2. ΓΗΙΝΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ
ΣΥΝΙΣΤΩΣΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΥ ΙΣΟΖΥΓΙΟΥ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΤΗΣ ΓΗΣ ΓΗΙΝΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ
ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΕΚΠΟΜΠΗ ΓΗΙΝΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Τ=5800Κ (θερμοκρασία Ήλιου) εκπέμπεται από τη Γη και την ατμόσφαιρά της πρόσπτωση ηλιακής ακτινοβολίας ηλιακή ακτινοβολία μικρών μηκών κύματος εκπομπή γήινης ακτινοβολίας γήινη ακτινοβολία (υπέρυθρη) μεγάλων μηκών κύματος Τ 288Κ (μέση θερμοκρασία ( 15 C) επιφάνειαςτηςγης) ήτ 255Κ (μέση θερμοκρασία ( -18 C) Γης+ατμόσφαιρας) ακτινοβολία που φθάνει στο έδαφος της Γης ακτινοβολία που φεύγει από τον Ήλιο ηλιακή ακτινοβολία που φθάνει στο όριο της γήινης ατμόσφαιρας γήινη ακτινοβολία που διαφεύγει στο όριο της γήινης ατμόσφαιρας (στο διάστημα) μέγιστη εκπομπή ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΣ ΗΛΙΑΚΗΣ-ΓΗΙΝΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ διαφορά τάξεων μεγέθους διαφορετικά μήκη κύματος ΗΛΙΑΚΗ ΓΗΙΝΗ μέση θερμοκρασία Ηλίου μέση θερμοκρασία συστήματος Γης-ατμόσφαιρας ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΓΗΙΝΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ
1ος ΝΟΜΟΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ - PLANCK E λ * = εκπεμπόμενη ακτινοβολία από από σώμα σώμα θερμοκρασίας Τ (>0Κ)( (>0Κ) 2hc c 2 1 c 1 = 3.74.10 8 W μm 4 m -2 λ 5 (e c2/λτ -1) c 2 = 1.44.10 4 μm K hc/k (T > 0 K) καθορίζειτο φλασματης εκπεμπόμενης ακτινοβολίας από μέλαν σώμα συναρτήσει της θερμοκρασίας του και του μήκους κύματος θερμότερο σώμα h=6.6261x10-34 J.s K=1.37x10-23 J/grad Εξίσωση Planck λ max μήκοςκύματος μέγιστης εκπομπής Μοναδικό μέγιστο λ max Εξάρτηση από Τ ψυχρότερο σώμα Τ Ε λ αύξηση Ε λ αύξηση θερμοκρασίας λ max ελάττωση λ max
1ος ΝΟΜΟΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ - PLANCK Όσο η θερμκορασία του σώματος αυξάνεται, τόσο το μήκος κύματος μέγιστης εκπομπής (δηλ. το μέγιστο της εκπεμπόμενης ακτινοβοίας) ) μετατοπίζεται προς τα αριστερά (μικρότερα μήκη κύματος)
1ος ΝΟΜΟΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ - PLANCK εκπεμπόμενη ακτινοβολία από από μέλαν μέλαν σώμα σώμα θερμοκρασίας Τ 2hc c 2 1 c 1 = 3.74.10 8 W μm 4 m -2 E λ * = λ 5 (e c2/λτ -1) c 2 = 1.44.10 4 μm K hc/k (T > 0 K) h=6.6261x10-34 J.s K=1.37x10-23 J/grad Εξίσωση Planck ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΣΤΗΝ ΕΚΠΕΜΠΟΜΕΝΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΑΠΌ ΗΛΙΟ-ΓΗ διαφοράεντάσεων διαφοράλ max ΛΟΓΩ ΔΙΑΦΟΡΑΣ Τ
2ος ΝΟΜΟΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ - WEN μήκος μήκοςκύματος κύματος μέγιστης εκπεμπόμενης ακτινοβολίας από από σώμα σώμα θερμοκρασίας ς Τ ΗΛΙΟΣ: : 0.5 μm (για 6000K) λ max = 2897 T (μm) ΓΗ: 10 μm (για 288K) θερμοκρασία φωτεινότητας ή λαμπρότητας (σε ΚelvinΚ elvin) λαμβάνεται με διαφόρισηδ της Εξίσωσης Planck (de λ /dλ=0) ΦΑΣΜΑ ΕΚΠΕΜΠΟΜΕΝΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΑΠΟ ΤΗ ΓΗ ατμοσφαιρικό παράθυρο απορροφητές θεωρητικές καμπύλες εκπομπής μέλανος σώματος μετρηθέν φάσμα ηακτινοβολία καθώς διαφεύγει στο διάστημα, απορροφάται και επανεκπέμπεται από διάφορα συστατικά της ατμόσφαιρας της Γης (απορροφητές)
2ος ΝΟΜΟΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ - WEN ΜΕΤΡΗΘΕΝ ΦΑΣΜΑ ΕΚΠΕΜΠΟΜΕΝΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΑΠΟ ΤΗ ΓΗ καιφασματικές περιοχές απορρόφησης διαφόρων αερίων της ατμόσφαιρας 9.6μm 15μm 4.3μm Terrestrial spectrum measured by ARES over North Sea in June 1997
3ος ΝΟΜΟΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ - Stefan-Boltzmann συνολική εκπεμπόμενη ακτινοβολία από από μέλαν μέλαν σώμα σώμα θερμοκρασίας Τ (ολοφασματική) E* = σt 4 σ = 5.67 10-8 W m -2 Κ -4 σταθερά Stefan-Boltzmann E λ * = λαμβάνεται με ολοκλήρωση της Εξίσωσης Planck c 1 λ 5 (e c2/λτ b-1) θερμοκρασία λαμπρότητας ή φωτεινότητας (brightness temperature) είναι η θερμοκρασία που θα έπρεπε να έχει ένα μέλαν σώμα σε θερμική ισορροπία με το περιβάλλον του, ώστε να εκπέμπει ακτινοβολία με την ίδια ένταση με το πραγματικό (φαιό) σώμα, σε ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος Ή: η φαινομενική θερμοκρασία σώματος με ικανότητα εκπομπής ίση με 1 μηδενική απορρόφηση Τ b στα 12.05 μm στις 01 Αυγούστου 2006 ατμοσφαιρικό παράθυρο άρα,, ακτινοβολία που δεν απορροφάται από τα ατμοσφ.. αέρια ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΗΜΕΤΡΗΣΗ ΣΑΧΑΡΑ ΠλανητικήΚατανομή θερμοκρασίας λαμπρότητας ΑΝΤΑΡΚΤΙΚΗ Εκπομπή από θερμά (ή «φωτεινά») σώματα/επιφάνειες Εκπομπή από ψυχρά (ή «σκοτεινά») σώματα/επιφάνειες
