Μερικές συμπληρωματικές σημειώσεις στη ΦΥΣΙΚΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Ενεργειακό ισοζύγιο της Γης Εισερχόμενη και εξερχόμενη Ακτινοβολία Εισερχόμενη Ηλιακή Ακτινοβολία Εξερχόμενη Γήινη ακτινοβολία Ορατή ακτινοβολία Ηλιακή ακτινοβολία ->μικρό μήκος κύματος Γήινη Ακτινοβολία -> μεγάλο μήκος κύματος (υπέρυθρο) 1
Η Θερμοκρασία της Γης χωρίς ατμόσφαιρα Η εισερχόμενη ροή ενέργειας λόγω ακτινοβολίας από τον Ήλιο είναι περίπου 1367 Wm-2 Η εκπεμπόμενη ενέργεια εξαρτάται από τη θερμοκρασία: E = σt4 όπου E = ροή ενέργειας λόγω ακτινοβολίας (Wm-2) T = απόλυτη θερμοκρασία(k = 0 C+273.15) σ = σταθερά των Stefan-Boltzmann (5.67x10-8 Wm-2K-4) Γη χωρίς ατμόσφαιρα - τροπικοί - μεσημέρι Στους τροπικούς η θερμοκρασία σε θερμικό ισοζύγιο θα ήταν: σtτροπ 4 = 1367 Wm-2 που δίνει Tτροπ = 394 K (121 0 C) Γη χωρίς ατμόσφαιρα - Παγκόσμια μέση τιμή Η μέση τιμή (αθροίζοντας όλα τα γεωγραφικά πλάτη) της ηλιακής εισερχόμενης ροής ενέργειας είναι 1/4 1368 W m-2, άρα σtγης 4 = 342 Wm-2 Επομένως, TΓης = 278.6 K (5.5 0 C) (η πραγματική μέση τιμή είναι περίπου15 0 C.) 5.5 0 C θα ήταν η θερμοκρασία μιας τέλεια απορροφητικής μαύρης πέτρας στο διάστημα (χωρίς ατμόσφαιρα) Γη χωρίς ατμόσφαιρα τροπικοί μέση ημερήσια τιμή Η μέση ημερήσια τιμή (αθροίζοντας την ροή ενέργειας ημέρας και νύχτας) είναι 435 W m-2. Άρα σtτροπ 4 = 435 Wm-2 Επομένως, Tτροπ = 296 K (23 0 C) ( η τιμή είναι κοντά στην πραγματικότητα) όμως η Γη δεν απορροφά τέλεια! Γήινη ανακλαστικότητα (Albedo) μέρος της εισερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας ανακλάται στο διάστημα (μέση ανακλαστικότητα=0.3) 2
Γη χωρίς ατμόσφαιρα - τροπικοί μέση ημερήσια τιμή με Albedo Εφόσον ανακλάται το 30% κατά μέσον όρο: σtτροπ 4 = 0.7 435 Wm- 2Επομένως, Tτροπ = 271 K (-2 0 C) Η χρήση πραγματικού albedo μειώνει εξωπραγματικά την τροπική θερμοκρασία! Γη χωρίς ατμόσφαιρα μέσα γεωγραφικά πλάτη μέση ημερήσια τιμή με Albedo Η ροή ηλιακής ακτινοβολίας στις 50 0 Β είναι cosine(50 0 ) της τιμής στον ισημερινό σtmidlat 4 = 0.7 435 cos(50) Wm-2 Επομένως, Tmidlat = 242 K (-31 0 C) Το ατμοσφαιρικό πρότυπο της Γης χωρίς ατμόσφαιρα στα μέσα πλάτη δίνει τελείως εξωπραγματική θερμοκρασία Στις 85 0 Β η ροή ακτινοβολίας είναι 11.4 W m-2, και η αντίστοιχη θερμοκρασία -155 0 C! 3
Πλανητική Εκπομπή Η εκπεμπόμενη ακτινοβολία σύμφωνα με το E = σt4 είναι η μέγιστη δυνατή (τέλειος εκπομπός) Ο λόγος της πραγματικά εκπεμπόμενης προς την μέγιστη είναι η ικανότητα ακτινοβολίας (emissivity, e) E = eσt4 4
Απορρόφηση από θερμοκηπικά αέρια 5
Γη με ατμόσφαιρα -Τροπικοί μέση ημερήσια τιμή με Albedo μέση τιμή emissivity =0.61: 0.61σTtropic 4 = 0.7 435Wm-2Επομένως, Tτροπ = 306 K (33 0 C) (κοντά στην πραγματική τιμή ~ 25C) Γη με ατμόσφαιρα - μέσα πλάτη μέση ημερήσια τιμή με Albedo0.61σTmidlat 4 = 0.7 435 cos(50) Wm-2Επομένως, Tmidlat = 274 K (1 0C) (η πραγματική τιμή είναι περίπου 15 0 C) Γη με ατμόσφαιρα πολικές περιοχές μέση ημερήσια τιμή με Albedo 0.61σTπολοι 4 = 0.7 435 cos(85) Wm-2Επομένως, Tπολοι = 135 K (-138 0 C) ( πολύ μακριά από την πραγματική τιμή ~-25 0 C) 6
Οι Μεταβολές της Θερμοκρασίας με το γεωγραφικό πλάτος (σύμφωνα με τα παραπάνω) Η Γη χωρίς ατμόσφαιρα είναι πολύ κρύα Η Γη με ατμόσφαιρα (άρα και με φαινόμενο του Θερμοκηπίου) έχει τη σωστή μέση θερμοκρασία, αλλά λάθος γεωγραφική κατανομή --------- Γη χωρίς ατμόσφαιρα - - - - - - Γη με ατμόσφαιρα χωρίς ροή ενέργειας -- -- -- -- Πραγματικές μετρούμενες τιμές Η Κατανομή της θερμοκρασίας με το γεωγραφικό πλάτος (σύμφωνα με τα παραπάνω) 7
