Ωκεάνιο Ισοζύγιο Θερμότητας

Transcript

1 Ωκεάνιο Ισοζύγιο Θερμότητας Η Γη δέχεται την ενέργειά της από τον Ήλιο Σε μήκη κύματος μεταξύ 0.2 και 4.0 µm Περίπου το 40% της ακτινοβολίας αυτής βρίσκεται στο ορατό φάσμα μεταξύ 0.4 και 0.67 µm

2 Ωκεάνιο Ισοζύγιο Θερμότητας Ηλιακή Σταθερά Μέση ροή ηλιακής ενέργειας κινούμενη προς τη Γη ~1368 W m -2 Καθώς η τροχιά της Γης γύρω από τον Ήλιο είναι ελλειπτική η παραπάνω τιμή κυμαίνεται κατά ±3.5% ανάλογα με την εποχή

3 Ωκεάνιο Ισοζύγιο Θερμότητας Η ενέργεια αυτή κατανέμεται σε ολόκληρη την επιφάνεια της Γης που προσπίπτουν oι ηλιακές ακτίνες, με ισχύ P=S o πr E 2 Γεγονός που δίνει μία μέση ηλιακή ακτινοβολία της τάξης των 344 W m -2 Ένα τμήμα της ενέργειας αυτής (albedo, α) ανακλάται ή διαχέεται. Καθώς το μέσο albedo της Γης είναι 0.30, η τελική μέση προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία είναι 238 W m -2

4 Υψηλό albedo στα μεγάλα γεωγραφικά πλάτη Albedo Χαμηλό albedo στους τροπικούς Peixoto and Oort, 1989

5 Φαινόμενο Θερμοκηπίου Νόμος Stefan-Boltzmann: I = σt 4 με σ=5.670 x 10-8 W m -2 K -4 Άρα, η ροή ενέργειας (ενέργεια ανά μονάδα επιφανείας ανά μονάδα χρόνου) που εκπέμπεται από ένα σώμα είναι ανάλογη της 4 ης δύναμης της απόλυτης θερμοκρασίας του Χρησιμοποιώντας την ηλιακή σταθερά που προηγούμενα ορίσαμε, βρίσκουμε ότι η θερμοκρασία της Γης είναι T earth = 255 o K ή 18 o C Ωστόσο, ξέρουμε ότι η μέση θερμοκρασία της Γης είναι 288 o K ή 15 o C Η διαφορά αυτή οφείλεται στη ακτινοβολία που απορροφάται και εγκλωβίζεται στο εσωτερικό της ατμόσφαιρας Η εισερχόμενη ενέργεια είναι μικρού μήκους κύματος Η εκπεμπόμενη από τη Γη ακτινοβολία είναι μεγάλου μήκους κύματος (υπέρυθρη) Προκύπτει το φαινόμενο του θερμοκηπίου Το κύριο θερμοκηπιακό αέριο είναι οι υδρατμοί

6 Greenhouse Effect

7 Heat Budget

8 Ωκεάνιο Ισοζύγιο Θερμότητας (Ocean Heat Budget) Αποτελείται από εισροές και εκροές θερμότητας. Εισροή περιγράφει τη διεργασία αύξησης της θερμότητας του ωκεανού (+). Εκροή περιγράφει τη διεργασία μείωσης της θερμότητας του ωκεανού (-). Κύριες εισροές και εκροές θερμότητας: Μικρού μήκους κύματος ( μm) εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία (Q S, solar radiation, +) Μεγάλου μήκους κύματος (10-12 μm) επανεκπεμπόμενη γήινη ακτινοβολία (Q b, back-radiation, -) Άμεση μεταφορά θερμότητας από την επαφή αέρα/νερού (Q h, sensible heat, +/-) Εξάτμιση (Q e, evaporative heat flux, -) Μεταφορά θερμότητας λόγω ωκεάνιων ρευμάτων (Q V, advective heat flux, +/-)

9 Ωκεάνιο Ισοζύγιο Θερμότητας (Ocean Heat Budget) Δευτερεύουσες εισροές εκροές θερμότητας: Χημικές/βιοχημικές αντιδράσεις (+) Γηγενής θερμότητα υδροθερμική δραστηριότητα (+) Τριβή πυθμένα (+) Ραδιενέργεια (+) Έτσι, το ισοζύγιο θερμότητας για κάθε υδάτινο σώμα εκφράζεται από την εξίσωση : +Q S + Q b + Q h +Q e + Q v = Q T όπου Q T είναι το συνολικό κέρδος ή απώλεια θερμότητα του υδάτινου σώματος στη χρονική περίοδο αναφοράς.