3ος ΝΟΜΟΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ - Stefan-Boltzmann στα 11μm, το μόνο που μπορεί να «σταματήσει» τη διαφεύγουσα υπέρυθρη ακτινοβολία είναι τα νέφη (νερό μη αέριας φάσης) 1. 1. 3. 2. 1. 2. 3. 2. 3. 1. Ηθερμοκρασία λαμπρότητας στα 11μm είναι μέτρο είτε της θερμοκρασίας της κορυφής των νεφών είτε, στην περίπτωση ανέφελου ουρανού, της επιφάνειας της Γης (ξηράς, θάλασσας, χιονιού-πάγου) 1. 2. 3. είναι ελάχιστη στην Ανταρκτική-Αρκτική-Γροιλανδία (χαμηλές θερμοκρασίες) είναι ελάχιστη στην ενδοτροπική ζώνη σύγκλισης (περί τον Ισημερινό) λόγω παρουσίας υψηλών νεφών είναι μέγιστη στις υποτροπικές περιοχές, ιδιαίτερα τις ανέφελες
ε λ = ικανότηταεκπομπής (ή αφετικότητα)= ακτινοβολίας γκρι (φαιού) σώματος Ε λ Ε λ * εκπεμπόμενη ενέργεια πραγματικού (φαιού) σώματος εκπεμπόμενη ενέργεια μέλανος σώματος με ίδια θερμοκρασία με το πραγματικό σώμα ΜΕΛΑΝ ΣΩΜΑ: ε=1 4ος ΝΟΜΟΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ - Kirchoff σε θερμική ισορροπία, η ικανότητα εκπομπής ενός σώματος ή μιας επιφάνειας ισούται με την ικανότητα απορρόφησής του ικανότητα εκπομπής ε λ = α λ ικανότητα απορρόφησης ΝΟΜΟΣ PLANCK ΝΟΜΟΣ WEN ΝΟΜΟΣ Stefan-Boltzmann ΝΟΜΟΣ KRCHOFF τέλειος πομπός τέλειος απορροφητής ΜΕΛΑΝΣΩΜΑ (black body)! ιδεατό! ηεκπεμπόμενη ακτινοβολία καθορίζεται από τη θερμοκρασία Τ γιαδεδομένη Τ η εκπεμπόμενη ακτινοβολία είναι μέγιστη σε όλα τα μήκη κύματος ισότροπη εκπομπή ακτινοβολίας
ΦΑΣΜΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΑΠΟ ΤΗ ΓΗ ΚΑΙ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ ΑΠΟ ΤΗΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ ΤΗΣ 10μm ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΠΟΥ ΠΡΟΚΑΛΕΙ Η ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ Φασματικό εύρος: 4μm -100μm (πρακτικά όμως, μέχρι τα 50μm) μέγιστηεκπομπή (Νόμος Wien) περίπου στα 10μm φάσμα εκπεμπόμενης ακτινοβολίας από τη Γη (Νοέμβριος 1974) Νόμος Stefan-Boltzmann Ε = εσt 4 για φαιό (μη μέλαν) σώμα ικανότητα εκπομπής (< 1) ΗΓηδε συμπεριφέρεται ως τέλειο μέλαν σώμα, αλλά ως φαιό
ΙΚΑΝΟΤΗΤΑΕΚΠΟΜΠΗΣ ΔΙΑΦΟΡΩΝ ΤΥΠΩΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΩΝ ΣΤΗ ΓΗ Ηεπιφάνεια της Γης έχει γενικά τιμές ε>0.9 για διάφορους τύπους επιφάνειας της Γης Όμως, τα νέφηέχουνμέσητιμήε 0.5 γενικά Τελικά, οπλανήτης έχειμέσητιμήε 0.75 0.9-1 ΗΓη δεν εκπέμπει ως τέλειο μέλαν σώμα Παρατηρητήρια Mauna-Kea (Hawaii, 4200m) τα μεγαλύτερα αστρονομικά παρατηρητήρια παγκοσμίως, διότι εκεί η ατμόσφαιρα είναι ιδιαίτερα ξηρή και ανέφελη, καθώς και απαλλαγμένη από αιωρούμενα σωματίδια και άρα είναι ιδανική για παρατηρήσεις στο υπέρυθρο ΦΑΣΜΑ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ ΓΗΙΝΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Κύριοι απορροφητές γήινης ακτινοβολίας H 2 O: 5.3-7.7μm και >20μm Ατμοσφαιρικό Παράθυρο ( 8-9, 10-12 μm) (μικρή απορρόφηση) O 3 : 9.4-9.8μm απευθείας διαφυγή γήινης ακτινοβολίας στο διάστημα CO 2 : 13.1-16.9μm Νέφη: σε όλα τα μήκη κύματος μεγάλη διαπερατότητα (ασθενής απορρόφηση) νέφη μικρή διαπερατότητα (ισχυρή απορρόφηση) ΣΗΜΑΝΤΙΚΟΣ ΡΟΛΟΣ ΤΩΝ ΝΕΦΩΝ ΓΙΑ ΤΟ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΟ ΠΑΡΑΘΥΡΟ (η παρουσία τους το «κλείνει» και εμποδίζει τη διαφυγή της υπέρυθρης ακτινοβολίας στο διάστημα)
ΔΙΑΠΕΡΑΤΟΤΗΤΑ (ΔΙΑΦΑΝΕΙΑ) ΤΗΣ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ΣΤΗΝ ΗΛΙΑΚΗ ΚΑΙ ΚΑΙ ΤΗ ΤΗ ΓΗΙΝΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΗΛΙΑΚΗ ΓΗΙΝΗ διαπερατότητα σχετικάμεγάλη διαφάνεια (διαπερατότητα) της γήινης ατμόσφαιρας στην ηλιακή ακτινοβολία μικρήδιαφάνεια (διαπερατότητα) της ατμόσφαιρας στη γήινη ακτινοβολία ΓΕΝΙΚΑ
ΔΙΑΠΕΡΑΤΟΤΗΤΑ (ΔΙΑΦΑΝΕΙΑ) ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ΣΤΗΝ ΗΛΙΑΚΗ ΚΑΙ ΤΗ ΓΗΙΝΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ Διαδιδόμενη ακτινοβολία μέσω της γήινης ατμόσφαιρας σχετική διαφάνεια της ατμόσφαιρας στην ηλιακή ακτινοβολία σχετική αδιαφάνεια της ατμόσφαιρας στη γήινη ακτινοβολία μικρή σημαντική συνολική εξασθένιση φασματικές περιοχές με μέγιστη ένταση ακτινονοβολίας εξασθένιση εξασθένιση εξασθένιση οφειλόμενη σε κάθε παράμετρο της ατμόσφαιρας
