4 Θερμοκρασία
4.1 Εισαγωγή Η θερμοκρασία αποτελεί ένα μέτρο της θερμικής κατάστασης ενός σώματος, δηλ. η θερμοκρασία εκφράζει το πόσο ψυχρό ή θερμό είναι το σώμα. Η θερμοκρασία του αέρα μετράται διεθνώς υπό σκιά σε ύψος 1.5 m με τα υδραργυρικά θερμόμετρα. Μετεωρολογικός κλωβός
4.1 Εισαγωγή Η θερμοκρασία αποτελεί ένα μέτρο της θερμικής κατάστασης ενός σώματος, δηλ. η θερμοκρασία εκφράζει το πόσο ψυχρό ή θερμό είναι το σώμα. Η θερμοκρασία του αέρα μετράται διεθνώς υπό σκιά σε ύψος 1.5 m με τα υδραργυρικά θερμόμετρα. Μετεωρολογικός κλωβός
Θερμομετρικές κλίμακες: η εκατοντάβαθμη κλίμακα του Celsius (σε o C), η κλίμακα του Fahrenheit (σε o F) και η απόλυτη κλίμακα του Kelvin (σε K). Κ = 273 + C C = (F 32)/1.8
4.2 Θέρμανση της ατμόσφαιρας Κύρια πηγή ενέργειας της γης αποτελεί ο ήλιος. Ρυθμίζει: τη θερμοκρασία του εδάφους άμεσα και τη θερμοκρασία της ατμόσφαιρας - άμεσα με τη μικρή απορρόφηση από την ατμόσφαιρα και - έμμεσα με τη γήινη ακτινοβολία, ροή λανθάνουσας και αισθητής θερμότητας Η θερμοκρασία της ατμόσφαιρας καθορίζεται κυρίως από τη θερμοκρασία του εδάφους.
Η τροπόσφαιρα δέχεται 19 + 6 + 23 +102 = 150 μονάδες ήλιος 12% έδαφος 88%
Η μεταφορά θερμότητας από την επιφάνεια του εδάφους προς την τροπόσφαιρα γίνεται με: α) την υπέρυθρη ακτινοβολία β) τη μοριακή αγωγιμότητα γ) τις αναταρακτικές κινήσεις
4.2.1 Μεταφορά θερμότητας με την υπέρυθρη ακτινοβολία F u2 F N2 z 2 P 2 F d2 Δz F u1 Δp F N1 z 1 P 1 F d1 Αποδεικνύεται ότι ο ρυθμός θέρμανσης του στρώματος: ΔΤ Δt = a F Δp N (ΔF N = F N2 F N1 )
F N2 z 2 P 2 Δz Δp F N1 z 1 P 1 Σύγκλιση καθαρής ροής: F N2 -F N1 < 0 ΔF N < 0 ΔΡ < 0 F ΔΤ N > 0 Δp Δt > 0 θέρμανση (ημέρα)
F N2 z 2 P 2 Δz Δp F N1 z 1 P 1 Απόκλιση καθαρής ροής: F N2 -F N1 > 0 ΔF N > 0 ΔΡ < 0 F ΔΤ N < 0 Δp Δt < 0 ψύξη (νύχτα)
Ο ρυθμός θέρμανσης ή ψύξης ΔΤ/Δt του ατμοσφαιρικού στρώματος αέρα εξαρτάται από την κατακόρυφη μεταβολή: α) της θερμοκρασίας και β) της υγρασίας και κυμαίνεται από 1 έως 3 ο C/ημέρα.
