3 Ηλιακή και γήινη ακτινοβολία
Εισαγωγή Η κύρια πηγή ενέργειας του πλανήτη μας. Δημιουργεί οπτικά φαινόμενα (γαλάζιο ουρανού, άλως κ.α) Υπεύθυνη για τη γενική κυκλοφορία της ατμόσφαιρας. Εξατμίζει μεγάλες μάζες νερού. Σχηματίζει και διαμορφώνει το κλίμα της γης. Τα φυτά αφομοιώνουν το 3% αυτής με τη διαδικασία της Τα φυτά αφομοιώνουν το 3% αυτής με τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης
3.1 Ηλεκτρομαγνητικό φάσμα Μήκος Κύματος Φασματική (μm) Περιοχή <10-5 ακτίνες γ 10-5 - 10-2 ακτίνες x 0.01-0.38 υπεριώδες 0.38-0.72 ορατό 0.72-1.5 εγγύς υπέρυθρο 1.5-5.6 μέσο υπέρυθρο 5.6-12.5 θερμικό υπέρυθρο 12.5-1000 απώτερο υπέρυθρο ηλιακό φάσμα 0.29 4.0 μm 10 3-10 6 μικροκύματα 10 6-10 7 VHF 10 7-10 8 HF ραδιοκύματα 1.2 cm 30 m
32Βασικά 3.2 μεγέθη της ακτινοβολίας Ένταση ακτινοβολίας, I (λ), (intensity). θ de (λ) I ( λ) dε (λ) dt da συνθ da μονάδα (W/m 2 ) Ολική ροή ακτινοβολίας, F (λ), (total radiance). de (λ) F (λ) λ dε (λ) dt da da μονάδα (W/m 2 )
Ολοφασματική ροή ακτινοβολίας, (F), η ροή ακτινοβολίας που διέρχεται από την επιφάνεια da σε όλα τα μήκη κύματος λ. 0 F F (λ) dλ
Για τις πηγές ακτινοβολίας ισχύουν οι ακόλουθοι ορισμοί: Μέλαν σώμα (blackbody) είναι το υποθετικό σώμα του οποίου η ένταση της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας, σε κάθε θερμοκρασία και σε κάθε μήκος κύματος, είναι μεγαλύτερη από την ακτινοβολία που εκπέμπουν όλα τα σώματα που βρίσκονται στην ίδια θερμοκρασία. Το μέλαν σώμα απορροφά πλήρως την ακτινοβολία βλί όλων των μηκών κύματος. Απορροφά μέρος της ακτινοβολίας Πραγματικό σώμα Τ Εκπέμπει μικρότερη ακτινοβολία Απορροφά πλήρως την ακτινοβολία Μέλαν σώμα Τ Εκπέμπει μεγαλύτερη ακτινοβολία
Ικανότητα εκπομπής ε (λ) (emissivity) ενός πραγματικού σώματος για ένα ορισμένο μήκος κύματος λ, ορίζεται από το πηλίκο της έντασης ακτινοβολίας Ι (λ) που εκπέμπει το σώμα σε θερμοκρασία Τ, προς την ένταση ακτινοβολίας Ι (λ)μ του ιδίου μήκους κύματος που εκπέμπει το μέλαν σώμα στην ίδια θερμοκρασία, δηλαδή ε (λ) Ι Ι (λ)μ (λ) Ι Ι (λ) (λ)μ ε (λ) = 1 για μέλαν σώμα (για κάθε λ) ε (λ) < 1 για πραγματικό σώμα Πραγματικό σώμα Τ Μέλαν σώμα Τ
Ικανότητα απορρόφησης α (λ) (absorptivity) it ενός πραγματικού σώματος, για ένα ορισμένο μήκος κύματος λ, ορίζεται από το πηλίκο της έντασης ακτινοβολίας βλί Ι (λ) που απορροφά το σώμα σε θερμοκρασία Τ, προς την ένταση ακτινοβολίας βλί Ι ο(λ) που προσπίπτει σε αυτό. Ι(λ) α (λ) Ι ο(λ) Ι o(λ) Ι (λ)