ΔΙΑΠΕΡΑΤΟΤΗΤΑ (ΔΙΑΦΑΝΕΙΑ) ΤΗΣ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ΣΤΗΝ ΗΛΙΑΚΗ ΚΑΙ ΚΑΙ ΤΗ ΤΗ ΓΗΙΝΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ Αδιαφάνεια της γήινης ατμόσφαιρας στην ηλιακή και τη γήινη ακτινοβολία
ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΙΣΟΖΥΓΙΟ ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΓΗΣ-ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ μόνο ένα μικρό μέρος της εκπεμπόμενης υπέρυθρης ακτινοβολίας από το έδαφος διαφεύγει απευθείας στο διάστημα, το υπόλοιπο απορροφάται και επανεκπέμπεται!!! αδιαφάνειατης ατμόσφαιρας στην υπέρυθρη ακτινοβολία ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ αισθητή θερμότητα ΥΠΕΡΥΘΡΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ λανθάνουσα θερμότητα (National Aeronautic and Space Administration, NASA) ΠΡΟΣΟΧΗ!!! τα νούμερα είναι εκπεφρασμένα σε % της εισερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας στο όριο της ατμόσφαιρας ( 340W/m 2 ) και όχι σε απόλυτες μονάδες
ΑΔΙΑΦΑΝΕΙΑ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ΣΤΑ ΔΙΑΦΟΡΑ ΜΗΚΗ ΚΥΜΑΤΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ αδιαφάνεια της ατμόσφαιρας κλιματολογικά ενδιαφέρουσα φασματική περιοχή ορατό ατμοσφαιρικό φάσμα παράθυρο πλήρης αδιαφάνεια ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ πλήρης διαφάνεια ΥΠΕΡΥΘΡΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ
Διανομή της γήινης ακτινοβολίας στο σύστημα Γη-Ατμόσφαιρα εκπεμπόμενη στο διάστημα ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ εκπεμπόμενη από την ατμόσφαιρα απορροφώμενη από την ατμόσφαιρα υg(a) υa υg (s) + υa(s) υg (s) ΓΗΙΝΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ατμοσφαιρικό παράθυρο αέρια θερμοκηπίου αισθητή θερμότητα λανθάνουσα θερμότητα υg da επανερχόμενη ακτινοβολία εκπεμπόμενη ακτινοβολία από το έδάφος απορροφώμενη ακτινοβολία στο έδαφος
Διανομή της γήινης ακτινοβολίας στο σύστημα Γη-Ατμόσφαιρα
ΠΟΣΟ ΓΗΙΝΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΠΟΥ ΕΚΠΕΜΠΕΙ ΤΟ ΕΔΑΦΟΣ υ g = υg( a) + υg( s) ποσό της Ι υg που μένει στη γήινη ατμόσφαιρα ΠΟΣΟ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΠΟΥ ΕΚΠΕΜΠΕΙ Η ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ ποσό της Ι υg που διαφεύγει στο διάστημα υ a = da + ποσό της υα που καταλήγει στο έδαφος υa(s) ποσό της υα που διαφεύγει στο διάστημα ΕΝΕΡΓΟΣΕΞΕΡΧΟΜΕΝΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΑΠΌ ΤΟ ΕΔΑΦΟΣ ef, g = υ g da ενεργός = εξερχόμενη - απορροφώμενη ΕΝΕΡΓΟΣΕΞΕΡΧΟΜΕΝΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΑΠΌ ΤΗΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ ef =, a υa υg ( a) ενεργός = εξερχόμενη - απορροφώμενη
ΕΝΕΡΓΟΣ ΕΞΕΡΧΟΜΕΝΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΑΠΟ ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΓΗ - ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ απώλειαενέργειας από γήινη ακτινοβολία για τον πλανήτη μας (Γη+ατμόσφαιρα) SW SW + LW LW = Net Net (καθαρή( ακτινοβολία) 0 (-72+72)??? Πλανήτης (Γη) σε ενεργειακή ισορροπία ef, p = ef, g + ef, a = υ g( s) + υa( s) Πλανήτης επιφάνεια Γης (-) (-) (-) SW (ηλιακή) (x1.32 W/m 2 ) LW (γήινη) ατμόσφαιρα ΗΛΙΑΚΗ+ΓΗΙΝΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ενεργειακό Ατμόσφαιρα: -72 Kly/year (ΕΛΛΕΙΜΜΑ) Γη (έδαφος): +72 Kly/year (ΠΛΕΟΝΑΣΜΑ) (πλανήτης) Γη+Ατμόσφαιρα: 0 Kly/year Net = 45-117 = -72 Kly/year «καθαρή» ακτινοβολία του εδάφους: Net = 124-52 = 72 Kly/year καθαρή ακτινοβολία της ατμόσφαιρας
ΤΟ ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΗΛΙΑΚΗ οι αριθμοί είναι εκπεφρασμένοι σε % της εισερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας στην κορυφή της ατμόσφαιρας ενεργειακό πλεόνασμα 100 μονάδες ΥΠΕΡΥΘΡΗ ενεργειακό πλεόνασμα ατμόσφαιρα -30 (20-50) ενεργειακό έλλειμμα 342 W/m 2-50 ενεργειακό έλλειμμα έδαφος +30 (-20+50) ενεργειακό πλεόνασμα ενεργειακό έλειμμα -20 ΣΥΣΤΗΜΑΓΗ-ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ: 0
ΗΓΗ ΣΕ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ απορρόφηση Planetary albedo ( ) 2 2 4 α S π R = 4 π R σ T 1 o Γ Γ eff απορρόφηση ηλιακής ακτινοβολίας από Γη εκπομπή εκπομπή Γης ως μέλανος σώματος 0.29 Φυσικό Φαινόμενο Θερμοκηπίου Ηδιαφορά αυτή οφείλεται στην ατμόσφαιρα ενεργός θερμοκρασία Γης Τ eff : η θερμοκρασία που θα είχε η Γη χωρίς ατμόσφαιρα ενεργός θερμοκρασία της Γης είναι κατά 33 χαμηλότερη από την πραγματική μέση θερμοκρασία επιφάνειας (15 C)!!!
