙΟΣΤΑΣΙΑ ΑΝΟΙΞΗ εαρινή ισηµερία Οι 4 εποχές της Γης και η τροχιά της γύρω από τον Ήλιο ΘΕΡΟΣ ΒΟΡΕΙΟΥ ΗΜΙΣΦΑΙΡΙΟΥ ΧΕΙΜΩΝΑΣ ΒΟΡΕΙΟΥ ΗΜΙΣΦΑΙΡΙΟΥ ΘΕΡΟΣ ΧΕΙΜΩΝΑΣ θερινό ηλιοστάσιο χειµερινό ηλιοστάσιο ΦΘΙΝΟΠΩΡΟ φθινοπωρινή ισηµερία η διάρκεια των εποχών (π.χ. στο βόρειο ηµισφαίριο) δεν είναι ακριβώς η ίδια, λόγω της ελλειπτικότητας της τροχιάς της Γης. Π.χ. το 2006, η διάρκεια του θέρους ήταν µεγαλύτερη από εκείνη του χειµώνα κατά 4.66 ηµέρες Οι 4 εποχές της Γης και η τροχιά της γύρω από τον Ήλιο (για το Β. Ηµισφαίριο) Γιατί??...

11 ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ ΤΗΣ ΕΚΚΕΝΤΡΟΤΗΤΑΣ ΤΗΣ ΤΡΟΧΙΑΣ ΤΗΣ ΕΛΛΕΙΠΤΙΚΗΣ ΤΡΟΧΙΑΣ ΓΗΣ ΓΥΡΩ ΑΠΟ ΤΟΝ ΗΛΙΟ Vale ton 2o nomo keppler

12 ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ ΤΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΣΤΑΘΕΡΑΣ (ΛΟΓΩ ΜΕΤΑΒΑΛΛΟΜΕΝΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑΣ (ΚΗΛΙ ΩΝ-SUNSPOTS) Ηεκπεµπόµενη ενέργεια από τον Ήλιο µεταβάλλεται λόγω φαινοµένων όπως: ηλιακές κηλίδες, ηλιακές φλόγες, ηλιακές προεξοχές (εκλάµψεις) (αριθµός ηλιακών κηλίδων) Sunspots: Solar flares:

13 ΙΑΧΡΟΝΙΚΕΣ ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ ΤΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΣΤΑΘΕΡΑΣ δορυφορικές µετρήσεις εξοµαλυµένη (smoothed) καµπύλη (µαύρο χρώµα) µέγεθος µεταβολής ηλιακής σταθεράς 1.5 W/m 2 σχετικά µικρές

14 ΚΥΚΛΟΙ ΗΛΙΑΚΗΣ ΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑΣ ΗΛΙΑΚΕΣ ΚΗΛΙ ΕΣ (11ετής κύκλος) (µικρής διάρκειας) Φαινόµενα στη φωτόσφαιρα του Ήλιου που εµφανίζονται ωςσκούρεςπεριοχέςσεσχέσηµε τις τριγύρω περιοχές ηµιουργούνται από δραστηριότητα έντονων µαγνητικών πεδίων που εµποδίζουν το convection και σχηµατίζουν περιοχές µε χαµηλή θερµοκρασία ( Κ). Το µέγεθός τους φθάνει τα km (διάµετρο), ώστε οι µεγαλύτερες να φαίνονται από τη Γη µετηλεσκόπιο περιοδική µεταβολή του αριθµού των ηλιακών κηλίδων στη φωτόσφαιρα του Ήλιου Ότανοαριθµός των ηλιακών κηλίδων είναι µεγάλος/µικρός, τότε η εκπεµπό- µενη ηλιακή ακτινοβολία είναι µεγάλη/µικρή αντίστοιχα.

15 ΚΥΚΛΟΙ ΗΛΙΑΚΗΣ ΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑΣ ΗΛΙΑΚΕΣ ΚΗΛΙ ΕΣ (11ετής κύκλος) Οαριθµός των ηλιακών κηλίδων αυξάνει και ελαττώνεται ακανόνιστα, κατά περιόδους 11 ετών (11-ετής κύκλος) Ωστόσο, είναι σηµαντική η µεταβλητότητα του αριθµού των ηλιακών κηλίδων που παρατηρείται κατά τις εναλλαγές των 11-ετών κύκλων. Για παράδειγµα, από το 1900 έως το 1960 οαριθµός του µεγίστου των κηλίδων αυξήθηκε, ενώ µετά το 1960 µειώθηκε. Κατά τη διάρκεια του δεύτερου µισού του 20ού αιώνα, οαριθµός των ηλιακών κηλίδων υπήρξε ασυνήθιστα υψηλός. Παρόµοιος ηψηλός αριθµός εκτιµάται ότι υπήρξε µόνο 8000 χρόνια πριν. Οαριθµός των κηλίδων συσχετίζεται µε τηνεισερχόµενηηλιακήακτινοβολίαστηγη. Ως εκ τούτου, θεωρητικά, θα µπορούσαν οι κηλίδες να επηρεάσουν το κλίµα τηςγης. Για παράδειγµα, ελάχιστες ηλιακές κηλίδες παρατηρούνταν κατά τη διάρκεια της περιόδου Maunder Minimum, στο δεύτερο µισό του 17 ου αιώνα (περίπου ). Η περίοδος αυτή συνέπεσε µετοδεύτερο(και πιο κρύο) ήµισυ της σχετικά πρόσφατης ψυχρής περιόδου της Γης, που είναι γνωστή ως περίοδος των µικρών παγετώνων (Little Ice Age). ΟΜΩΣ: η τελευταία παρατηρούµενη δραµατικήαύξησητηςθερµοκρασίας της Γης (µετά το 1980) δε φαίνεται να συνοδεύεται από αντίστοιχη αύξηση του αριθµού των ηλιακών κηλίδων. ΑΝΤΙΘΕΤΑ, ΦΑΙΝΕΤΑΙ ΝΑ ΕΙΝΑΙ ΤΟ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ ΤΗΣ ΑΝΘΡΩΠΟΓΕΝΟΥΣ ΕΝΤΑΣΗΣ ΤΟΥ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΥ ΤΟΥ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ!!

16 Η ΕΠΟΧΗ ΤΩΝ ΜΙΚΡΩΝ ΠΑΓΕΤΩΝΩΝ Ψυχρή περίοδος µε διάρκεια περίπου από τον 16 ο έως τον 19 ο αιώνα Winter Landscape with a Bird Trap, 1565, by Pieter Bruegel the Elder The hunters in the snow, 1565, by Pieter Bruegel the Elder The Frozen Thames, 1677 Ιστορικές καταγραφές

17 ΚΥΚΛΟΙ ΗΛΙΑΚΗΣ ΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑΣ ΗΛΙΑΚΕΣ ΚΗΛΙ ΕΣ (11ετής κύκλος) Ηµερήσια Ηλιακή Ακτινοβολία στην κορυφή της ατµόσφαιρας Αριθµός Ηλιακών Κηλίδων καλή συσχέτιση µεταξύ της εισερχόµενης ηλιακής ακτινοβολίας στο ανώτατο όριο της ατµόσφαιρας και του αριθµού των ηλιακών κηλίδων Τι σχέση υπάρχει όµως µε το κλίµα??? (δηλαδή π.χ. µε τη θερµοκρασία στην επιφάνεια της Γης??