Ηλιακή και γήινη ακτινοβολία σαν συνάρτηση του γεωγραφικού πλάτους Μεταφορά Ενέργειας προς τους πόλους ολική ροή ενέργειας ροή αισθητής θερμότητας(ατμόσφαιρα) ροή λανθάνουσας θερμότητας (ατμόσφαιρα) ωκεάνεια ρεύματα 8
Λανθάνουσα Θερμότητα Ωκεάνια ρεύματα 9
Η Γενική Κυκλοφορία της Ατμόσφαιρας Οι πηγές ενέργειας της ατμοσφαιρικής κυκλοφορίας: Ηλιακή ακτινοβολία Λανθάνουσα θερμότητα Θερμική ακτινοβολία (εκπομπή της Γης και της ατμόσφαιρας στο υπέρυθρο) 10
Το ενεργειακό ισοζύγιο ακτινοβολίας της Γης 11
Ανθρώπινες δραστηριότητες και ισοζύγιο ακτινοβολίας Radiative forcing και Δυναμικό Παγκόσμιας θέρμανσης Ατμοσφαιρικά συστατικά ενεργά ως προς την ροή ακτινοβολίας είναι: Τα θερμοκηπικά αέρια, (περιλαμβάνονται οι χλωροφθοράνθρακες - τα αέρια που καταστρέφουν) το όζον Το όζον (στρατοσφαιρικό και τροποσφαιρικό) Οι υδρατμοί Τα ατμοσφαιρικά αιωρήματα (τροποσφαιρικά και στρατοσφαιρικά) Προσέξτε στο σχήμα την σημασία της απορρόφησης στο ατμοσφαιρικό παράθυρο- τα θερμοκηπικά αέρια απορροφούν ισχυρά (και φυσικά επανεκπέμπουν) 12
Τι προκαλεί τις κλιματικές μεταβολές; Θερμοκηπικά αέρια δηλ. διοξείδιο του άνθρακα, μεθάνιο, CFC : μεγαλύτερη συγκέντρωση σημαίνει θέρμανση Όζον μείωση στη στρατόσφαιρα σημαίνει ψύξη στην τροπόσφαιρα η ρύπανση σημαίνει θέρμανση Αιωρούμενα σωματίδια ( aerosols ) ανακλούν ή απορροφούν το ηλιακό φώς ανάλογα με τις ιδιότητες τους προκαλούν θέρμανση ή ψύξη πιθανότερη η ψύξη Αιωρούμενα σωματίδια μεταβάλλουν τις ιδιότητες των νεφών, αυξάνοντας την ανακλαστικότητα.. ψύξη... πιθανότατα σημαντική Αλλαγές στη χρήση γης (πχ δάσος -> αγρός) ψύξη Φυσικές μεταβολές ηλιακή δραστηριότητα, ηφαιστειακή δραστηριότητα είτε ψύξη είτε θέρμανση Φυσική μεταβλητότητα ( χάος ) είτε ψύξη είτε θέρμανση Τι είναι το radiative forcing? Προσέξτε τον εξαναγκασμό του συστήματος Γη-Ατμόσφαιρα: Αναγκάζεται να αυξήσει τη θερμοκρασία του ώστε να έχουμε ισορροπία εισερχόμενης εξερχόμενης ακτινοβολίας 13
Ηλιακή δραστηριότητα Οι ηλιακές κηλίδες μας δείχνουν και την μακροχρόνια μεταβολή, και τον 11-ετή ηλιακό κύκλο 3 κατηγορίες μεταβολών της ηλιακής δραστηριότητας Μεταβολές φασματικής ροής ακτινοβολίας (υπεριώδες) Μεταβολές ολικής ροής ακτινοβολίας ( ηλιακή σταθερά ) Μεταβολές στη ροή φορτισμένων σωματιδίων και ηλιακού ανέμου, άρα μεταβολές και στη ροή κοσμικής ακτινοβολίας Οι επιδράσεις της ηλιακής δραστηριότητας στο κλίμα είναι άμεσες Η μεταβολή της ηλιακής σταθεράς, άρα μεταβολή στην ενέργεια που δέχεται το κλιματικό σύστημα, και έμμεσες (η μεταβολή δεν είναι ίδια σε όλα τα μήκη κύματος) Έχουμε μεταβολή στο υπεριώδες, άρα μεταβολή στο όζον, με συνακόλουθες μεταβολές στη θερμοκρασία της στρατόσφαιρας και της τροπόσφαιρας, μεταβολή στους ανέμους και στη γενική κυκλοφορία Έχουμε μεταβολή στα ιονισμένα σωματίδια που φθάνουν στη Γη μεταβάλλει την συγκέντρωση NOx στην ανώτερη ατμόσφαιρα Η μεταβολή στην ηλιακή δραστηριότητα και στο μαγνητικό πεδίο του ήλιου εμποδίζουν την γαλακτική κοσμική ακτινοβολία να φθάσει στη Γη Οι επιδράσεις της ηλιακής δραστηριότητας αυξάνονται επίσης μέσω μηχανισμών οι οποίοι μεγεθύνουν τα αποτελέσματα. 14
Ο ρόλος των νεφών Προσέξτε τη διαφορά στη διάδοση ακτινοβολίας δια μέσου των νεφών που βρίσκονται σε μεγάλα (πχ cirrus) και μικρά (πχ cumulus) ύψη, ανάλογα με το μήκος κύματος της ακτινοβολίας 15