Η ΣΗΜΑΣΙΑ ΤΟΥ ΦΥΣΙΚΟΥ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΥ ΤΟΥ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ (Natural Greenhouse Effect) ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ εκπεμπόμενη στο διάστημα ΓΗΙΝΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ εκπεμπόμενη από την ατμόσφαιρα απορροφώμενη από την ατμόσφαιρα υg (a) υa υg (s) υa(s) + υg (s) ατμοσφαιρικό παράθυρο αέρια θερμοκηπίου da υg εκπεμπόμενη ακτινοβολία από το έδάφος επανερχόμενη ακτινοβολία απορροφώμενη ακτινοβολία στο έδαφος υπέρυθρη ακτινοβολία που διαφεύγει στην πραγματικότητα ΦΥΣΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΤΟΥ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ: 390 235 = 155 W/m 2 υπέρυθρη ακτινοβολία που θα διέφευγε χωρίς την παρουσία της ατμόσφαιρας της Γης κατακρατούμενη ενέργεια
ΤΙ ΜΕΙΩΝΕΙ ΤΗ ΔΙΑΦΥΓΗ ΤΗΣ ΓΗΙΝΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΣΤΟ ΔΙΑΣΤΗΜΑ? ΔΙΑΦΕΥΓΟΥΣΑ ΓΗΙΝΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΣΤΗΝ ΚΟΡΥΦΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ (ΣΤΟ ΔΙΑΣΤΗΜΑ, σε Wm -2 ) Μέση Τιμή 18 ετών (1984-2002) μικρέςτιμές ΥΠΟΤΡΟΠΙΚΕΣ ΠΕΡΙΟΧΕΣ μεγάλες τιμές σημαντική αλληλεξάρτηση/συσχέτιση με νέφωση Εξάρτηση από: - Νέφη -Υδρατμούς - Όζον - Διοξείδιο Άνθρακα και από θερμοκρασία επιφάνειας της Γης! Διαφεύγουσα Ακτινοβολία OZON ΥΔΡΑΤΜΟΙ ΝΕΦΟΚΑΛΥΨΗ
ΤΙ ΜΕΙΩΝΕΙ ΤΗ ΔΙΑΦΥΓΗ ΤΗΣ ΓΗΙΝΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΣΤΟ ΔΙΑΣΤΗΜΑ? ΔΙΑΦΕΥΓΟΥΣΑ ΓΗΙΝΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΣΤΗΝ ΚΟΡΥΦΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ (ΣΤΟ ΔΙΑΣΤΗΜΑ, σε Wm -2 ) Μέση Τιμή 18 ετών (1984-2002) ΥΠΟΤΡΟΠΙΚΕΣ ΠΕΡΙΟΧΕΣ μικρέςτιμές μεγάλες τιμές σημαντική αλληλεξάρτηση/συσχέτιση με την επιφανειακή θερμοκρασία της Γης Εξάρτηση από: - Νέφη -Υδρατμούς - Όζον - Διοξείδιο Άνθρακα και από θερμοκρασία επιφάνειας της Γης! Διαφεύγουσα Ακτινοβολία ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΓΗΣ ΝΕΦΟΚΑΛΥΨΗ
Ισοδύναμο Πάχος απορροφητών της γήινης ακτινοβολίας μέτρο της ικανότητας απορρόφησης του στοιχείου στην ατμοσφαιρική κολώνα Είναι: το ύψος της ατμοσφαιρική κολώνας, που θα σχημάτιζαν τα μόρια του απορροφητή που προκαλούν την πραγματική απορρόφηση, εάν φερόταν σε κανονικές συνθήκες (Κ.Σ) θερμοκρασίας και πίεσης σε cm ατμόσφαιρας ΙΣΟΣΥΝΑΜΟ ΠΑΧΟΣ ΑΕΡΙΩΝ ΑΠΟΡΡΟΦΗΤΩΝ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Υδρατμοί (H 2 O) : 1-42 cm Διοξείδιο του Άνθρακα (CO 2 ) : 250 cm Όζον (O 3 ) :1-4 mm Αριθμός Loschmidt: αριθμητική πυκνότητα μορίων υπό Κ.Σ ΣΥΜΜΕΤΟΧΗ ΑΕΡΙΩΝ ΣΤΟ ΦΥΣΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΤΟΥ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ 95% 3.6% (είναι σημαντικό για την ανώτερη ατμόσφαιρα) ΟΜΩΣ!!! είναι σημαντική η συμμετοχή και των νεφών στο «φυσικό» φαινόμενο του Θερμοκηπίου Συγκρίνοντας το ισοδύναμο πάχος με την πραγματική απορρόφηση έχουμε ένδειξη της ικανότητας απορρόφησης για το στοιχείο
ΣΥΜΜΕΤΟΧΗ ΔΙΑΦΟΡΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΣΤΟ ΦΥΣΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΤΟΥ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ (Natural Greenhouse Effect) ΑΛΛΑ ΑΕΡΙΑ ΥΔΡΑΤΜΟΙ ΝΕΦΗ Οιυδρατμοί είναι συνολικά το σημαντικότερο («ισχυρότερο») αέριο του φυσικού φαινομένου του θερμοκηπίου Όμως, οι υδρατμοί (και τα νέφη) είναι κυρίως φυσικής και όχι ανθρωπογενούς προέλευσης Άρα, η πρόσφατη πλανητική θέρμανση (λόγω της ισχυροποίησης του φαινομένου του θερμοκηπίου) αποδίδεται στα υπόλοιπα αέρια (κυρίως CO 2 ) που είναι κυρίως ανθρωπογενούςπροέλευσης
ΦΥΣΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΤΟΥ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ (Natural Greenhouse Effect)
ΣΥΜΜΕΤΟΧΗ ΔΙΑΦΟΡΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΣΤΟ ΑΝΘΡΩΠΟΓΕΝΕΣ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΤΟΥ ΘΕΡΜΟΚΗΠΙΟΥ (ΑnthopogenicGreenhouse Effect) Το διοξείδιο του άνθρακα είναι συνολικά το σημαντικότερο («ισχυρότερο») αέριο του ανθρωπογενούς φαινομένου του θερμοκηπίου Ηπρόσφατη πλανητική θέρμανση κατά 0.7 (λόγω της ισχυροποίησης του φαινομένου του θερμοκηπίου) αποδίδεται κυρίως στο CO 2 και δευτερευόντως στο μεθάνιο και τους υδρογονάνθρακες