18 ΚΥΚΛΟΙ ΗΛΙΑΚΗΣ ΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑΣ ΗΛΙΑΚΕΣ ΚΗΛΙ ΕΣ (11ετής κύκλος) ΣΧΕΣΗ ΣΧΕΣΗ ΜΕΤΑΞΥ ΠΛΑΝΗΤΙΚΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΚΑΙ ΑΡΙΘΜΟΥ ΚΗΛΙ ΩΝ αύξηση θερµοκρασίας µείωση αριθµού κηλίδων δε διαφαίνεται να υπάρχει ξεκάθαρη σχέση µεταξύ αριθµού κηλίδων και θερµοκρασίας ειδικά προς το τέλος του 20ού αιώνα (η άνοδοςτηςθερµοκρασίας παρά τη µείωση του αριθµού των κηλίδων, είναι πιθανότατα αποτέλεσµα της ανθρωπογενούς εντατικοποίησης του φαινοµένου του θερµοκηπίου)... όµως το θέµα είναιακόµη ανοικτό προς διερεύνηση...

19 ΠΡΟΣΦΑΤΗ ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΟΥ ΑΡΙΘΜΟΥ ΤΩΝ ΗΛΙΑΚΏΝ ΚΗΛΙ ΩΝ Το 2006, η NASA έκανε µια πρόβλεψη για το επόµενο (τότε) µέγιστο του αριθµού των ηλιακών κηλίδων, µεταξύ 150 και 200 (30-50% ισχυρότερο από εκείνο του κύκλου 23), για περίπου το έτος 2011 µε ένα επακολουθούµενο αδύναµο µέγιστο γύρω στο Όµως, ηπρόβλεψηαυτή δεν επαληθεύθηκε. Αντί αυτού, ο αριθµός των ηλιακών κηλίδων το 2010 ήταν ακόµαελάχιστος, όταν θα έπρεπε (σύµφωνα µε τις προβλέψεις) να ήταν κοντά στο µέγιστό του. Αυτό ήταν ένα γεγονός ασυνήθιστα χαµηλής δραστηριότητας του ήλιου στις αρχές του 21 ου αιώνα. THINK ABOUT ΕΙΝΑΙ ΥΝΑΤΟ ΑΥΤΟ ΝΑ ΕΧΕΙ ΕΠΗΡΕΑΣΕΙ ΤΟ ΚΛΙΜΑ ΚΑΙ ΤΗΝ ΠΡΟΣΦΑΤΗ ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΗΣ ΠΛΑΝΗΤΙΚΗΣ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ?????? The Sun seen on November 14, Photo by courtesy of SOHO/MDI/spaceweather.com ΠΡΟΣΦΑΤΗ ΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑ ΗΛΙΑΚΩΝ ΚΗΛΙ ΩΝ ΠΑΡΑΤΕΤΑΜΕΝΟ ΕΛΑΧΙΣΤΟ KYKΛOY 23!

20 Στην καθηµερινήπρακτικήθεωρούµε την ηλιακή σταθερά σταθερή και ίση µε τηµέση τιµή της, I 0 Οι υπολογισµοί ισχύουν για την κορυφή της ατµόσφαιρας της Γης ΜΕΣΗ ΙΣΧΥΣ ΠΟΥ ΕΧΕΤΑΙ ΤΟ ΦΩΤΙΖΟΜΕΝΟ ΤΜΗΜΑ ΤΗΣ ΓΗΣ 12 Μέση Ακτίνα Γης: m R Γ Animation: Animation: ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΠΟΥ ΕΧΕΤΑΙ Η ΓΗ ΚΑΤA ΤΗ ΙΑΡΚΕΙΑ ΜΙΑΣ ΗΜΕΡΑΣ 15 < P > x 24h (διόρθωση στο βιβλίο, σελ. 14) ΜΕΣΗ ΤΙΜΗ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΤΗN ΚΟΡΥΦΗΤΗΣΓΗΙΝΗΣΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣΑΝΑ ΜΟΝΑ Α ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ ΚΑΤΑ ΤΗ ΙΑΡΚΕΙΑ ΜΙΑΣ ΗΜΕΡΑΣ 8.26 ΜΕΣΗ ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΤΗΝ ΚΟΡΥΦΗ ΤΗΣ ΓΗΙΝΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ΑΝΑ ΜΟΝΑ Α ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ ΚΑΤΑ ΤΗ ΙΑΡΚΕΙΑ ΕΝΟΣ ΕΤΟΥΣ 3 (1 ly = Wh) κατανέµεται σε όλη την επιφάνειά της 340 W/m 2

21 ΦΑΣΜΑ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ περιοχές (υπεριώδης) UV ultraviolet 9% της ολικής έντασης (ορατή) (κοντινή υπέρυθρη) VIS visible NIR near-infrared 44% 47% της ολικής έντασης της ολικής έντασης Χ, γ UV VIS NIR Τα διάφορα µήκη κύµατος της ηλιακής ακτινοβολίας αλληλεπιδρούν (σκεδάζονται-απορροφώνται) διαφορετικά µε ταδιάφορα συστατικά της γήινης ατµόσφαιρας και διεισδύουν τελικά σε διαφορετικά βάθη στο σύστηµα Γης-ατµόσφαιρας

22 ΦΑΣΜΑ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ προσπίπτουσα ακτινοβολία το καθένα από τα µήκη κύµατος αυτού του φάσµατος αλληλεπιδρά (σκεδάζεται και απορροφάται) µε διαφορετικό τρόπο µε τα συστατικά της γήϊνης ατµόσφαιρας (π.χ. υδρατµούς, όζον και άλλα αέρια, νεφοσταγόνες, παγοκρυστάλλους) και διεισδύει µε διαφορετικό τρόπο στην ατµόσφαιρα της Γης τα µεγαλύτερα µήκη κύµατος (λ>300nm) διεισδύουν µέχρι την επιφάνεια της Γης

23 ΟΡΑΤΟ ΦΑΣΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ µεγάλα µήκη κύµατος (LW) µικρά µήκη κύµατος (SW) Ανάλυση Ορατού Φάσµατος Ηλιακής Ακτινοβολίας Ουράνιο τόξο (rainbow)

24 ΦΑΣΜΑ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ φάσµα ηλιακής ακτινοβολίας (µπλε καµπύλη) µεταβολή της ηλιακής ακτινοβολίας λόγω του 11ετούς κύκλου του Ήλιου (πράσινη καµπύλη) διαφορετική κλίµακα η µεταβλητότητα του φάσµατος (11ετής κύκλος του Ήλιου) εντοπίζεται στα πολύ µικρά µήκη κύµατος, όµως αυτά απορροφώνται στα ανώτερα στρώµατα της ατµόσφαιρας