10 Ηλιακή Ακτινοβολία, Q S Η εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία μεταβάλλεται εποχιακά μεταξύ W/m 2 στους Πόλους και μεταξύ W/m 2 στον Ισημερινό. Οι μέγιστες εποχιακές μεταβολές οφείλονται στην μεταβολή της απόστασης Γη Ήλιος και είναι της τάξης του 3,3%. Αν η εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία κανονικοποιηθεί στο 100%, τότε:

11 Συνεπώς, 53% επιστρέφει στο διάστημα ενώ 47% διατίθεται ως πηγή ενέργειας στη Γη. Το Q s εξαρτάται: α) εποχή έτους, β) γεωγραφικό πλάτος, γ) παρουσία σκόνης και υδρατμών στην ατμόσφαιρα, δ) ύψος ηλίου, ε) νέφωση, στ) κατάσταση επιφάνειας θάλασσας. Wien s Law: λ = 2897 Τ -1 (Τ = 6000 ο Κ, άρα λ = 0,48 μm, μπλε χρώμα)

12

13 Net Radiation Received, W m -2 Κατανομή Q S

14 Αιτίες Κατανομής Q S Οι λόγοι που σχετίζονται με τη κατανομή της εισερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας είναι: 1) Γωνία πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας

15 Αιτίες Κατανομής Q S 2) Καμπυλότητα Γης 3) Μήκος ατμοσφαιρικής διαδρομής ακτινοβολίας

16 Αιτίες Κατανομής Q S 4) Albedo Η τιμή albedo προσδιορίζει το λόγο της ανακλώμενης προς την εισερχόμενη ακτινοβολία Το albedo έχει σημαντική χωρική μεταβλητότητα, αλλά η μέση τιμή του είναι 0.30

17 Ηλιακή Ακτινοβολία, Q S Προκύπτει ότι η εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία δεν είναι ομοιόμορφα κατανεμημένη στην επιφάνεια της Γης Ως προς τη μέση τιμή Q S υπάρχει ένα πλεόνασμα ακτινοβολίας στους τροπικούς και ένα έλλειμμα στους Πόλους Αυτό προκαλεί τη μεταφορά θερμότητας μέσω των ωκεανών και της ατμόσφαιρας από τον Ισημερινό προς τους Πόλους Η ανάγκη ανακατανομής της ενέργειας αποτελεί τη κύρια κινητήριο δύναμη της ωκεάνιας και ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας

18 Οριζόντια μεταφορά θερμότητας Λόγω ανισοκατανομής

19 Γήινη Επανεκπεμπόμενη Ακτινοβολία, Q b Wien s Law: λ = 2897 Τ -1 (Τ = 285 ο Κ, άρα λ = 10 μm, υπεριώδης ακτινοβολία). Τυπική τιμή Q b = 140 W/m 2 στον Ισημερινό.

20 Οι τιμές του Q b για ωκεάνιες συνθήκες (χωρίς σύννεφα) κυμαίνονται μεταξύ 115 έως 70 W/m 2, με τις υψηλές τιμές να λαμβάνουν χώρα σε συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας και χαμηλής υγρασίας και αντίστροφα. Η τιμή του Q b είναι αντιστρόφως ανάλογη της θερμοκρασίας για τον εξής λόγο: Η αύξηση της θερμοκρασίας έχει σαν αποτέλεσμα μεγαλύτερη εκπομπή θερμότητας, αλλά συνοδεύεται από αύξηση της σχετικής υγρασίας στην ατμόσφαιρα. Η θερμοκρασία της ατμόσφαιρας ακολουθεί αυτή της θάλασσας, όμως η ποσότητα των υδρατμών αυξάνεται εκθετικά, με αποτέλεσμα η εκπομπή ακτινοβολίας της ατμόσφαιρας προς τη θάλασσα να αυξάνεται γρηγορότερα από την εκπομπή ακτινοβολίας της θάλασσας προς την ατμόσφαιρα. Το αποτέλεσμα είναι η μείωση του όρου Q b καθώς η θερμοκρασία της θάλασσας αυξάνει.