ΣΥΜΜΕΤΟΧΗ ΤΩΝ ΔΙΑΦΟΡΩΝ ΣΤΡΩΜΑΤΩΝ ΣΤΗ ΣΥΝΟΛΙΚH ΕΚΠΕΜΠΟΜΕΝΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΓΗ-ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ F ατμοσφαιρικό στρώμα F πολικές περιοχές συνολικήεκπομπή F in ανέφελη ατμόσφαιρα F 1 =0.25F in έδαφος προςτα πάνω εκπεμπόμενη ακτινοβολία μεγαλύτερες θερμοκρασίες προςτα κάτω εκπεμπόμενη ακτινοβολία χαμηλές θερμοκρασίες θερμότερος αέρας F 2 =0.9F in Στις πολικές περιοχές: F > Ffl κορυφή της ατμόσφαιρας 1500m 2m P=εσT 4 Τα θερμότερα στρώματα εκπέμπουν περισσότερη ακτινοβολία από τα ψυχρότερα (Νόμος Stefan-Boltzmann Boltzmann) μείωση θερμοκρασίας με το ύψος ΓΕΝΙΚΑ όταν dt 0 dz 100% 90% 25% ψυχρότερος αέρας Όμως, στις πολικές περιοχές: σημαντικότερη σημαντικότερηεκπομπή εκπομπή προς προς το το έδαφος έδαφος από από τα τα κατώτερα κατώτερα στρώματα στρώματα της της ατμόσφαιρας ατμόσφαιρας dt dz 0 ενώ γενικά: (αύξηση θερμοκρασίας με το ύψος) dt dz 0 Ενώ, γενικά: Ffl <F
ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΙΣΟΖΥΓΙΟ ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΓΗΣ-ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΥΠΕΡΥΘΡΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ Σύγχρονες Εκτιμήσεις (National Aeronautic and Space Administration, NASA)
ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΕΝΕΡΓΟΥ ΕΞΕΡΧΟΜΕΝΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΑΠΟ ΤΟ ΕΔΑΦΟΣ είναι σημαντική παράμετρος για την ψύξη (θέρμανση) του εδάφους λόγω απώλειας (πλεονάσματος) ενέργειας) ef, g = υ g da ug έδαφος ατμόσφαιρα ef,g da ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΙ ΜΟΝΤΕΛΑ f(t s,ε) f(t s,t,ε,e,n),e,n) f(t,e,n) θερμοκρασία εδάφους ικανότητα εκπομπής εδάφους τάση (πίεση) υδρατμών (υδρατμοί+νέφη) νεφοκάλυψη ουρανού θερμοκρασία ατμοσφαιρικού αέρα Προσδιορισμός με: - Όργανα - Εμπειρικές Σχέσεις - ΘεωρητικάΜοντέλα ΣΤΑΘΜΟΙ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΣΤΑΘΜΟΙ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Οι Σταθμοί δε μπορούν να επιλύσουν το πρόβλημα σε πλανητική κλίμακα ΣΤΑΘΜΟΙ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΥΠΕΡΥΘΡΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ!!! ΠΟΛΥ ΛΙΓΟΙ ΠΟΛΥ ΛΙΓΟΙ ΣΤΑΘΜΟΙ - ΣΤΑΘΜΟΙ - ΕΛΛΕΙΨΗ ΕΛΛΕΙΨΗ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ!!!
ΕΜΠΕΙΡΙΚΕΣΣΧΕΣΕΙΣΣΧΕΣΕΙΣ απλές εύχρηστες (1)ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΕΔΑΦΟΥΣ=ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΑΕΡΑ (2) ΑΝΕΦΕΛΟΣ ΟΥΡΑΝΟΣ ΠΑΡΑΔΟΧΕΣ 1. Εξίσωση Angström 2. Εξίσωση Brunt ef, g 4 = ε σ T 1 α 3. Εξίσωση Swinbank θερμοκρασία αέρα κοντά στο έδαφος (1-2 μέτρα) 4 ef, g = ε σ T [ 1 α o + bo exp( co e) ] τάση (πίεση) υδρατμών σε mb (ή hpa) 0.71< o < 0.82 0.15 < o < 0. [ b e] [ ] 6 2 1 9.35 T 4 ef, g = ε σ Ts 10 θερμοκρασία εδάφους (επιδερμική) 4. Εξίσωση McDonald ef α b 33 0.094 c < 0. 216 [ 0.165 0.00072 RH ] / min, g = ε ly ΟΜΩΣ,, ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΤΙΚΕΣ! (άρα, αβέβαιες αναγκαίες διορθώσεις) d, a 4 = ε σ T α σε % < o [ b ( c e) ] 4 = ε σ T exp d, a αo σταθερές (εμπειρικά προσδιοριζόμενες) 0.34 < α < 0.71 0.023 < b < 0. 110 σταθερές [ + b e] 4 u, g = ε σ T RH o e: σε hpa(ήmb) ef,g : σε W m -2 δε λαμβάνει υπόψιντην παρουσία των υδρατμών: όμως λαμβάνει υπόψιντη διαφορά θερμοκρασίας: o e Τ s Τ σχετική υγρασία (relative humidity)
ef Παραδοχήστις προηγούμενες Εξισώσεις: T s = T ΔΙΟΡΘΩΜΕΝΗ ΣΧΕΣΗ όμως,, δεν ισχύει, g ( c) = ef, g + 4 ε σ (corrected) ΔΙΟΡΘΩΣΗ (T s T) Γενικά: : T s > T T 3 διορθωτικός παράγοντας Α ( T T ) s T s T αυτή τη θερμοκρασία μετρούμε στους Σταθμούς! 1-2m θερμοκρασία αέρα σε ύψος 1-2m ef, g ( c) ef, g κανονικές συνθήκες θερμοκρασιακή ef, g ( c) ef, g αναστροφή θερμοκρασία επιφάνειας εδάφους T s -T ( ) 2 4 6 8 10 15 20 A 0.018 σε ly/min ΔΙΟΡΘΩΣΗ ΓΙΑ ΝΕΦΟΣΚΕΠΗ ΟΥΡΑΝΟ ef, g ( n) 0.035 0.053 x 697.8 (σε W m -2 ) σταθερά, εξαρτώμενη από το είδος-ύψος της νέφωσης = 1 ef, g ( c) η παρουσία των νεφών ελαττώνει την ενεργό εξερχόμενη ακτινοβολία εδάφους ef, g ( n) ef, g ( c) 0.071 0.088 γενικά ( m K n ) 0.132 0.176 12.6 W/m 2 122.8W/m 2 διόρθωση A = 10-100 100 W/m 2 1 (κατά Budyko) ποσοστό νεφοκάλυψης, σε δέκατα (για % ή όγδοα: μετατροπή)
ΔΙΟΡΘΩΣΗ ΓΙΑ ΠΛΗΡΩΣ ΝΕΦΟΣΚΕΠΗ ΟΥΡΑΝΟ ef, g ( n) για n=1 (πλήρης νεφοκάλυψη του ουρανού, δηλ. 100%) = 1 ef, g ( c) ( K ) ef, g ( n) K = 1 ( 1 ) ef, g ( c) διορθωτικός παράγοντας νεφοκάλυψης υψηλά νέφη (μεγάλου ύψους) ύψος της βάσης του νέφους χαμηλά νέφη (χαμηλού ύψους) Είδος Νεφών Cirrus Cirrostratus Altocumulus Altostratus Stratocumulus Stratus Nimbostratus ρόλος θερμοκρασίας βάσης (ύψους) του νέφους Ύψος (m) 12200 8390 3660 2140 1220 460 90 1-K 0.84 0.68 0.34 0.20 0.12 0.04 0.01 μικρή διόρθωση μεγάλες τιμές (1-Κ) μεγάλη διόρθωση μικρές τιμές (1-Κ) μεγαλύτερη διόρθωση για τα χαμηλότερα νέφη!!