25 ΠΟΣΟ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΠΟΥ ΦΘΑΝΕΙ ΣΤΗΝ ΚΟΡΥΦΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ΣΕ ΧΡΟΝΟ dt Ένταση ηλιακής ακτινοβολίας Ζενίθεια γωνία του Ήλιου Ι Ζ Ι κ υ Γωνία ύψους του Ήλιου Ισχύει :

26 ΠΡΟΣ ΙΟΡΙΣΜΟΣ ΖΕΝΙΘΕΙΑΣ ΓΩΝΙΑΣ ΤΟΥ ΗΛΙΟΥ ΑΠΌ ΤΟ ΤΡΙΓΩΝΟ ΘΕΣΗΣ (ΣΦΑΙΡΙΚΗ ΑΣΤΡΟΝΟΜΙΑ) ΑΟΡ = φ = γεωγραφικό πλάτος ΡΒΡ = Η = ωριαία γωνία δ = απόκλιση Ήλιου Η φ δ=0 ισηµερία δ>0 Ήλιος στο Β. Ηµισφαίριο δ<0 Ήλιος στο Ν. Ηµισφαίριο ΣΦΑΙΡΙΚΗ ΑΣΤΡΟΝΟΜΙΑ (Τρίγωνο Θέσης) Η=0 µεσηµβρία Η<0 προ µεσηµβρίας Η>0 µετά µεσηµβρίας Ωριαία γωνία: είναι η γωνία που σχηµατίζεται µεταξύ δύο επιπέδων: αυτού που περιέχει τον άξονα περιστροφής της Γης και το ζενίθ (το επίπεδο του µεσηµβρινού ΒΡΑ, που είναι παράλληλο στις ακτίνες του Ήλιου) και εκείνου που περιέχει τον άξονα της Γης και το σηµείο του παρατηρητή ορίζεται ως αρνητική ανατολικά του επιπέδου του µεσηµβρινού και θετική δυτικά του

27 ΠΡΟΣ ΙΟΡΙΣΜΟΣ ΖΕΝΙΘΕΙΑΣ ΓΩΝΙΑΣ ΤΟΥ ΗΛΙΟΥ ΑΠΌ ΤΟ ΤΡΙΓΩΝΟ ΘΕΣΗΣ (ΣΦΑΙΡΙΚΗ ΑΣΤΡΟΝΟΜΙΑ) φ = γεωγραφικό πλάτος ω = ωριαία γωνία δ = απόκλιση Ήλιου επίπεδο του µεσηµβρινού στο ζενίθ δ=0 ισηµερία δ>0 Ήλιος στο Β. Ηµισφαίριο δ<0 Ήλιος στο Ν. Ηµισφαίριο επίπεδο του µεσηµβρινού του παρατηρητή παρατηρητής γωνία απόκλισης ω=0 µεσηµβρία ω<0 προ µεσηµβρίας ω>0 µετά µεσηµβρίας Ωριαία γωνία: είναι η γωνία που σχηµατίζεται µεταξύ δύο επιπέδων: αυτού που περιέχει τον άξονα περιστροφής της Γης και το ζενίθ (το επίπεδο του µεσηµβρινού ΒΡΑ, που είναι παράλληλο στις ακτίνες του Ήλιου) και εκείνου που περιέχει τον άξονα της Γης και το σηµείο του παρατηρητή ορίζεται ως αρνητική ανατολικά του επιπέδου του µεσηµβρινού και θετική δυτικά του

28 Ρόλος της γωνίας απόκλισης δ: animations ΕΠΟΧΕΣ ( ( Ρόλος του γεωγραφικού πλάτους φ: ΦΩΣ (διάρκειαδιάρκεια φωτιζόµενου τµήµατος ηµέρας) ΦΩΣ ΤΗΣ ΗΜΕΡΑΣ ΠΡΟΣΛΑΜΒΑΝΟΜΕΝΗ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΚΑΤΑ ΤΗ ΙΑΡΚΕΙΑ ΜΙΑΣ ΗΜΕΡΑΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΕΠΟΧΩΝ Ρόλος της ωριαίας γωνίας Η: ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΚΑΤΑ ΤΗ ΙΑΡΚΕΙΑ ΤΗΣ ΗΜΕΡΑΣ

29 ΠΟΣΟ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΠΟΥ ΦΘΑΝΕΙ ΣΤΗΝ ΚΟΡΥΦΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ (σε γεωγραφικό πλάτος φ) ΑΠΟ ΤΗΝ ΑΝΑΤΟΛΗ ΤΟΥ ΗΛΙΟΥ ΜΕΧΡΙ ΤΗ ΥΣΗ ΤΟΥ δύση Ήλιου ανατολή Ήλιου Γωνιακή ταχύτητα της Γης: ισχύει

30 Ι κ (όµως: Η δ = -Η α ) ωριαία γωνία δύσης ωριαία γωνία ανατολής ΟΛΙΚΗ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΣΤΗΝ ΚΟΡΥΦΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ΚΑΤΑ ΤΗ ΙΑΡΚΕΙΑ ΜΙΑΣ ΗΜΕΡΑΣ (πάνω από ένα συγκεκριµένο τόπο) διάρκεια ηµέρας σε λεπτά (24 ώρες x60 λεπτά) ηλιακή σταθερά εκπεφρασµένη σε ly/min 1 ly/day = 0.48 Wm -2

31 179 ηµέρες ΠΟΛΙΚΗ ΗΜΕΡΑ προσλαµβανόµενη ηλιακή ενέργεια ΨΥΧΡΗΣ ΠΕΡΙΟ ΟΥ (20/21 Μαρτίου 22/23 Σεπτεµβρίου) = (ίση µε) 186 ηµέρες προσλαµβανόµενη ενέργεια ΘΕΡΜΗΣ ΠΕΡΙΟ ΟΥ (22/23 Σεπτεµβρίου 20/21 Μαρτίου) η ψυχρή περίοδος του έτους είναι ελαφρώς µικρότερη από τη θερµή (η Γη κινείται γρηγορότερα στο περιήλιο από ότι στο αφήλιο σύµφωνα µε τους νόµους του Keppler), όµως η ενέργεια που δέχεται ο πλανήτης κατά τις 2 περιόδους είναι η ίδια ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΣ ΠΟΛΙΚΗ ΝΥΧΤΑ 1 ly/day = 0.48 W/m2 (1 Κly/year = 1.33 W/m2)

32

33 ΠΟΛΙΚΗ ΝΥΧΤΑ ΠΟΛΙΚΗ ΗΜΕΡΑ ΠΟΛΙΚΗ ΝΥΧΤΑ µεγάλες αυξοµειώσεις κατά τη διάρκεια του έτους µικρές αυξοµειώσεις κατά τη διάρκεια του έτους ΠΟΛΙΚΗ ΗΜΕΡΑ ΠΟΛΙΚΗ ΝΥΧΤΑ ΠΟΛΙΚΗ ΗΜΕΡΑ µεγάλες αυξοµειώσεις κατά τη διάρκεια του έτους