21 Ο όρος Q b εξαρτάται από τους εξής παράγοντες: 1. Επίδραση νέφωσης αύξηση της επιστρεφόμενης ακτινοβολίας μείωση καθαρής απώλειας θερμότητας 2. Επίδραση πάγου ή χιονοκάλυψης υψηλό albedo (ανακλασιμότητα) χαμηλή απορρόφηση θερμότητας μείωση της επανεκπεμπόμενης θερμότητας

22 Μεταφορά Θερμότητας λόγω άμεσης επαφής, Q h Γενικά, η επιφάνεια του ωκεανού είναι κατά 0,8 ο C θερμότερη από την ατμόσφαιρα. Άρα αυτή η διεργασία συνήθως αποτελεί μία γρήγορη διεργασία απώλειας θερμότητας, γιατί: 1. Απαιτείται μικρή ποσότητα θερμότητας για τη θέρμανση του αέρα (απαιτείται ίση ποσότητα θερμότητας για την άνοδο της θερμοκρασίας νερού πάχους 1 cm κατά 1 ο C με αυτή για την άνοδο της θερμοκρασίας αέρα πάχους 31 μ κατά 1 ο C). 2. Η εισροή θερμότητας στην κατώτερη ατμόσφαιρα προκαλεί αστάθεια, κατακόρυφη κίνηση και μεταφορά θερμότητας στα ανώτερα στρώματα. Αντίθετα, η εισροή θερμότητας στην επιφάνεια του ωκεανού αυξάνει την ευστάθεια της υδάτινης στήλης και αποτρέπει τη μεταφορά θερμότητας στα κατώτερα στρώματα.

23 Μεταφορά Θερμότητας λόγω άμεσης επαφής, Q h Q h = ρ α dt Cp K dz Όπου Κ ο συντελεστής τυρβώδους διάχυσης Κ = O(L 2 T -1 ) K = C D W; ρ air = 1.2 kg/m 3, C p = 1008 J kg -1 K -1, C D = , W (ένταση ανέμου). Άρα Q h (W m -2 ) = W (T S T a )

24 Λανθάνουσα Απώλεια Θερμότητας, Q e Ο ρυθμός απώλειας θερμότητας που ακολουθεί την εξάτμιση δίνεται από τη σχέση: Q e = F e L t όπου F e είναι ο ρυθμός εξάτμισης του νερού σε kg/sec/m 2 της επιφάνειας της θάλασσας, και L t η ειδική θερμότητα (latent heat) της εξάτμισης. Για το απεσταγμένο νερό L t = T (kj/kg) όπου Τ η θερμοκρασία του νερού σε ( ο C). Προσδιορισμός F e α) με εξατμισίμετρο, β) με συνεχείς μετρήσεις αλατότητας

25 Μετεωρολογικός σταθμός εφοδιασμένος με εξατμισίμετρο

26 Λανθάνουσα Απώλεια Θερμότητας, Q e Η μέθοδος της ροής (flow method) προσδιορίζει το F e σύμφωνα με το τύπο : F e = -A e df/dz όπου Α e είναι ο συντελεστής τυρβώδους διάχυσης των υδρατμών στον αέρα πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας, και df/dz η βαθμίδα της συγκέντρωσης των υδρατμών ως προς το ύψος. Άλλη ημι-εμπειρική εξίσωση είναι : F e = 1.4 (e s e α ) W (kg/day/m 2 ) e s είναι η πίεση των κορεσμένων υδρατμών πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας (kpa), e a η πραγματική πίεση των υδρατμών του αέρα σε ύψος 10 μ. από την επιφάνεια της θάλασσας (kpa), και W η ταχύτητα του ανέμου σε m/sec. Άρα, Q E = F e L t = 1.4 W (e s e a ) ( T S ) 10-3 (W m -2 ) Αν Τ = 15 ο C e S = 1.71 kpa, αν h = 85% 1.71*0.85 = 1.45 kpa = e a