ΕΙΔΗ ΝΕΦΩΝ Cirrus: θύσσανοι μελανοσωρείτες Stratus: στρώματα υψιστρώματα Cumulus: σωρείτες Ηδιόρθωση που επιφέρει η παρουσία των νεφών στην ενεργό εξερχόμενη ακτινοβολία από το έδαφος (και άρα το ρυθμό ψύξης του λόγω απώλειας ακτινοβολίας) εξαρτάται από το ύψος τους
Ύψος σε πόδια (1 πόδι (feet) = 0.3m) ΕΙΔΗ ΝΕΦΩΝ νέφη κατακόρυφης ανάπτυξης μελανοσωρείτες σωρειτομελανίες
ΕΙΔΗ ΝΕΦΩΝ
ΔΙΟΡΘΩΣΗ ΓΙΑ ΠΕΡΙΟΧΗ ΜΕ ΑΝΑΓΛΥΦΟ (ΕΜΠΟΔΙΑ), π.χ. κοιλάδα ef,g (Ζ) z ef,g (z=0) > ef,g (z) z ef ενεργόςεξερχόμενη ακτινοβολία κατά την κατακόρυφο κατά διεύθυνση γωνίας Ζ ef,g (0), g ( z) = ef, g =Ι ug - da (έως τώρα, παραδοχή για ορίζοντα χωρίς εξάρσεις) ηθερμοκρασία ελαττώνεται γρηγορότερα κατά την κατακόρυφη σε σχέση με οποιαδήποτε άλλη διεύθυνση γωνία z ( ) γ 0 cos z e(γ) για περισσότερο υγρή ατμόσφαιρα τάση υδρατμών σε mb(hpa) γ = 0.11+0.0255. e ενεργός εξερχόμενη ακτινοβολία που διέρχεται μέσα από σφαιρικό τομέα του οποίου τα όρια απέχουν από την κατακόρυφο, γωνία z π ( 2+ γ z) ef 1 2, gp = ef, g (0) cos γ + 2 ef,g ef,g λιγότερηενεργός εξερχόμενη ακτινοβολία Μέγιστη ενεργός ακτινοβολία : για οριζόντια επιφάνεια που δεν περικλείεται από εμπόδια (z=π/2) Οι επιφάνειες που περικλείονται από εμπόδια έχουν μικρότερη ενεργό εξερχόμενη ακτινοβολία σε σχέση με οριζόντιες (ανοιχτές) επιφάνειες και ως εκ τούτου έχουν μικρότερες απώλειες από ακτινοβολία, με αποτέλεσμα να έχουν ελαφρώς μεγαλύτερες θερμοκρασίες ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΚΟΙΛΑΔΑΣ 2π ef gp = γ + 2, ef, g (0) (π.χ. για σημεία-περιοχές που βρίσκονται στο βάθος μιας κοιλάδας, χαράδρας ή στις μεγαλουπόλεις, σε δρόμους με ψηλά κτίρια ή σε στάδια)
ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΕΝΕΡΓΟΥ ΕΞΕΡΧΟΜΕΝΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΑΠΟ ΤΟ ΕΔΑΦΟΣ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΡΑΔΙΟΒΟΛΣΗΣ D( u z ) ef, g = 0.47 e = υ g 0.7 da 4 g = ε σ T s u = 0 z ) u= M υ = E ( T dd ( u ) u z 8.9 u z + 0.53 e συνάρτηση διάδοσης της ακτινοβολίας οπτική μάζα της ατμόσφαιρας μέχρι το ύψος z μέτρο της απόστασης (διαδρομής) που διανύει η ακτινοβολία μέσα στην ατμόσφαιρα και της εξασθένισής της 1 z m 1 1 = cos z1 z 2 1 m 2 = cos z 2 m m 1 2 στάθμες (επίπεδα) της ατμόσφαιρας υ g εύκολος υπολογισμός n u z = u i u i= 1 i d α = 3.23 10 ραδιοβολίδα 5 da οπτική μάζα για όλη την ατμόσφαιρα δύσκολος υπολογισμός p E ατμοσφαιρικήμάζα f(z i,q i ) κάθε στρώμα της ατμόσφαιρας εκπέμπει ακτινοβολία Ε(Τ z ) το οποίο διαδίδεται και φθάνει στην επιφάνεια της Γης p q i i i όπου: Δp i = p i -p i+1 z 4 ( ) = ε σ T z T z (σχετίζεται με την έκταση της ατμόσφαιρας και την πίεση, p) μάζα υδρατμών ειδικήυγρασία q = m υ m (συγκέντρωση υδρατμών) α μάζα αέρα ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ: θερμοκρασία, υγρασία, πίεση, σε κάθε στρώμα
ΡΑΔΙΟΒΟΛΙΔΑ - ΡΑΔΙΟΒΟΛΙΣΗ (radiosonde, rawinsonde) Radiosonde μονάδα η οποία φέρεται σε μετεωρολογικά μπαλόνια γεμάτα με He ή H και με την οποία μετρούμε τις ακόλουθες ατμοσφαιρικές παραμέτρους: (i) πίεση (ii) θερμοκρασία (iii) υγρασία Οι μετρήσεις μεταφέρονται σε σταθερό δέκτη μέσω ραδιοσυχνοτήτων Rawisonde Μετράό,τι και το radiosonde, με τη διαφορά ότι μετρά επιπλέον και: (i) διεύθυνση ανέμου (ii) ταχύτητα ανέμου da ραδιοβολίδα θερμοκρασία, υγρασία, πίεση, άνεμος ταχύτητα διεύθυνση
ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΩΝ ΜΟΝΤΕΛΩΝ ΔΙΑΦΕΥΓΟΥΣΑ ΓΗΙΝΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΣΤΗΝ ΚΟΡΥΦΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ (ΣΤΟ ΔΙΑΣΤΗΜΑ) ΜΕΣΕΣ ΤΙΜΕΣ ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΥ (ΠΕΡΙΟΔΟΣ 5 ΕΤΩΝ 1985 1989) ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΔΟΡΥΦΟΡΟΥ ERBE (Earth Radiation Budget Experiment, NASA) πόλοι τροπικοί πόλοι μεγάλες τιμές όπου δεν υπάρχουν νέφη μεγάλες τιμές πάνω από θερμές περιοχές και μικρές τιμές πάνω από ψυχρές περιοχές
ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΩΝ ΜΟΝΤΕΛΩΝ ΠΡΟΣΠΙΠΤΟΥΣΑ ΥΠΕΡΥΘΡΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΣΤΗΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΤΗΣ ΓΗΣ ΜΕΣΕΣ ΤΙΜΕΣ ΠΕΡΙΟΔΟΥ 17 ΕΤΩΝ (1984-2000) ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ εποχικές διαφορές ΙΟΥΛΙΟΣ Αρκτική Ευρώπη Αρκτική Ευρώπη μεγάλες τιμές πάνω από θερμές περιοχές και μικρές τιμές πάνω από ψυχρές περιοχές ιδιαίτερα μεγάλες τιμές πάνω από υγρές/θερμές περιοχές και μικρές τιμές πάνω από ξηρές/ψυχρές περιοχές (πόλοι)