34 ιανοµή της ηλιακής ακτινοβολίας στο κλιµατικό σύστηµα Γη-Ατµόσφαιρα

35 ιανοµή της ηλιακής ακτινοβολίας στο σύστηµα Γη-Ατµόσφαιρα ΗΛΙΟΣ A r C r α (Q+q) ανακλώµενη από την ατµόσφαιρα ανακλώµενη από νέφη ανακλώµενη από την επιφάνεια της Γης κορυφή της γήινης ατµόσφαιρας Q s εισερχόµενη ηλιακή ακτινοβολία α: λευκαύγεια = ανακλώµενη ακτινοβολία προσπίπτουσα ακτινοβολία ατµόσφαιρα: αέρια+αερολύµατα (aerosols) απορροφώµενη από την ατµόσφαιρα (αέρια-αερολύµατα) απορροφώµενη από νέφη C a Α a Ορίζεται: - στο έδαφος - στην κορυφή της ατµόσφαιρας - σε οποιοδήποτε άλλο επίπεδο άµεση διάχυτη Q+q (1-α) ) (Q+q( Q+q) απορροφώµενη από ξηρά-ωκεανούς Αυτό το Σχήµα διανοµής (τα ποσοστά) µεταβάλλεται: (i) µε το γεωγραφικό µήκος (λ) χώρος (ii) µε το γεωγραφικό πλάτος (φ) (iii) µετοχρόνο(t) χρόνος

36 ιανοµή της ηλιακής ακτινοβολίας στο σύστηµα Γη-Ατµόσφαιρα ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΟΙ A : ατµόσφαιρα (atmosphere) C : νέφη (clouds) α : λευκαύγεια (ή ανακλαστικότητα) (1-α) : απορροφητικότητα Q :διάχυτη: ηλιακή ακτινοβολία q :άµεση: ηλιακή ακτινοβολία είκτες (για C, A): a : απορρόφηση (absorption) r : σκέδαση (scattering)

37 Ολική εισερχόµενη ηλιακή ακτινοβολία στην κορυφή της ατµόσφαιρας άµεση ακτινοβολία διάχυτη ακτινοβολία a a όπου: α λευκαύγεια εδάφους απορροφώµενη ακτινοβολία απότοέδαφος(ξηρά+ωκεανούς) απορροφώµενη ακτινοβολία από τα νέφη ανακλώµενη ακτινοβολία απότοέδαφος απορροφώµενη ακτινοβολία από την ατµόσφαιρα ανακλώµενη ακτινοβολία από τα νέφη ανακλώµενη ακτινοβολία από την ατµόσφαιρα µεταβολή µόνο µε τογεωγραφικόπλάτος µεσηµβρινός κύκλος οι 2 µεγαλύτερες συνιστώσες - απορροφώµενη στην επιφάνεια - ανακλώµενη από τα νέφη

38 ΑΝΑΚΛΩΜΕΝΗ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΑΠΟ ΤΑ ΝΕΦΗ α (Q+q) C r Q s A r όριο της ατµόσφαιρας A a C: Νέφη (Clouds) A: Aτµόσφαιρα είκτες r: σκέδαση a: απορρόφηση (άµεση) Q Q(1-α) (διάχυτη) q C a q(1-α) α: Λευκαύγεια ή (ανακλαστικότητα) εδάφους λειτουργούν ως κάτοπτρα για τον πλανήτη µας (τον ψύχουν) (θα µπορούσαν θεωρητικά να αντισταθµίσουν την πλανητική θέρµανση...)

39 ΜΕΣΗ ΜΗΝΙΑΙΑ ΝΕΦΟΚΑΛΥΨΗ ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ Συνολική νεφοκάλυψη του ουρανού (σε %) ΙΟΥΛΙΟΣ ΜΙΚΡΕΣ ΤΙΜΕΣ ΜΕΓΑΛΕΣ ΤΙΜΕΣ ΜΕΣΕΣ ΤΙΜΕΣ καθαρός ουρανός γιατί πολλά νέφη C r r = 20%

40 Μέση Ζωνική Νεφοκάλυψη (A c ) (µεσοποιηµένες τιµές για ζώνες γεωγραφικού πλάτους 10 µοιρών) Ολική Νεφοκάλυψη (A c ) Ολική Νεφοκάλυψη (A c ) Ολική Νεφοκάλυψη (A c ) 0 o -10 o 10 o -20 o 20 o -30 o ΜΗΝΑΣ ΜΗΝΑΣ ΜΗΝΑΣ 30 o -40 o 40 o -50 o 50 o -60 o ΜΗΝΑΣ ΜΗΝΑΣ ΜΗΝΑΣ 60 o -70 o 70 o -80 o 80 o -90 o ΜΗΝΑΣ ΜΗΝΑΣ ΜΗΝΑΣ Βόρειο Ηµισφαίριο Νότιο Ηµισφαίριο (µεγαλύτερη ΑΙΤΙΕΣ νεφοκάλυψη στο Νότιο Ηµισφαίριο, κυρίως λόγω της µεγαλύτερης κάλυψής του από ωκεανούς σε σχέση µε το Βόρειο) ωκεανοί εξάτµιση υδρατµοί νέφη ΙΑΦΟΡΑ ΝΕΦΟΚΑΛΥΨΗΣ ΒΟΡΕΙΟΥ-ΝΟΤΙΟΥ ΗΜΙΣΦΑΙΡΙΟΥ

41 ΣΚΕ ΑΖΟΜΕΝΗ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΑΠΟ ΤΗΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ α (Q+q) όριο της ατµόσφαιρας A a C r ατµοσφαιρικά αέρια+αερολύµατα (χωρίς νέφη) Q s A r C: Νέφη (Clouds) A: Aτµόσφαιρα είκτες r: σκέδαση a: απορρόφηση (άµεση) Q Q(1-α) (διάχυτη) q C a q(1-α) Ατµόσφαιρα+νέφη σκεδάζουν στο έδαφος πάνω από το 25% της εισερχόµενης ηλιακής ακτινοβολίας στην κορυφή της ατµόσφαιρας! α: Λευκαύγεια ή (ανακλαστικότητα) εδάφους

42 ΣΚΕ ΑΖΟΜΕΝΗ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΑΠΟ ΤΗΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ ΣΚΕ ΑΣΗ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ αλλαγή διεύθυνσης διάδοσης της ηλιακής ακτινοβολίας στην ατµόσφαιρα λόγω της παρουσίας µορίων/σωµατιδίων ηλιακή ακτινοβολία κέντρα σκέδασης στην ατµόσφαιρα ΣΚΕ ΑΣΗ RAYLEIGH επιλεκτική σκέδαση αντιστρόφως ανάλογη τηςτέταρτηςδύναµης του µήκους κύµατος της ακτινοβολίας - ισχυρότερη σκέδαση των µικρότερων µηκών κύµατος της ηλιακής ακτινοβολίας Εξαρτάται από: (i) το µήκος κύµατος της ακτινοβολίας (ii) τιςδιαστάσειςτουκέντρουσκέδασης ΣΚΕ ΑΣΗ MIE µηεπιλεκτικήσκέδαση (όλων των µηκών κύµατος της ηλιακής ακτινοβολίας σκέδαση από µόρια της ατµόσφαιρας (µικρού µεγέθους κέντρα σκέδασης) σκέδαση από νεφοσταγόνες-παγοκρυστάλλους-αερολύµατα (µεγάλου µεγέθους κέντρα σκέδασης)