4.2.2 Μεταφορά θερμότητας με μοριακή αγωγιμότητα z Τ μεταφορά θερμότητας Ισχύει για το ρυθμό μεταφοράς θερμότητας: dq dt T = λ z λ ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας
dq dt T = λ z λ 10-5 πολύ μικρός θα πρέπει η θερμοβαθμίδα Τ/ z να είναι πολύ μεγάλη Μόνο κοντά στην επιφάνεια του εδάφους (< 1 m) όπου η θερμοβαθμίδα Τ/ z 1.8 ο C / 10cm
4.2.3 Μεταφορά θερμότητας με αναταρακτικές κινήσεις Εξαναγκασμένη μεταφορά μάζας (θερμότητα, υδρατμοί. ορμή) 1500 m Στρώμα τριβής
Ελεύθερη μεταφορά μάζας λόγω ισχυρής θέρμανσης του εδάφους
4.3 Μεταβολή της θερμοκρασίας αέρα με το ύψος Η θερμοκρασία του αέρα μέσα στην ατμόσφαιρα και ελαττώνεται και αυξάνει καθ ύψος. Ο ρυθμός μεταβολής της θερμοκρασίας του αέρα με το ύψος μέσα στην ατμόσφαιρα εκτιμάται με την παράμετρο της «κατακόρυφης θερμοβαθμίδας» (vertical lapse rate) (γ) Αυτή ορίζεται ως η μεταβολή της θερμοκρασίας (Τ) του αέρα ανά μονάδα ύψους (z) δηλ. γ = Τ z
Για την τροπόσφαιρα ισχύει: γ = Τ z = o 0.65 C 100 m ή γ = o 6.5 C 1km Ο μέσος αυτός ρυθμός ψύξης της τροπόσφαιρας με το ύψος καλείται κανονική θερμοβαθμίδα του περιβάλλοντος (normal lapse rate). Στα παραεδάφια στρώματα της ατμόσφαιρας (πάχος λίγων cm): γ o 1.8 C = 10 cm
Με ολοκλήρωση: γ Τ z T T o dt = γ z z o dz = T = T o γ (z - z o ) T z T o z o
Η πραγματική θερμοβαθμίδα περιβάλλοντος δείχνει τη μεταβολή της θερμοκρασίας του αέρα με το ύψος σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή και περιοχή και μετράται με τις ραδιοβολίσεις. Μεταβολή της θερμοκρασίας αέρα (Τ) και της θερμοκρασίας δρόσου του αέρα (Τ d ) με το ύψος
Η πραγματική θερμοβαθμίδα περιβάλλοντος δείχνει τη μεταβολή της θερμοκρασίας του αέρα με το ύψος σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή και περιοχή και μετράται με τις ραδιοβολίσεις. Ραδιοβόλιση Ραδιοβολίδα
Yπάρχουν περιοχές στην τροπόσφαιρα όπου η θερμοκρασία αυξάνεται με το ύψος σε μια χρονική στιγμή. Το φαινόμενο αυτό καλείται θερμοκρασιακή αναστροφή (temperature inversion). Μέγεθος της αναστροφής: ΔΤ/d d (βάθος) ΔΤ
Μέσα στα στρώματα αναστροφής υπάρχει απόλυτη ευστάθεια και εμποδίζονται οι ανοδικές κινήσεις στην ατμόσφαιρα. Διακρίνονται σε: z αναστροφή επιφάνειας αναστροφή ύψους Τ
4.4 Γεωγραφική κατανομή της θερμοκρασίας του αέρα Εξαρτάται από: α) Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας που δέχεται η γήινη επιφάνεια. Χωρικά εξαρτάται από το γεωγραφικό πλάτος λόγω: διαφορετικής γωνίας πρόσπτωσης εξασθένησής της από την ατμόσφαιρα
Μέση ετήσια ηλιακή ακτινοβολία στην επιφάνεια
Μέση ετήσια ηλιακή ακτινοβολία στην επιφάνεια
Μέση ετήσια θερμοκρασία του άερα
Μέση ετήσια θερμοκρασία
β) Η διανομή ξηράς και θάλασσας. Η επιφάνεια της γης αποτελείται από επιφάνειες με διαφορετική απορροφητικότητα και ανακλαστικότητα στην ηλιακή ακτινοβολία αλλά και διαφορετική θερμοχωρητικότητα. Γενικά, η θάλασσα θερμαίνεται και ψύχεται πιο αργά και σε μικρότερο βαθμό από ότι η ξηρά Οι θερμοκρασίες του αέρα εμφανίζουν μεγάλες ημερήσιες και εποχιακές αντιθέσεις πάνω από τη ξηρά και μικρές πάνω από τις θαλάσσιες επιφάνειες. Γιατί;
Θέρμανση της ξηράς και των θαλασσών α) Το νερό έχει μεγαλύτερη (πενταπλάσια) θερμοχωρητικότητα από τη ξηρά
Θέρμανση της ξηράς και των θαλασσών Η θερμοχωρητικότητα C (heat capacity) εκφράζει την ενέργεια που χρειάζεται για να θερμανθεί ή να ψυχθεί ένα σώμα και εκφράζει την ικανότητα του να αποθηκεύει θερμότητα κατά την θέρμανση του. Ορίζεται ως η ποσότητα της θερμότητας ΔQ που παράγεται ή απορροφάται από κάποιο σώμα όταν η θερμοκρασία του μεταβληθεί κατά δτ: C = ΔQ/δΤ (J/grad) ΔQ δτ
Θέρμανση της ξηράς και των θαλασσών H ειδική θερμοχωρητικότητα ή θερμότητα c (specific heat) είναι η ποσότητα θερμότητας ενός σώματος 1gr που απαιτείται για να ανυψωθεί η θερμοκρασία της μονάδας μάζας του κατά 1 ο C. c = ΔQ/mδΤ (J/gr grad) ΔQ m=1gr δτ=1 ο C
Θέρμανση της ξηράς και των θαλασσών β) Η ηλιακή ακτινοβολία διεισδύει στο νερό σε μεγαλύτερο βάθος
Θέρμανση της ξηράς και των θαλασσών γ) Το νερό είναι ρευστό με αποτέλεσμα να εμφανίζονται αναταρακτικές κινήσεις και τα θαλάσσια ρεύματα δ) Η εξάτμιση του νερού ελαττώνει το βαθμό θέρμανσής του από τον ήλιο
Θέρμανση της ξηράς και των θαλασσών γ) Το νερό είναι ρευστό με αποτέλεσμα να εμφανίζονται αναταρακτικές κινήσεις και τα θαλάσσια ρεύματα δ) Η εξάτμιση του νερού ελαττώνει το βαθμό θέρμανσής του από τον ήλιο Τη θερινή περίοδο η ξηρά είναι θερμότερη από τη θάλασσα. Οι μεγαλύτερες θερμοκρασίες του αέρα εμφανίζονται στα εσωτερικά των ηπείρων (Σαχάρα, Ινδία, Ν. Αφρική, Αυστραλία)
Μέση θερμοκρασία Ιανουαρίου
Ψύξη της ξηράς και των θαλασσών Το λεπτό επιφανειακό στρώμα ξηράς χάνει θερμότητα λόγω ακτινοβολίας αρκετά γρήγορα Το χειμώνα η ξηρά είναι ψυχρότερη από την θάλασσα. Οι μικρότερες θερμοκρασίες παρατηρούνται στο εσωτερικό των ηπειρωτικών περιοχών των μεγάλων πλατών.