ΤΟ ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΤΩΝ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΩΝ ΣΕ ΜΕΣΗ ΕΤΗΣΙΑ ΚΑΙ ΠΛΑΝΗΤΙΚΗ ΚΛΙΜΑΚΑ ΚΑΘΑΡΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΣΤΟ ΕΔΑΦΟΣ: ενεργειακό όφελος ενεργειακή απώλεια R g = ( 1 a) ( Q + q) ef, g κατά τη διάρκεια ενός έτους και για όλον τον Πλανήτη (+72Kly/yr) απορροφώμενη Ηλιακή ακτινοβολία (124Kly/yr) > ενεργός εξερχόμενη Γήινη ακτινοβολία (52Kly/yr) ΚΑΘΑΡΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΣΤΗΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ: R a = ( Ca + Aa ) a η ατμόσφαιρα έχει έλλειμμα ενέργειας ίσο με το πλεόνα- σμα του εδάφους R = R g + Ra (-72Kly/yr) = 0 απορροφώμενη Ηλιακή (45Kly/yr) ενεργός εξερχόμενη Γήινη (117Kly/yr) < ΌΜΩΣ: μηδενικό ισοζύγιο μόνο σε μέση ετήσια βάση και σε μέση πλανητική κλίμακα δηλ. για τον πλανήτη στο σύνολό του ΚΑΘΑΡΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΓΙΑ ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΓΗ-ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ (δηλαδή τον Πλανήτη)
ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ 100 μονάδες ΥΠΕΡΥΘΡΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ η ατμόσφαιρα χάνει ενέργεια από ακτινοβολία ατμόσφαιρα -30 (20-50) 342 W/m 2-20 -50 έδαφος +30 (50-20) το έδαφος κερδίζει ενέργεια από ακτινοβολία ΣΥΣΤΗΜΑ ΓΗ-ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ: : 0
ΤΟ ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΤΩΝ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΩΝ ΣΕ ΜΕΣΗ ΕΤΗΣΙΑ - ΑΛΛΑ ΣΕ ΤΟΠΙΚΗ ΚΛΙΜΑΚΑ ΕΛΛΕΙΜΜΑ - ΠΛΕΟΝΑΣΜΑ ΕΛΛΕΙΜΜΑ - + - ΚΑΘΑΡΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΣΤΗΝ ΚΟΡΥΦΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ ΓΗ + ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ ύπαρξη θετικών και αρνητικών τιμών - + - ΚΑΘΑΡΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΣΤΗΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΤΗΣ ΓΗΣ ΓΗ
ΤΟ ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΤΩΝ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΩΝ ΣΕ ΜΕΣΗ ΕΤΗΣΙΑ ΒΑΣΗ - ΖΩΝΙΚΗ ΚΛΙΜΑΚΑ έδαφος: πλεόνασμα ενέργειας σχεδόν παντού (εκτός των πολικών περιοχών) ΕΛΕΙΜΜΑ ΠΛΕΟΝΑΣΜΑ Γη+ατμόσφαιρα: πλεόνασμα ενέργειας σε τροπικά-υποτροπικά γεωγρ. πλάτη και έλλειμμα σε μεγαλύτερα πλάτη Ł «ΕΞΑΓΩΓΗ» ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΛΕΙΜΜΑ ΜΕΣΗ ΖΩΝΙΚΗ ΚΛΙΜΑΚΑ ατμόσφαιρα: έλλειμμα ενέργειας παντού ΓΕΝΙΚΗ ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ (μεταφορά αισθητής+λαν- θάνουσας θερμότητας) (μεταφορά αισθητής θερμότητα) ΜΕΣΗΜΒΡΙΝΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ από μικρά προς μεγάλα γεωγραφικά πλάτη + ΚΑΤΑΚΟΡΥΦΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ + ΘΑΛΑΣΣΙΑΡΕΥΜΑΤΑ από το έδαφος προς την ατμόσφαιρα οριζόντια (κυρίως) μεταφορά ΤΡΟΠΟΙ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ/ΑΝΑΚΑΤΑΝΟΜΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕΣΑ ΣΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΓΗ-ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ
ΤΟ ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΤΩΝ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΩΝ ΣΕ ΜΕΣΗ ΕΤΗΣΙΑ ΒΑΣΗ - ΖΩΝΙΚΗ ΚΛΙΜΑΚΑ καθαρή ακτινοβολία εδάφους ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΑΙΣΘΗΤΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ (θερμές αέριες μάζες) καθαρή ακτινοβολία εδάφους-ατμόσφαιρας ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΛΑΝΘΑΝΟΥΣΑΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ (με υδρατμούς) καθαρή ακτινοβολία ατμόσφαιρας Γενικά, είναι ισχυρότερη η μεταφορά ενέργειας από την ατμόσφαιρα (μέσω γενικής κυκλοφορίας) σε σχέση με τους ωκεανούς (μέσω θαλασσίων ρευμάτων) μεταφορά ενέργειας ανά μονάδα μήκους ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ μεταφορά ενέργειας γεωγραφικό πλάτος
δακτύλιοι κυκλοφορίας ΓΕΝΙΚΗ ΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ (αεροχείμμαρος πολικού μετώπου) (υποτροπικός αεροχείμμαρος) ενδοτροπική ζώνη σύγκλισης μεταφορά αισθητής + λανθάνουσας θερμότητας (μέσω θερμών αερίων μαζών) (μέσω υδρατμών) (πολικός δακτύλιος) (πολικό μέτωπο) ΜΕΣΗΜΒΡΙΝΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (οριζόντια) (αληγείς άνεμοι) (δυτικοί άνεμοι) (κέντρα υψηλών πιέσεων) (κέντρα χαμηλών πιέσεων) ΚΑΤΑΚΟΡΥΦΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ
ΘΑΛΑΣΣΙΑ ΡΕΥΜΑΤΑ πραγματοποιούν μεταφορά αισθητής θερμότητας
ΘΑΛΑΣΣΙΑ ΡΕΥΜΑΤΑ πραγματοποιούν μεταφορά αισθητής θερμότητας ταχύτητα θαλάσσιου ρεύματος