43 ΣΚΕ ΑΖΟΜΕΝΗ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΑΠΟ ΤΗΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ ατµοσφαιρικά αέρια για σωµατίδια (µόρια) µε διαστάσεις<1/10λ (όπου λ είναι το µήκος κύµατος της ακτινοβολίας) διεύθυνση διάδοσης ακτινοβολίας ατµοσφαιρικά σωµατίδια για σωµατίδια µε διαστάσεις>λ (όπου λ είναι το µήκος κύµατος της ακτινοβολίας) νεφοσταγόνες/ βροχοσταγόνες σκέδαση προς όλες τις διεθύνσεις µεγαλύτερη σκέδαση προς τις µπροστινές διεθύνσεις ισχυρή σκέδαση προς τις µπροστινές διεθύνσεις

44 ΣΚΕ ΑΖΟΜΕΝΗ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΑΠΟ ΤΗΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ ΣΚΕ ΑΣΕΙΣ ΣΚΕ ΑΣΕΙΣ RAYLEIGH RAYLEIGH-MIE από πάνω, επικρατεί η σκέδαση Rayleigh, καθώς η σκέδαση Mie διαδίδεται µπροστά και έτσι βλέπουµε µπλε τον ουρανό όταν στην ατµόσφαιρα υπάρχουν ευµεγέθη σωµατίδια, τότε επικρατεί η εµπροσθοσκέδαση Mie και γύρω από τον Ήλιο βλέπουµεέντονολευκόφως παρατηρητής

45 ΑΠΟΡΡΟΦΩΜΕΝΗ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΑΠΟ ΤΗΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ α (Q+q) C r Q s A r όριο της ατµόσφαιρας C: Νέφη (Clouds) A: Aτµόσφαιρα A a είκτες r: σκέδαση a: απορρόφηση C a (άµεση) Q Q(1-α) (διάχυτη) q q(1-α) α: Λευκαύγεια ή (ανακλαστικότητα) εδάφους τα µόρια της ατµόσφαιρας και τα αερολύµατα απορροφούν περισσότερη ηλιακή ακτινοβολία από τα νέφη ηατµόσφαιρα απορροφά µεγαλύτερα ποσά ηλιακής ακτινοβολίας όταν είναι ανέφελη

46 ΑΠΟΡΡΟΦΗΤΙΚΟΤΗΤΑ (%) Ο 3 -Ο 2 ΦΑΣΜΑ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ (πολύ µικρή απορρόφηση) Ατµοσφαιρικό παράθυρο Ο 3 -Ο 2 Η 2 Ο-CΟ 2 ΣΤΗΝ ΚΟΡΥΦΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ΣΤΑ 11 Km ΣΤO Ε ΑΦΟΣ Απορρόφηση Ηλιακής Ακτινοβολίας στην Ατµόσφαιρα Γενικά µικρή C α α +Α αα 20% Μεγαλύτερη σε ανέφελες περιοχές Μεγαλύτερη στις τροπικές περιοχές (ρόλος υδρατµών-η 2 Ο) πλήρης απορρόφηση σηµαντική απορρόφηση µήκος κύµατος (µm) φασµατικήαπορρόφησητης ηλιακής ακτινοβολίας από την ατµόσφαιρα της Γης ΦΑΣΜΑΤΙΚΗ ΕΝΤΑΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Μήκος κύµατος

47 ΠΡΟΣΠΙΠΤΟΥΣΑ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΣΤΗΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΤΗΣ ΓΗΣ α (Q+q) C r Q s A r όριο της ατµόσφαιρας C: Νέφη (Clouds) A: Aτµόσφαιρα A a είκτες r: σκέδαση a: απορρόφηση (άµεση) Q Q(1-α) (διάχυτη) q C a q(1-α) στο έδαφος προσπίπτει πάνω από το 50% της εισερχόµενης ηλιακής ακτινοβολίας στην κορυφή της ατµόσφαιρας! α: Λευκαύγεια ή (ανακλαστικότητα) εδάφους

48 Άµεση (Q) και ιάχυτη (q) προσπίπτουσα Ηλιακή Ακτινοβολία στην επιφάνεια της Γης 50% ΤΗΣΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣΑΠΌΤΟΝΗΛΙΟ!! 50% ΤΗΣΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣΑΠΌΤΟΝΗΛΙΟ!! Ανταρκτική: δευτερεύον µέγιστο (Q+q) ΡΟΛΟΣ: µεγαλύτερο από το αντίστοιχο της Αρκτικής (αιτία: απουσία νεφών-υδρατµών υδρατµών-αερολυµάτων) (Q+q) Βόρειο Ηµισφ. > (Q+q) Νότιο Ηµισφ. (κατά 1% σύµφωνα µε σύγχρονες εκτιµήσεις) ΑΙΤΙΕΣ (σκέδαση) νεφών υδρατµών αερολυµάτων+αερίων ιχνοστοιχείων Συνολική Κατανοµή της Ηλιακής Ακτινοβολίας στο ΣύστηµαΓη-Ατµόσφαιρα % Πηγή: Σαχσαµάνογλου-Μπλούτσος, Σύγχρονες εκτιµήσεις

49 1. Ρόλος της νέφωσης για την ηλιακή ακτινοβολία στην επιφάνεια της Γης Παγκόσµια κατανοµή νέφωσης (σε %) ΜΗΝΑΣ ΜΗΝΑΣ ΜΗΝΑΣ ΜΗΝΑΣ ΜΗΝΑΣ ΜΗΝΑΣ ΛιγότερηνέφωσηστοΒόρειοσεσχέσηµε το Νότιο Ηµισφαίριο ΑΡΑ λίγη νέφωση στην Ανταρκτική (λιγότερη από την Αρκτική) πολλήηλιακήακτινοβολία στην επιφάνειά της

50 2. Ρόλος των Αερολυµάτων για την ηλιακή ακτινοβολία στην επιφάνεια της Γης Παγκόσµια κατανοµή οπτικού πάχους Αερολυµάτων (συνολικής ποσότητας αερολυµάτων στην ατµοσφαιρική κολώνα) µέτρο του φορτίου αερολυµάτων στην ατµόσφαιρα Περισσότερα αερολύµατα στο Βόρειο σε σχέση µε το Νότιο Ηµισφαίριο µικρές ποσότητες αερολυµάτων στην Ανταρκτική (µικρότερες από την Αρκτική) ΑΡΑ πολλήηλιακήακτινοβολία στην επιφάνειά της

