ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ. Χαρακτηρίζεται από το µήκος κύµατος η τη συχνότητα

Transcript

1 ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ Μεταφορά ενέργειας (µε φωτόνια ή ηεκτροµαγνητικά κύµατα) Ε = hv Εκπέµπεται από 1) σώµατα µε θερµοκρασία Τ > 0 Κ 2) από διεργασίες στη δοµή των µορίων Χαρακτηρίζεται από το µήκος κύµατος η τη συχνότητα Φασµατικές περιοχές στο σύστηµα Ατµόσφαιρα-Γη: Ηιακή ακτινοβοία (shortwave) Ήιος =0.1 4µm Θερµική ακτινοβοία (long wave) Γή =4 100µm Αηεπίδραση µε την ύη Ηιακά φωτόνια Προσωρινή διέγερση µορίων 1) Επανεκποµπή σε τυχαία διεύθυνση (σκέδαση) 2) Σύγκρουση µε άα συστατικά (απορρόφηση) µετατροπή σε κινητική ενέργεια θέρµανση Φωτοδιάσπαση µορίων Φωτοιονισµός ατόµων Εξασθένιση της ακτινοβοίας = απώεια φωτονίων (µέσω απορρόφησης ή σκέδασης) Θερµικά φωτόνια Απορρόφηση (µεταβοή της ενέργειας περιστροφής ή ταάντωσης µορίων) Σκέδαση (από νέφη-αεροζό) Εκποµπή (σε βάρος της κινητικής ενέργειας ψύξη) 1

2 ΦΑΣΜΑΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Ν6 Αριθµός Φωτονίων (N) Ν5 Ν7 Ν8 Ν9 Ενέργεια Φωτονίων (N*hv) Ν4 Ν10 Ν3 Ν1 Ν2 ν1 ν2 ν3 ν4 ν5 ν6 ν7 ν8 ν9 ν10 Συνχότητα (ν) ν1 ν2 ν3 ν4 ν5 ν6 ν7 ν8 ν9 ν10 Συνχότητα (ν) Φασµατική ροή ακτινοβοίας (W m -2 µm -1 ) ΗΛΙΑΚΟ ΦΑΣΜΑ ΣΤΟ Ε ΑΦΟΣ Μήκος κύµατος (µm) 2

3 ΕΝΤΑΣΗ (ή αµπρότητα - radiance) Ακτινοβοούµενη ενέργεια σε καθορισµένη διεύθυνση ανά µονάδα χρόνου, ανά µονάδα εύρους µήκους κύµατος (ή συχνότητας), ανά µονάδα στερεάς γωνίας, και ανά µονάδα επιφάνειας κάθετης στη δεδοµένη διεύθυνση Ι = Εv v t ν s Ω Ι = Ε t s Ω s Μονοχρωµατική ένταση: δεν σηµαίνει σε ένα συγκεκριµένο µήκος κύµατος ή συχνότητα ν µέση τιµή σε ένα απειροστό εύρος ή ν µε κέντρο το ή το ν Μονάδα µέτρησης: (J s -1 sr -1 m -2 µm -1 ) = (W sr -1 m -2 µm -1 ) Ένταση ανεξάρτητη της διεύθυνσης: ισότροπη Ένταση ανεξάρτητη της θέσης: οµογενής Η ένταση δέσµης είναι σταθερή όταν διαδίδεται σε διαφανές µέσο 3

4 ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ ΡΟΗΣ (ή ροή flux ή irradiance) Ακτινοβοούµενη ενέργεια που προσπίπτει σε µία επίπεδη επιφάνεια ανά µονάδα χρόνου, ανά µονάδα εύρους µήκους κύµατος (ή συχνότητας) και ανά µονάδα επιφάνειας F v E t s v v = θ Μονάδα µέτρησης: (J s -1 m -2 µm -1 ) = (W m -2 µm -1 ) Η πυκνότητα ροής προκύπτει από την οοκήρωση της έντασης σε όο το ηµισφαίριο F I ( θ)cosθ dω v ν 2π Ο όρος cosθ ανάγει την ένταση από µία διεύθυνση (θ) στο οριζόντιο επίπεδο 4

