Energijska bilanca Zemlje. Osnove meteorologije november 2017

Transcript

1 Energijska bilanca Zemlje Osnove meteorologije november 2017

2 Spekter elektromagnetnega sevanja

3 Sevanje Osnovne spremenljivke za opis prenosa energije sevanjem: valovna dolžina - λ (m) frekvenca - ν (s -1 oz. Hz) c = λ ν c - svetlobna hitrost ( m/s) P = 1 A ΔE Δt P A = ΔE Δt gostota energijskega toka sevanja (v enotah J/sm 2 = W/m 2 ) energijski tok (v enotah W = J/s )

4 Osnovni fizikalni zakoni, ki se uporabljajo za opis sevanja 1) Planckov zakon: porazdelitev gostote energijskega toka v spektru valovnih dolžin P λ 2hc ( T) dλ = / 2 d [ ] λ 5 ch kλt e 1 λ Intenziteta monokrom. sevanja (energija po enoti površine v enoti časa po enoti kota) c - svetlobna hitrost ( m/s) h - Planckova konstanta (6, Js) k - Boltzmannova konstanta (1, J/K)

5 Osnovni fizikalni zakoni, ki se uporabljajo za opis sevanja 2) Wienov zakon: spekter sevanja črnega telesa ima maksimum pri valovni dolžini λ T = c max W c W - Wien-ova konstanta (c W =2898 Kµm) λ max - valovna dolžina pri kateri telo seva največ (m) T - temperatura telesa (K) Torej, toplejša telesa sevajo več pri manjših valovnih dolžinah, kot hladnejša.

6 Osnovni fizikalni zakoni, ki se uporabljajo za opis sevanja 3) Stefan-Boltzmannov zakon (črno telo s T višjo od absolutne ničle, oddaja energijo s sevanjem): 0 P( T) = P ( T) dλ ~ T λ P( T)cosθ dωda = σt Stefan-Boltzmannova konstanta σ σ= Wm -2 K Za sivo telo: P = ε σ T 4 ε emisivnost ali sposobnost oddajanja

7 Gostota energijskega toka na vrhu ozračja na povprečni oddaljenosti od Sonca Sonce seva pri ~5900 K, Vidna (λ med 0,4 in 0,8 µm), UV (0,1-0,4 µm) in IR (0,8-4 µm) svetloba S o = Q =1365 Wm 2 2 4πr Q intenziteta sončnega sevanja (3, W) r povprečna razdalja Sonce-Zemlja ( m)

8

9 Sončno in terestrično sevanje λ max = 2898 T Kµm Sončno sevanje ima max v področju vidne svetlobe (~0.6 µm), terestično v infrardečem delu (~14 µm)

10 Gostota energijskega toka na vrhu ozračja na povprečni oddaljenosti od Sonca: S o =1365 Wm -2 Sonce seva pri ~6000 K, Na vrhu ozračja: ~46% energije je med 0.4 in 0.8 µm (vidno sevanje), ~46% energije je med 0.8 in 4 µm (IR, infrardece sevanje), ~7% energije je med 0.1 in 0.4 µm (UV, ultravijolicno sevanje).

11 Kaj se dogaja s S o na poti do tal? Vhodno sončno sevanje se delno - absorbira (upija) - sipa - odbija (reflektira) - prepušča (transmisivnost) Sposobnost absorpcije: Koeficient absorptivnosti Sposobnost oddajanja: Koeficient emisivnosti ε P = εσt 4 Odbita energija Upadla energija = α koeficient refleksivnosti (odboja), ALBEDO

12 Albedo

13 Albedo pri tleh Albedo is majhen za površino oceanov, (2-10)%, Večji za kopno, posebej za puščave, (35-45)%, Največji pa za območja ledu in pod snegom (80% in večji)