Μέση θερμοκρασία Ιουλίου
γ) Θαλάσσια ρεύματα
δ) Το είδος κάλυψης και το ανάγλυφο του εδάφους Το είδος κάλυψης του εδάφους (πχ. διάφορα είδη βλάστησης, γυμνό έδαφος, κ.α) και η διαμόρφωση του εδάφους (βουνά, κοιλάδες κ.α.) επηρεάζει σημαντικά την διανομή της θερμοκρασίας σε μια περιοχή.
Μέση θερμοκρασία Ιανουαρίου
Μέση θερμοκρασία Ιουλίου
Μέση θερμοκρασία Ιανουαρίου
Μέση θερμοκρασία Ιουλίου
Ενδοετήσια μεταβολή της θερμοκρασίας
4.6 Το φαινόμενο του θερμοκηπίου Εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία Ανακλώμενη γήινη ακτινοβολία Εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία μεγάλου μήκους κύματος ακτινοβολία Γυαλί Τ α μεγάλου μήκους κύματος ακτινοβολία γήινη ακτινοβολία Έδαφος Τ γ Έδαφος Τ γ
Στην ατμόσφαιρα: οι υδρατμοί (H 2 O) και το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) και κατά δεύτερο λόγο το μεθάνιο (CH 4 ) και το υποξείδιο του αζώτου (Ν 2 Ο) (αέρια θερμοκηπίου)
Φυσικό ατμοσφαιρικό φαινόμενο ή φαινόμενο του θερμοκηπίου: η ατμόσφαιρα επιτρέπει τη διέλευση της ηλιακής ακτινοβολίας ενώ παγιδεύει την ακτινοβολία μεγάλου μήκους κύματος της γης, την απορροφά, θερμαίνεται και την επανεκπέμπει υπό τη μορφή ατμοσφαιρικής ακτινοβολίας, με αποτέλεσμα η θερμοκρασία της επιφάνειας της γης να είναι 40 ο C μεγαλύτερη από ότι θα ήταν αν δεν υπήρχε η ατμόσφαιρα. Επαυξημένο ατμοσφαιρικό φαινόμενο: Το CO 2 εκλύεται από τη καύση οργανικών υλών για την παραγωγή ενέργειας, το CH 4 από βοσκότοπους και καλλιέργειες ρυζιού αλλά και καύση οργανικών υλών, το Ν 2 Ο από τα λιπάσματα και τα καυσαέρια των αυτοκινήτων.
4.7 Κλιματικές αλλαγές 4.7.1 Παρατηρούμενες κλιματικές αλλαγές
0.8 ο C Η μέση θερμοκρασία του πλανήτη από το 1850 μέχρι σήμερα αυξήθηκε περίπου 0.8 o C Η δεκαετία του 2001-2010 ήταν η πιο θερμή δεκαετία της περιόδου αλλά και της χιλιετίας, κατά 0.44 C από τη μέση τιμή Η δεκαετία 1991 2000 ήταν η 2 η πιο θερμή (κατά 0.22 ο C)
15 από τα τελευταία 16 έτη (1995 2010) είναι τα πιο θερμά της περιόδου (εξαίρεση το 1996) Το 1998 ήταν το πιο θερμό έτος της περιόδου αλλά και της χιλιετίας
1.8 ο 4.0 ο C Η μέση εκτίμηση των κλιματικών μοντέλων δίνει αύξηση 1.8 ο 4.0 ο C μέχρι το 2100. Ακόμη και με μηδενικές εκπομπές εκτιμάται αύξηση 0.6 ο C