5 Ορισµός και υποογισµός στερεάς γωνίας ΕΜΒΑ Ο dω ( θ, φ) = = 2 r ( r sin θdφ)( rdθ ) = = sinθdφdθ 2 r + π /2 2π Ω= sinθdϕdθ = 4π π /2 0 Εξάρτηση της ροής δέσµης από την γωνία πρόσπτωσης ΕΣΜΗ ΑΚΤΙΝΩΝ UV F o θ ΣΤΟΧΟΣ F o : ροή σε κάθετη πρόσπτωση F = F ο cosθ 5

6 Ακτινοβοία µέανος σώµατος Κάθε σώµα εκπέµπει ακτινοβοία εφόσον βρίσκεται σε θερµοκρασία µεγαύτερη του απούτου µηδενός. Ένα σώµα χαρακτηρίζεται σαν µέαν όταν απορροφά όη την ακτινοβοία που προσπίπτει Ένα πραγµατικό σώµα εκπέµπει ιγότερη ενέργεια από ένα µέαν σώµα Η ένταση που εκπέµπει ένα µέαν σώµα υπακούει στον νόµο του Plank B ( Τ ν ) = 3 2hv 1 c 2 hv exp 1 kt B ν : Ακτινοβοούµενη ισχύς ανά µονάδα επιφάνειας, ανά µονάδα στερεάς γωνίας, σε ένα απειροστό εύρος συχνοτήτων ή µήκους κύµατος B ( Τ ) = 2 2hc 1 5 hc exp 1 kt Ιδιότητες µέανος σώµατος: Η εκπεµπόµενη ακτινοβοία είναι ισότροπη, οµογενής και µη ποωµένη Η ακτινοβοία σε ένα συγκεκριµένο µήκος κύµατος εξαρτάται από τη θερµοκρασία του ύο µέανα σώµατα της ίδιας θερµοκρασίας εκπέµπουν ακριβώς την ίδια ακτινοβοία Ένα µέαν σώµα ακτινοβοεί τη µέγιστη δυνατή ενέργεια σε κάποιο εύρος συχνοτήτων για µια δεδοµένη θερµοκρασία από κάθε άο σώµα 6

7 Η συνοική ένταση της ακτινοβοίας που εκπέµπει ένα µέαν σώµα προκύπτει µε οοκήρωση του νόµου του Plank B( T ) = B ( T ) d 0 π B T = T = F T 4 ( ) σ ( ) σ = W m -2 K -4 F = ροή ανά µονάδα επιφάνειας (όγω της ισοτροπίας της Β(Τ)) Νόµος των Stefan Boltzmann: Η ροή που εκπέµπεται από ένα µέαν σώµα είναι ανάογη της τέταρτης δύναµης της απόυτης θερµοκρασίας του Νόµος του Wien: Το µήκος κύµατος στο οποίο ένα µέαν σώµα εκπέµπει την µέγιστη ενέργεια είναι ανάογο της θερµοκρασίας του. max T = σταθ. (2897 µ m K) 7

8 Ακτινοβοία µέανος σώµατος Ιδανικά, εκπέµπεται από µία οπή σε ισόθερµη κοιότητα (τα τοιχώµατα της διατηρούνται σε οµογενή θερµοκρασία) όταν επικρατεί θερµοδυναµική ισορροπία (θερµική, µηχανική και χηµική ισορροπία) Νόµος του Kirchhoff: Υπό συνθήκες θερµοδυναµικής ισορροπίας η ικανότητα ενός σώµατος να ακτινοβοεί συνδέεται στενά µε την ικανότητά του να απορροφά ακτινοβοία ε I ( T ) = ε B ( T ) Α I ( T ) =Α B ( T ) Ι ε (Τ): εκπεµπόµενη ένταση ακτινοβοίας Ι Α (Τ): απορροφούµενη ένταση ακτινοβοίας Β (Τ): ένταση ακτινοβοίας µέανος σώµατος ε : συντεεστής εκποµπής Α : απορροφητικότητα Αν ε =1 το σώµα συµπεριφέρεται σαν µέαν και Α =1 (δη. απορροφά όη την ακτινοβοία που προσπίπτει σε αυτό) Ένα φαιό (γρι) σώµα εκπέµπει ιγότερη ακτινοβοία από ότι ορίζει ο νόµος του Plank άρα: ε = Α < 1 Η ατµόσφαιρα συνοικά δεν µπορεί να θεωρηθεί ότι βρίσκεται σε θερµοδυναµική ισορροπία διότι απορροφά επιεκτικά την ακτινοβοία Τοπικά όµως (z<60 km) βρίσκεται σε θερµοδυναµική ισορροπία (Τ.Θ.Ι.), µε καή προσέγγιση (η µεταφορά ενέργειας συµβαίνει µέσω συγκρούσεων των µορίων) και ο νόµος του Kirchhoff βρίσκει εφαρµογή στην ατµόσφαιρα Η Γη και ο Ήιος συµπεριφέρονται µε καή προσέγγιση σαν µέανα σώµατα 8