51 3. Ρόλος των Υδρατµών για την ηλιακή ακτινοβολία στην επιφάνεια της Γης Παγκόσµια κατανοµή Υετίσιµου Ύδατος (W H 2O) (δηλ. της συνολικής ποσότητας υδρατµών στην ατµοσφαιρική κολώνα) ΜΗΝΑΣ ΜΗΝΑΣ ΜΗΝΑΣ ΜΗΝΑΣ ΜΗΝΑΣ ΜΗΝΑΣ «Ξηρή» ατµόσφαιρα στην Ανταρκτική (υγρότερη Αρκτική) ΑΡΑ πολλήηλιακήακτινοβολία στην επιφάνειά της

52 Μέσες Ζωνικές τιµές Υετίσιµου Ύδατος (W H2O ) (µεσοποιηµένες τιµές για ζώνες γεωγραφικού πλάτους 10 µοιρών) 0 o -10 o 10 o -20 o 20 o -30 o ΜΗΝΑΣ ΜΗΝΑΣ ΜΗΝΑΣ 30 o -40 o 40 o -50 o 50 o -60 o ΜΗΝΑΣ ΜΗΝΑΣ ΜΗΝΑΣ 60 o -70 o 70 o -80 o 80 o -90 o «Ξηρή» ατµόσφαιρα στην Ανταρκτική ΜΗΝΑΣ ΜΗΝΑΣ ΜΗΝΑΣ Βόρειο Ηµισφαίριο Νότιο Ηµισφαίριο

53 Προσπίπτουσα Ηλιακή Ακτινοβολία στην Επιφάνεια της Γης Άµεση+Έµµεση (Q+q) Downward SW Flux (Wm -2 ) 12-Year Average παρόµοιες τιµές για Μεσόγειο Β. Αφρική µέγιστες τιµές Ισηµερινός µικρές τιµές W m -2

54 Προσπίπτουσα Ηλιακή Ακτινοβολία στην Επιφάνεια της Γης Downward SW Flux (Wm -2 ) 12-Year Average λίγη νέφωση πολλή ηλιακή ακτινοβολία W m -2 (εξάρτηση από τη διαθέσιµη ηλιακή ακτινοβολία στην κορυφή της ατµόσφαιρας, στα µεγάλα γεωγραφικά πλάτη και τις πολικές περιοχές) W m -2

55 Προσπίπτουσα Ηλιακή Ακτινοβολία στην Επιφάνεια της Γης (Q+q) Μέσες Τιµές ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ ΑΠΡΙΛΙΟΣ σηµαντική µεταβολή µε τις εποχές σχετικά µικρές τιµές Q+q, λόγω µεγάλης νέφωσης στο Νότιο Ωκεανό W m -2 W m -2 ΙΟΥΛΙΟΣ µεγάλες τιµές (µικρή νέφωση- µόνιµοι Αντικυκλώνες) ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ W m -2 W m -2 ΕΠΟΧΙΚΕΣ ΤΙΜΕΣ ΤΙΜΕΣ ισχυρή εξάρτηση από νέφωση και ζενίθεια γωνία Ήλιου

56 Κυκλώνες Αντικυκλώνες - Νέφωση Χαρακτηριστικά αντικυκλώνων ΝΕΦΗ ΑΝΕΦΕΛΟΣ ΟΥΡΑΝΟΣ Κυκλώνες και Αντικυκλώνες

57 Αποροφώµενη Ηλιακή Ακτινοβολία στην Επιφάνεια της Γης 17-year Model Results ( ) (1-α)(Q+q) διαφορά µεταξύ Μεσογείου Βόρειας Αφρικής (λόγω διαφορετικής λευκαύγειας εδάφους) (Μεσόγειος: θάλασσα Σαχάρα: έρηµος) µοιάζει πολύ µετηνκατανοµή της προσπίπτουσας ακτινοβολίας στην επιφάνεια της Γης!!! υπάρχουν όµως µικροδιαφορές, οι οποίες οφείλονται βασικά στη λευκαύγεια της επιφάνειας της Γης

58 Απορροφώµενη Ηλιακή Ακτινοβολία στην Επιφάνεια της Γης (1-α)(Q+q) Μέσες Τιµές ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ ΓΕΝΙΚΑ: ΑΡΚΕΤΗ ΟΜΟΙΟΤΗΤΑ ΜΕ ΤΗΝ ΠΡΟΣΠΙΠΤΟΥΣΑ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΑΠΡΙΛΙΟΣ Ανταρκτική W m -2 W m -2 ΟΜΩΣ: ΙΑΦΟΡΕΣ ΜΕ ΤΗΝ ΠΡΟΣΠΙΠΤΟΥΣΑ ΣΕ ΠΕΡΙΟΧΕΣ ΜΕ ΜΕΓΑΛΗ ΛΕΥΚΑΥΓΕΙΑ Σαχάρα ΙΟΥΛΙΟΣ Αρκτική ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ W m -2 W m -2

59 ιαφορές απορροφώµενης και προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια της Γης ΑΠΟΡΡΟΦΩΜΕΝΗ Μέσες Τιµές ΠΡΟΣΠΙΠΤΟΥΣΑ ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ W m -2!!! Ανταρκτική W m -2 Σαχάρα Ιµαλάϊα Αρκτική!!! ΙΟΥΛΙΟΣ W m -2 W m -2

60 ΛΕΥΚΑΥΓΕΙΑ (albedo) ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟΥ/ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ Λευκαύγεια (Albedo) ενός αντικειµένου ή µιας επιφάνειας είναι ο λόγος της διάχυτα ανακλώµενης ακτινοβολίας (ηλιακής) προς την προσπίπτουσα reflectivity Είναι ίση µε τηνολοκληρωµένη διάχυτη ανακλαστικότητα (δηλαδή, την ανακλαστικότητα σε διευθύνσεις) σε στερεά γωνία 2π steradians ΙΑΧΥΤΗ ΑΝΑΚΛΑΣΗ ΑΠΟ ΑΝΩΜΑΛΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ Είναι αδιάστατο µέγεθος (τιµές 0 έως 1) και είναι ενδεικτική της διάχυτης ανακλαστικότητας του αντικειµένου/της επιφάνειας Εξαρτάται από το µήκος κύµατος και τη διεύθυνση πρόσπτωσης της εισερχόµενης ακτινοβολίας. Εξαίρεση ως προς το δεύτερο αποτελούν οι ισότροπες (Lambertian) επιφάνειες Λευκαύγεια διαφόρων τύπων επιφανειών στο κλιµατικό σύστηµα Γης-Ατµόσφαιρας ΧΙΟΝΙ ΝΕΦΗ οι συνιστώσες του συστήµατος µε τη µεγαλύτερη λευκαύγεια (>40%)