27 Λανθάνουσα Απώλεια Θερμότητας, Q e Η λανθάνουσα απώλεια θερμότητας είναι πολύ δύσκολο να μετρηθεί. Αποτελεί το παράγοντα μεγαλύτερης απώλειας θερμότητας σε σχέση με τους υπόλοιπους όρους του θερμικού ισοζυγίου. Μία μέση τιμή της είναι 100 W/m 2

28 Λανθάνουσα Απώλεια Θερμότητας, Qe

29 MATLAB Has Tools for Calculating Heat Fluxes Air Sea Toolbox Click on air_sea.zip to download. Save this folder and add to path.

30 Function hfbulktc.m Calculates Sensible and Latent Heat Fluxes (among other things)

31 How to use the bulk fluxes in the MATLAB air-sea toolbox. Heat_fluxes=hfbulktc(W,Z w,t a,z T,R H,Z H,P,T h20 ); W = wind speed (m/s) Z w = Height of wind measurement (m) T a = Air temperature (C) Z T = Height of temperature measurement (m) R H = Relative Humidity (%) Z H = Height of humidity measurement (m) P = Atmospheric Pressure T h20 = Sea Surface Temperature

32 Η Θερμοκρασία του Επιφανειακού Ωκεάνιου Νερού, ρυθμίζεται από: Ηλιακή ακτινοβολία Μεταφορά θερμότητας και νερού από ατμόσφαιρα Ωκεάνια ρεύματα Κατακόρυφη ανάμειξη Επιφανειακή απορροή

33 February Surface Temperatures Segar, 2007

34 August Surface Temperatures Segar, 2007

35 Κύρια χαρακτηριστικά: Ζωνώδης κατανομή θερμοκρασίας με το γεωγραφικό πλάτος Αποκλίσεις από τη παραλληλία εμφανίζονται στα περιθώρια των ηπείρων, λόγω παράκτιων ρευμάτων και τοπικών αναβλύσεων (upwellings).

36 Κατανομή Θερμοκρασίας με το Βάθος Μέση ωκεάνια θερμοκρασία: 3,8 ο C Διάκριση στήλης σε τρία στρώματα: Α) Επιφανειακό ή καλά αναμιγμένο, (0-200 μ). Κυρίως στον Ισημερινό και τις τροπικές περιοχές Β) Στρώμα μόνιμου θερμοκλινούς, ( μ), απότομη πτώση θερμοκρασίας με το βάθος Γ) Στρώμα Πυθμένα (κάτω των 1000 μ), χαμηλή και αμετάβλητη θερμοκρασία

37 Επιφανειακή Κατανομή Αλατότητας Η αλατότητα κυμαίνεται από με ΜΟ το 34. Συσχέτιση αλατότητας και γεωγραφικού πλάτους Χαμηλές τιμές στις πολικές περιοχές και τον Ισημερινό και υψηλές στις υποτροπικές περιοχές

38 Επιφανειακή Κατανομή Αλατότητας Η ζωνώδης γεωγραφική κατανομή της αλατότητας συνδέεται κατά κύριο λόγο με τη βροχόπτωση (precipitation) και την εξάτμιση (evaporation). Κατανομή μέσης ετήσιας επιφανειακής αλατότητας κατά μήκος ενός μεσημβρινού, σε σύγκριση με τη διαφορά εξάτμισης και βροχόπτωσης (Ε-Ρ).

39 Πίνακας 4. Παράγοντες που αυξάνουν ή ελαττώνουν την αλατότητα των ωκεανών. Κοντά στη ξηρά, οι τιμές της αλατότητας παρεκκλίνουν σημαντικά από τις προαναφερθείσες τιμές. Οι παρεκκλίσεις αυτές βρίσκονται κυρίως σε περιοχές όπου: α) υπάρχει μεγάλη έκχυση γλυκών υδάτων, όπως το Δέλτα του Αμαζονίου, β) μεγάλη εξάτμιση, όπως σε λιμνοθάλασσες, γ) η επικοινωνία με τη θάλασσα είναι περιορισμένη, όπως Μεσόγειος Θάλασσα, Ερυθρά Θάλασσα και Μαύρη Θάλασσα.

40