9 ΙΑ ΟΣΗ ΤΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΣΤΗΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ Η ένταση I προσεγγίζεται ως δέσµη παράηων ακτίνων (dω 0) θ I έσµη ηιακών ακτίνων Ατµοσφαιρικό στρώµα ρ dl dz I +di Εξασθένιση: di = kρidl k = k α + k (Απορρόφηση + σκέδαση ) Εκποµπή: di = jρdl (Θερµική εκποµπή + σκέδαση) s k δεν περιέχει σκέδαση για τη γήινη ακτινοβοία j =0 για την ηιακή ακτινοβοία k : Μαζικός συντεεστής εξασθένισης (cm 2 gr -1 ) j v : συντεεστής συνάρτησης πηγής (W µm -1 sr -1 gr -1 ) Συνοικά: di = k ρi dl+ j ρdl Θέτοντας / Επειδή dz=cosθ dl: J j k di kρ cosθ dz di kρdl = I + J = I + J 9

10 Νόµος Beer-Bouguer-Lambert Για µια δέσµη ηιακής ακτινοβοίας ( = µm) θεωρούµε ότι δεν υπάρχει εκποµπή ακτινοβοίας από το σύστηµα ατµόσφαιρα-γη, ούτε συνεισφορά από ποαπή σκέδαση J =0 di di = I = kρds k ρds I I ( s ) s di 1 1 I = k I (0) 0 ρds s1 I ( s1 ) = I (0) exp kρds 0 Αν το µέσον είναι οµογενές, τότε k είναι ανεξάρτητο της θέσης s. Θέτοντας u s 1 = ρ 0 ds (οπτικός δρόµος της δέσµης) ή τ s 1 = 0 k ρds (οπτικό πάχος ή οπτικό βάθος) 10

11 I ( s ) = I (0) e = I (0) e ku 1 Η εξασθένιση µιας δέσµης όταν διέρχεται από ένα µέσον είναι µια απή εκθετική συνάρτηση µε εκθέτη το γινόµενο του µαζικού συντεεστή εξασθένισης και του οπτικού δρόµου που διανύει η δέσµη τ ιαπερατότητα του µέσου I ( s ) 1 ku τ T = = e = e I (0) Αν το µέσον δεν σκεδάζει την ακτινοβοία: Απορροφητικότητα: απορροφούµενηένταση Α = = 1 T = προσπίπτουσα ένταση e k u Αν το µέσον σκεδάζει την ακτινοβοία: Ανακαστικότητα: R = οπισθοσκεδαζόµενηένταση προσπίπτουσα ένταση Για να διατηρείται η ενέργεια: Α + T + R = 1 11

12 Ενεργός θερµοκρασία Τ e Ροή για ΜΕΛΑΝ ΣΩΜΑ: F=σT 4 Ροή για ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟ ΣΩΜΑ: F=σT e 4 Ενεργός θερµοκρασία ενός σώµατος είναι η θερµοκρασία που θα είχε ένα µέαν σώµα που θα εξέπεµπε την ίδια ροή ακτινοβοίας ανά µονάδα επιφάνειάς του. Εκποµπή ακτινοβοίας από τον ήιο Εκπεµπόµενη ροή από τον ήιο: F s = σ T se 4 = W m -2 σ= W cm -2 K -4 (σταθερά των Stefan-Boltzmann) Συνοική εκπεµπόµενη ισχύς: E s = F s 4π R s 2 [W] R s = 696x10 3 km Ροή σε απόσταση d από τον ήιο: F d Es Rs = = F 2 s 4π d d 2 12