14 Albedo za različne površine Največji albedo ima svež sneg in vrhovi globokih konvektivnih oblakov

15 Emisijska temperatura Zemlje

16 Energijska bilanca Zemlje P = P SW + P Povprečni energijski tok (ang. LW energy flux) P SW ( ) 1 α P = PSW PSW = SW α povprečni albedo P LW = P LW PLW Vse skupaj: P ( ) 4 1 α P εσt + P = SW Z LW SW: kratkovalovno LW: dolgovalovno

17 Energijska bilanca Zemlje: vrh ozračja (1) P TA ( ) 1 α P ds P ds 0 = SW top top LW Energijska bilanca na vrhu ozračja (TOA=top of the atmosphere) α povprečni albedo α (zemlja+ozračje) ~ 0.3 π R Z 2 4π R Z 2 1 α ( )S o 240 Wm -2 Za Zemljo kot črno telo, ravnovesna temperatura za (1): σt e 4 = 240 Wm -2 Te = 255 K Za emisivnost ε=1

18 Bilanca energije na vrhu ozračja Letno povprečje Vhodno sončno sevanje 340 W/m 2 Absorbirano sončno sevanje 240 W/m 2 Planetary albedo 0.30 Oddano sevanje Zemlje 240 W/m 2 Emisijska temperatura Zemlje 255 K

19 Bilanca energije na vrhu ozračja Sončno sevanje Albedo Sevanje Zemlje Bilanca Vir: Barkstrom et al., 1989

20 Profil ravnovesne temperature Za vsaj sloj mora veljati bilanca energije = 0

21 Kaj se zgodi s S o na poti do tal?

22 Ocena energijske bilance Zemljina klimatskega sistema (v W/m 2 ) Značilna nezanesljivost ocene bilance ozračja in tleh zaradi nezadostnega števila opazovanj

23 Ocena energijske bilance Zemljina klimatskega sistema (v %)

24 Energijska bilanca pri tleh P T s T e ( ) 4 1 A P εσt + P = SW e LW = T e ΔT ΔT = 33 K K emisivnost ε=1 P Tok zaznavne toplote P SH P LH Tok latentne toplote P G P M Toplotni tok v globlje sloje = 0 Energija, porabljena za taljenje snega, leda ali zmrzovanje vode

25 Bilanca energije na površini Zemlje Povprečne vrednosti Absorbirano sončno sevanje (SW) 176 W/m 2 Dolgovalovno sevanje proti tlom (LW ) 312 W/m 2 Dolgovalovno sevanje navzven (LW ) -385 W/m 2 Totalno dolgovalovno sevanje (LW) -73 W/m 2 Bilanca sevanja na površini (SW+LW) 103 W/m 2 Latentna toplota (LH) -79 W/m 2 Zaznavna toplota (SH) -24 W/m 2 Poznamo jo le približno (napaka znaša kakšnih 20%)

26 Porazdelitev Soncnega sevanja pri tleh

27 Lokalna bilanca energije Bilanca = +SW (sončno vhodno) SW (odbito) +LW (IR, prejeto) LW (IR, oddano)

28 Prenos energije v klimatskem sistemu Totalna energija sistema je ohranjena sevanje, kondukcija, konvekcija

29 Vloga tokov v ozračju in oceanih: transport Skupni transport energije skozi atmosfero in oceane proti poloma Petawatt=10 15 W

30 Bilanca energije in globalni tokovi

31 Vloga spodnjih robnih pogojev: T površine Temperatura površine morja januarja Temperatura površine morja julija

32 Vloga spodnjih robnih pogojev: vlaga Odvisnost e s od temperature Globalna porazdelitev e s Okoli 70% površine zemlje je mokro

33 Vloga spodnjih robnih pogojev: ostali faktorji Nadmorska višina (orografija) Toplotna kapaciteta Hrapavost podlage Vegetacija Morski led Kopenski led

34 Povratni vplivi v klimatskem sistemu

35 Meddelovanje med oblaki in sevanjem