ΤΟ ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΤΩΝ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΩΝ ΣΕ ΜΕΣΗ ΕΤΗΣΙΑ ΒΑΣΗ ΚΑΙ ΣΕ ΖΩΝΙΚΗ ΚΛΙΜΑΚΑ ΗΛΙΑΚΗ (εισερχόμενη, >0) ΓΗΙΝΗ (διαφεύγουσα, <0) ΚΑΘΑΡΗ εισερχόμενη ακτινοβολία = ΗΛΙΑΚΗ - ΓΗΙΝΗ ΚΑΘΑΡΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΣΤΗΝ ΚΟΡΥΦΗ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ (Top Of Atmosphere, TOA) ΕΛΕΙΜΜΑ ΠΛΕΟΝΑΣΜΑ ΕΛΕΙΜΜΑ ΓΗ + ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ γεωγραφικό πλάτος ΕΛΕΙΜΜΑ ΠΛΕΟΝΑΣΜΑ γεωγραφικό πλάτος ΚΑΘΑΡΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΣΤΗΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΤΗΣ ΓΗΣ (surface) ΓΗ
ΑΝΑΓΩΓΕΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΠΟΥ ΦΘΑΝΕΙ ΣΤΗΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΤΗΣ ΓΗΣ είναι απαραίτητες προκειμένου να είναι συγκρίσιμες μετρήσεις ηλιακής ακτινοβολίας που λαμβάνονται σε διαφορετικές ώρες, ημέρες, εποχές Έστω S 1 και S 2 είναι τα ποσά της ηλιακής ακτινοβολίας που φθάνουν στην επιφάνεια της Γης, σε ένα συγκεκριμένο τόπο σε δύο διαφορετικές χρονικές στιγμές S 2 S 1 Οι τιμές S 1 και S 2 διαφέρουν λόγω: 1) διαφορετικήςαπόστασης Γης-Ήλιου (και ηλιακής σταθεράς) για διαφορετικές εποχές, ημέρες, ώρες 2) διαφορετικήςκατάστασης της ατμόσφαιρας διαφορετικές συγκεντρώσεις νεφών, υδρατμών κ.λ.π. ΓΙΑ ΝΑ ΑΠΟΜΟΝΩΣΟΥΜΕ ΤΟΝ ΠΑΡΑΓΟΝΤΑ (2): ΑΝΑΓΩΓΕΣ
ΑΝΑΓΩΓΕΣ ΑΜΕΣΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ για να συγκρίνουμε τιμές ηλιακής ακτινοβολίας που μετρήθηκαν σε διαφορετικές εποχές,ημέρες ή ώρες Αναγωγή στη μέση απόσταση Γης-Ήλιου για μετρήσεις σε διαφορετικές εποχές, ημέρες 1ος τρόπος ένταση ακτινοβολίας στη μέση απόσταση Γης-Ήλιου (ακτινοβολία που θα δεχόταν ο τόπος εάν βρισκόταν στη μέση απόσταση Γης-Ήλιου υπό τις ίδιες ατμοσφαιρικές συνθήκες) M = R R 2 τρέχουσα απόσταση Γης-Ήλιου 1/ 2 [ 1+ 0.034 cos[ 0.989( 3) ] R = R D o o αύξων αριθμός ημέρας του έτους (με αρχή την 1 η Ιανουαρίου) μέση απόσταση Γης-Ήλιου(»150x10 6 Km) τρέχουσα ένταση ακτινοβολίας (ακτινοβολία που δέχεται ο τόπος) 2ος τρόπος M = M M = με παρεμβολή στις τιμές του Πίνακα M 1 M M = 1+ M
ΑΝΑΓΩΓΕΣ ΑΜΕΣΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Αναγωγή σε ύψος Ήλιου 30 για μετρήσεις σε διαφορετικές ώρες της ημέρας ένταση ηλιακής ακτινοβολίας στην κορυφή της ατμόσφαιρας, σε χρόνο t (ηλιακή σταθερά) ΝΟΜΟΣ BEER-LAMBERT-BOUGUER = o p m οπτική μάζα της ατμόσφαιρας κατά τη μέτρηση, στο χρόνο t κορυφή της ατμόσφαιρας ένταση ηλιακής ακτινοβολίας στο έδαφος, σε χρόνο t Ι 0 διαφάνεια της ατμόσφαιρας 1 κατά τη μέτρηση, στο χρόνο t (είναι συνάρτηση της συγκέντρωσης διαφόρων συστατικών π.χ. υδρατμών, άλλων αερίων, αερολυμάτων) Ζενίθεια γωνία Ζ Ι 1 m = υ Γωνία ύψους sinυ όσο αυξάνεται/ελαττώνεται η οπτική μάζα m, τόσο ελαττώνεται/αυξάνεται η ακτινοβολία όσο αυξάνεται/ελαττώνεται η διαφάνεια p, τόσο αυξάνεται/ελαττώνεται η ακτινοβολία υ m Ι
ΑΝΑΓΩΓΕΣ ΑΜΕΣΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Αναγωγή σε ύψος Ήλιου 30 1 2 = = o p o p m m 1 2 2 m2 m 1 1 = o ή o 2 = o 1 o sinυ sinυ 1 2 p 1 Ι Ι 2 υ 2 υ Ι 1 1 30 υ ανηγμένη τιμή = 2 υ1 sinυ2 > sin τρέχουσα τιμή sinυ sin 30 > υ o o ή 1 > 2 30 = o o 1 2sinυ ελαφράτροποποιημένη σχέση (Sivkon) 30 = o o sinυ + 0.15 sin 30+ 0.15
ΟΡΓΑΝΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΤΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ακτινόμετρα (πυρηλιόμετρο) pyrheliometer μετρά την ένταση της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει κάθετα σε μια επιφάνεια (μετρήσεις ευρέως φάσματος, π.χ. 280-3000nm) (πυρανόμετρο) pyranometer μετρά την ένταση της ολικής ηλιακής ακτινοβολίας (άμεσης+διάχυτης) που προσπίπτει σε μια οριζόντια επιφάνεια (μετρήσεις ευρέως φάσματος )
ΟΡΓΑΝΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΤΗΣ ΥΠΕΡΥΘΡΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ (πυργεόμετρο) pyrgeometer μετρά την ένταση της υπέρυθρης ακτινοβολίας σε μια οριζόντια επιφάνεια (μετρήσεις ευρέως φάσματος, π.χ. 4.5-40μm) (πυραδιόμετρο) pyrradiometer μετρά ταυτόχρονα την ηλιακή και τη γήινη ακτινοβολία
ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Online μετρήσεις ηλιακής ακτινοβολίας Peter Nissen(Germany) Longitude 9 54' 10" E, Latitude 51 30' 36" N http://www.solar-radiation.info/ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΙΩΑΝΝΙΝΩΝ 18/01/2009 Μετρήσεις Ηλιακής ακτινοβολίας στην Ήπειρο ΜΕΤΣΟΒΟ 18/01/2009 http://www.epirusmonitoring.gr/met_details.asp?metrisi=4