61 ΛΕΥΚΑΥΓΕΙΑ (albedo) ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟΥ/ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ ΙΑΧΥΤΗ ΚΑΙ ΚΑΤΟΠΤΡΙΚΗ ΑΝΑΚΛΑΣΗ ΑΠΟ ΛΕΙΑ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΓΕΝΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΙΑΧΥΤΗΣ ΑΝΑΚΛΑΣΗΣ ΑΠΟ ΜΙΑ ΣΤΕΡΕΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ (ΑΓΝΟΩΝΤΑΣ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΙΑΘΛΑΣΗΣ)

62 ΛΕΥΚΑΥΓΕΙΑ (albedo) ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟΥ/ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ Παραδείγµατα Το χιόνι και ο πάγος έχουν τη µεγαλύτερη λευκαύγεια (>0.6) Ηέρηµος έχει επίσης πολύ µεγάλη λευκαύγεια ( ) Οι διάφοροι τύποι επιφάνειας ξηράς έχουν µεγαλύτερη λευκαύγεια ( ) από τις θαλάσσιες εκτάσεις (<0.1) ΕΙ ΙΚΗ ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ ΑΝΑΚΛΑΣΗΣ Επιφάνεια Φρέσκια άσφαλτος Κωνοφόρα δάση (θέρος) Φθαρµένη άσφαλτος Φυλλοβόλα δέντρα Γυµνό έδαφος Πράσινο γρασίδι Ερηµική άµµος Φρέσκο σκυρόδεµα Φρέσκο χιόνι Τυπική Τιµή albedo , 0.09 to to Tο νερόδεν περιλαµβάνεται στον Πίνακα, καθώς αποτελεί τελείως διαφορετική περίπτωση ανάκλασης (µη διάχυτης). Η ανάκλασή του υπολογίζεται µε τις Εξισώσεις Fresnel, που περιγράφουν τη συµπεριφορά του φωτός όταν αυτό διέρχεται από δύο µέσα µε διαφορετικούς συντελεστές διάθλασης

63 Εξάρτηση Ανακλαστικότητας Εδάφους (R) από: i) το µήκος κύµατος λ, ii)τη γωνία πρόσπτωσης της ακτινοβολίας, iii) τον τύπο του εδάφους (σύσταση χρώµα) ΕΞΑΡΤΗΣΗ ΑΠΟ ΜΗΚΟΣ ΚΥΜΑΤΟΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ µήκος κύµατος λ R (για τους περισσότερους τύπους εδάφους-βλάστησης) Πάγος: ασθενέστερη φασµατική εξάρτηση από λ (µέγιστο στο ορατό) Σκέδαση Rayleigh (αντίθετη εξάρτηση από το µήκος κύµατος) ΕΞΑΡΤΗΣΗ ΑΠΟ ΤΗ ΓΩΝΙΑ ΠΡΟΣΠΤΩΣΗΣ ΤΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ζενίθεια γωνία Ήλιου Ζ R Ανακλαστικότητα Επίπεδης Υδάτινης Επιφάνειας (δεν ισχύει για την υπεριώδη ηλιακή ακτινοβολία) Επιφάνειας (Τροποποιηµένη Σχέση Fresnel) δείκτης διάθλασης νερού Ανακλαστικότητα Z Ανακλαστικότητα επίπεδης υδάτινης επιφάνειας ζενίθεια γωνία Ήλιου (σε βαθµούς) γωνία πρόσπτωσης (ζενίθεια) αέρας (n=1) για κάθετη πρόσπτωση για ταραγµένη επιφάνεια νερού Νόµος Snell 0.02 (2%) έως 15% (αύξηση) r νερό γωνία διάθλασης

64 γωνία πρόσπτωσης γωνία διάθλασης n n 1 2 = V V 2 1 ΝΟΜΟΣ ΤΟΥ Snell (διάθλασης) sinθ2 = sinθ 1 δείκτης διάθλασης ταχύτητα φωτός c n = V ταχύτητα φάσης µέτρο της ελάττωσης της ταχύτητας διάδοσης του φωτός σε ένα µέσο ΤΙΜΕΣ ΕΙΚΤΗ ΙΑΘΛΑΣΗΣ Vacuum Air (STP) Acetone Alcohol Amorphous Selenium Calspar Calspar Carbon Disulfide Chromium Oxide Copper Oxide Crown Glass Crystal Diamond Emerald Ethyl Alcohol Flourite Fused Quartz Heaviest Flint Glass Heavy Flint Glass Glass Ice Iodine Crystal Lapis Lazuli Light Flint Glass Liquid Carbon Dioxide Polystyrene Quartz Quartz Ruby Sapphire Sodium Chloride (Salt) Sodium Chloride (Salt) Sugar Solution (30%) Sugar Solution (80%) Topaz Water (20 C) Zinc Crown Glass

65 Λευκαύγεια (R) Επιφάνειας της Γης ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ ΑΠΡΙΛΙΟΣ δευτερευόντως µεγάλες τιµές ΙΟΥΛΙΟΣ εποχικές µεταβολές R ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ µεγάλες τιµές αυξανόµενες τιµές R µετογεωγραφικόπλάτος (ζενίθεια γωνία Ήλιου)

66 Λευκαύγεια διαφόρων τύπων επιφάνειας ξηράς (στα 0.86µm) (surface albedo) σηµαντική µεταβολή ανάλογα µε τον τύπο της ξηράς χωρίς χιόνι µε χιόνι

67 Λευκαύγεια Πλανήτη (Γης) για την περίοδο (planetary albedo) ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ ΑΠΡΙΛΙΟΣ µεγάλες τιµές ΙΟΥΛΙΟΣ διαφορές σε σχέση µε τη λευκαύγεια επιφάνειας (κυρίως λόγω νεφών) µεγαλύτερες τιµές από τη λευκαύγεια επιφάνειας ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ

68 (Henderson-Sellers, ) πολύ σηµαντικός ο ρόλος της για το κλίµα (θερµοκρασία) του πλανήτη Πλανητική Λευκαύγεια οφείλεται σε: Νέφη Ατµόσφαιρα Έδαφος µικρή απορρόφηση ηλιακής ακτινοβολίας µεγάλη πλανητική λευκαύγεια διαφορά µεταξύ Αρκτικής-Ανταρκτικής διαφορετικές παρελθοντικές και σύγχρονες εκτιµήσεις της πλανητικής λευκαύγειας Hatzianastassiou et al. (2004)

69 ΑΝΑΚΛΩΜΕΝΗ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΑΠΟ ΤΗΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΤΗΣ ΓΗΣ εδώ η ανακλώµενη ακτινοβολία απότοέδαφος(χιόνι, πάγος) είναι µεγαλύτερη της απορροφώµενης α (Q+q) όριο της ατµόσφαιρας C r Q s A r A α C: Νέφη (Clouds) A: Aτµόσφαιρα! (άµεση) Q Q(1-α) (διάχυτη) q C α q(1-α) α: Λευκαύγεια ή (ανακλαστικότητα) εδάφους

70 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΓΗΣ-ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ προσπίπτουσα/ ΗΛΙΑΚΗ εισερχόµενη ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ απορροφώµενη ΥΠΕΡΥΘΡΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ National Aeronautic and Space Administration (NASA)