13 Ροή στη µέση απόσταση Γης- Ήιου: R s s= Fs = Fd dm 2 2 d d m d m = 1.496x10 8 km s = Ηιακή σταθερά = 1362 W m -2 Συνοική ισχύς που δέχεται η γή: { 6371 } 2 o = π R = km E s R γ γ Συνοική ισχύς που απορροφάται στο έδαφος: E = s R 2 (1 r ) εδ π Γ Ανακαστική ικανότητα r = ανακώµενηροή προσπίπτουσα ροή 13

14 Εκποµπή ακτινοβοίας από τη Γη Ακτινοβοούµενη ισχύς από τη Γη: ( 4 ) ( 4 ) E = π R F = π R σt IR 2 4 γ γ γ γ e Θερµική ισορροπία στη γη Ε απορροφούµενη = Ε εκπεµπόµενη E = E π R (1 r ) s= 4π R σt εδ IR γ γ γ e T γ e (1 r ) s = σ Η Τ γe εξαρτάται µόνο από την ανακαστικότητα και την απόσταση από τον ήιο (µέσω της s) ΠΛΑΝΗΤΗΣ ΑΠΟΣΤΑΣΗ ΑΠΟ ΤΟΝ ΗΛΙΟ [10 6 km] ΡΟΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ [kw m -2 ] ΛΕΥΚΟΤΗΤΑ r ΕΡΜΗΣ ΑΦΡΟ ΙΤΗ ΓΗ ΑΡΗΣ ΙΑΣ ΚΡΟΝΟΣ ΟΥΡΑΝΟΣ ΠΟΣΕΙ ΩΝΑΣ ΠΛΟΥΤΩΝ Η Τ e είναι ανεξάρτητη του µεγέθους του πανήτη Τ e 14

15 ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ ΠΟΥ ΕΝ ΑΠΟΡΡΟΦΑ ΤΗ ΓΗΙΝΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ Μέση ροή της ηιακής ακτινοβοίας που απορροφάται στο έδαφος: F εδ E sπ R (1 r ) 1362 Wm (1.33) = = = 240Wm 4π εδ Γ 2 2 RΓ π RΓ 2 Η Γη εκπέµπει όση ροή απορροφά αφού η θερµοκρασία της είναι σταθερή Νόµος Stefan-Boltzmann: F γ = σ T e 4 T e = (F γ /σ) 1/4 Άρα χωρίς ατµόσφαιρα: T e = 255 Κ Η γη θα ήταν παγωµένη (-18 C) Η πραγµατική µέση θερµοκρασία της γης είναι: T = 288 K (15 C) 15

16 Τ = 288 Κ 16

17 ΤΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΤΟΥ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ Προκαείται από απορρόφηση µέρους (~80%) της υπέρυθρης ακτινοβοίας που εκπέµπεται από τη γη o (τριατοµικά αέρια: CO 2, CH 4, H 2 O, N 2 O, O 3 και CFCs) Η απορροφούµενη ενέργεια επανεκπέµπεται προς όες τις διευθύνσεις (άρα και προς το έδαφος) Είναι φυσικό φαινόµενο το οποίο συνέβαινε ανέκαθεν Ανθρωπογενείς δραστηριότητες αυξάνουν τις συγκεντρώσεις των θερµοκηπικών αερίων οδηγώντας σε Παγκόσµια Θέρµανση Συνέπειες της παγκόσµιας θέρµανσης (ενισχυµένο φαινόµενο του θερµοκηπίου) Αύξηση της µέσης θερµοκρασίας της γης Απορρύθµιση του κίµατος Θερµική διαστοή της υδρόσφαιρας (1) Λιώσιµο των παγετώνων (2) (1) και (2) Αύξηση της µέσης στάθµης της θάασσας Παγκοσµίως 0.5 m στα επόµενα 100 χρόνια Στην Εάδα, mm την δεκαετία Τροποποίηση του ρεύµατος το Κόπου Αύξηση των ακραίων καιρικών φαινοµένων 17

18 18

19 19