71 ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΠΛΑΝΗΤΙΚΗΣ ΣΚΙΑΣΗΣ/ΛΑΜΠΡΥΝΣΗΣ (GLOBAL DIMMING/BRIGHTENING) µείωση/αύξηση της εισερχόµενης (προσπίπτουσας) ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια της Γης Εισερχόµενη Ηλιακή Ακτινοβολία στην επιφάνεια της Γης (διαφορά µεταξύ τιµών για τις περιόδους και ) Λάµπρυνση (brightening) αύξηση µείωση Σκίαση (dimming) Οι περισσότεροι επίγειοι Σταθµοί µέτρησης ακτινοβολίας, δείχνουν αύξηση της εισερχόµενης ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια της Γης µετά το 1990, σε αντίθεση µε την περίοδο

72 ΣΧΕΣΗ ΠΛΑΝΗΤΙΚΗΣ ΣΚΙΑΣΗΣ/ΛΑΜΠΡΥΝΣΗΣ ΚΑΙ ΠΛΑΝΗΤΙΚΗΣ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ πλανητική θέρµανση ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ συγκρατηµένη πλανητική θέρµανση επιταχυνόµενη πλανητική θέρµανση µετά το 1990 ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ πλανητική σκίαση πλανητική λάµπρυνση Η πλανητική σκίαση από το 1950 ως το 1990 επιβράδυνε το φαινόµενο της πλανητικής θέρµανσης H πλανητική λάµπρυνση µετά το 1990 επιτάχυνε το φαινόµενο της πλανητικής θέρµανσης

73 ιεισδυτικότητα της Ηλιακής Ακτινοβολίας σε Έδαφος-Νερό S: σκέδαση A: απορρόφηση Εξάρτηση από: i) είδος (φύση) της επιφάνειας ii) µήκος κύµατος (λ) ακτινοβολίας λ S Α λ S Α λ 1 λ 2 F λ1 < F λ2 γενικά, για εδάφη (υγρά-καλυµµένα µε βλάστηση) λ 1 = 500nm λ 2 = 600nm F λ1 F λ2 1.8mm εξασθένηση 99% εξασθένηση 90% 0.01 F λ1 0.1 F λ2 υγρή άµµος λ διείσδυση µέγεθος µέγεθος κόκκων διεισδυτικότητα

74 ιεισδυτικότητα της Ηλιακής Ακτινοβολίας σε Καθαρό Νερό < λ 1 λ 2 γενικά, για νερό F 10 cm 0.55 F F λ1 F λ2 10 m 0.18 F καθαρό νερό ισχυρή εξάρτηση της διεισδυτικότητας από το µήκος κύµατος της ακτινοβολίας λ λ διεισδυτικότητα (σε αντίθεση µετοέδαφος) 55% 18% σηµαντική εξάρτηση της διεισδυτικότητας από τη διαφάνεια/θόλωση του νερού (π.χ. παρουσία πλαγκτόν) µέγιστη διεισδυτικότητα στο ιώδες

75 ιεισδυτικότητα της Ηλιακής Ακτινοβολίας σε Χιόνι - Πάγο ενδιάµεσες τιµές διεισδυτικότητας µεταξύ των τιµών εδάφους - νερού µεγαλύτερη διείσδυση στον πάγο από ό,τι στο χιόνι διείσδυση στον πάγο σχεδόν ίδια µε αυτή στο καθαρό νερό µέχρι τα πρώτα cm

76 Ένταση της Ολικής Ηλιακής Ακτινοβολίας που φθάνει στην Επιφάνεια της Γης ΚΑΘΑΡΟΣ ΟΥΡΑΝΟΣ Ζ Ι s υ γωνία ύψους του Ήλιου ΕΞΑΡΤΗΣΗ I s ΑΠΟ: διαθέσιµη ηλιακή ακτινοβολία στην κορυφή της ατµόσφαιρας διαδροµή της ηλιακής ακτινοβολίας µέσα στην ατµόσφαιρα εξασθένιση της ηλιακής ακτινοβολίας µέσα στην ατµόσφαιρα από: υδρατµούς για καθαρό ουρανό άλλα αέρια aερολύµατα I s = a 1 sinυ + a 2 γωνία ύψους του Ήλιου υ σταθερές θόλωσης της ατµόσφαιρας

77 Έντασης της Ολικής Ηλιακής Ακτινοβολίας που φθάνει στην Επιφάνεια της Γης ΝΕΦΟΣΚΕΠΗΣ ΟΥΡΑΝΟΣ πολύ ισχυρή εξάρτηση (εξασθένιση) από τα νέφη Νεφοκάλυψη (ποσοστό κάλυψης του ουρανού από νέφη) Ζ Ι n υ γωνία ύψους του Ήλιου I n όπου = I 1 s ( c + b n ) <0!! I s = a 1 sinυ + a 2

78 Εµπειρικός Υπολογισµός Έντασης της Ολικής Ηλιακής Ακτινοβολίας που φθάνει στην Επιφάνεια της Γης Ανέφελος Ουρανός I = a sinυ + a s 1 2 γωνία ύψους του Ήλιου ακρίβεια 10% όχι επαρκής προσδιορίσιµες σταθερές θόλωσης (αερολύµατα, υδρατµοί κ.λ.π.).) Ισχύουν όταν: n<25% και υ>10 νεφοκάλυψη τυπικές τιµές I s = α sinυ + α 1 2 ΣΗΜΑΝΤΙΚΗ ΕΠΙ ΡΑΣΗ ΘΟΛΩΣΗΣ διαφορετικές τιµές από περιοχή σε περιοχή Νεφοσκεπής Ουρανός ΟΜΩΣ εύρος τιµών των σταθερών αδύνατη γενική εφαρµογή του τύπου ( ) Ουρανός I = I 1+ b n c n s b 0 I n <I s διορθωτικός παράγοντας π.χ. για Αµβούργο ποσοστό νέφωσης (νεφοκάλυψη) µόνον τοπική εφαρµογή b = c = 3.4

79 Ακριβής Υπολογισµός Έντασης της Ολικής Ηλιακής Ακτινοβολίας στην Επιφάνεια της Γης Ουρανός υπό πραγµατικές συνθήκες (µε νέφη) ΧΡΗΣΗ ΜΟΝΤΕΛΩΝ ΠΟΥ ΠΡΟΤΥΠΟΠΟΙΟΥΝ ΤΗ ΘΕΩΡΙΑ δεδοµένα εισόδου του µοντέλου Προσδιορισµός παραµέτρων ατµόσφαιρας-επιφάνειας Μοντέλα ιάδοσης Ακτινοβολίας υπολογισµοί Υπολογισθείσες ροές ακτινοβολίας ΣΥΓΚΡΙΣΗ/ΕΠΑΛΗΘΕΥΣΗ ΤΩΝ ΜΟΝΤΕΛΩΝ ΜΕΣΩ ΣΥΓΚΡΙΣΕΩΝ ΜΕ ΕΠΙΓΕΙΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