Ανακλαστικότητα ή λευκάγεια R (λ) (albedo) ενός πραγματικού σώματος, για ένα ορισμένο μήκος κύματος λ, ορίζεται από το πηλίκο της έντασης ακτινοβολίας βλί Ι (λ) που ανακλάται το σώμα, προς την ένταση ακτινοβολίας Ι ο(λ) που προσπίπτει σε αυτό. Ι R ο(λ) Ι (λ) (λ) R (λ) Ι ο(λ) Ι Ιo(λ) Ισχύει: α (λ) + R (λ) = 1
Λευκάγεια διαφόρων επιφανειών νέο χιόνι 80% παλιό χιόνι 55% χλόη 25% δάσος 5-10% άμμος 20-30% υγρό έδαφος 10% νέφη 50-65%
Γεωγραφική κατανομή της λευκάγειας στη γη
3.3 Νόμοι της ακτινοβολίας Νόμος του Planck, σχέση της έντασης ακτινοβολίας του μέλανος σώματος (Ι (λ) ) με την θερμοκρασία του Τ και το μήκος κύματος λ της ακτινοβολίας
Φ ή ή έ β λί Φασματική κατανομή της έντασης ακτινοβολίας μέλανος σώματος σε διάφορες θερμοκρασίες.
Νόμος του Wien θερμοκρασία ρ χρώματος (colour temperature) Ήλιος, 6000 Κ, μέγιστο στα 0.475 μm, ορατό φάσμα (μικρού μήκους κύματος ακτινοβολία, βλί λ<4 μm) ) Γη, 300 Κ, μέγιστο στα 10-12 μm, θερμικό υπέρυθρο (μεγάλου Γη, 300 Κ, μέγιστο στα 10 12 μm, θερμικό υπέρυθρο (μεγάλου μήκους κύματος ακτινοβολία, λ>4 μm)
Νόμος των Stefan Boltzmann: Ολική ροή ακτινοβολίας μέλανος σώματος F Μ σε σχέση με την θερμοκρασία του Τ: F Μ = στ 4 για τη γη F = ε ολ F Μ = ε ολ στ 4 όσο πιο θερμό είναι ένα σώμα τόσο περισσότερο ακτινοβολεί. θερμοκρασία ακτινοβολίας ή λαμπρότητας (temperature radiation or brightness temperature)
3.4 Ηλιακή ακτινοβολία Προέρχεται από τη Προέρχεται από τη φωτόσφαιρα του ήλιου
υπεριώδες 9% ορατό 45% υπέρυθρη 46% 1.5 4 μm Φασματική κατανομή της ηλιακής ακτινοβολίας
3.4.1 Ηλιακή σταθερά Ηλιακή σταθερά Ι ο : το ποσό ηλιακής ενέργειας ανά μονάδα επιφάνειας και χρόνου που προσπίπτει σε μια επιφάνεια κάθετη στις ακτίνες στο όριο της ατμόσφαιρας στη μέση απόσταση γης ήλιου I o = 2 cal cm -2 min -1 = 1394 W/m 2
Επειδή η ηλιακή ενέργεια ανά μονάδα χρόνου (Ε ολ ) εκπέμπεται ομοιόμορφα προς όλες τις κατευθύνσεις, ισχύει: Ε ολ (σε ακτίνα R) = Ε ολ (σε ακτίνα R ο ) Αλλά γενικά εξ ορισμού, ισχύει: Ι = Ε/S E = I S E = I 4πR 2 Άρα: Ε ολ = I ο 4πR 2 ο = I 4πR 2 I I o I o R 2 o = I R 2 I = I o (R o /R) 2 R
3.4.2 Ηηλιακή ακτινοβολία στην ατμόσφαιρα Άμεση ηλιακή ακτινοβολία, χωρίς να υποστεί καμία εκτροπή Διάχυτη ηλιακή ακτινοβολία, ύστερα από αλλαγή της διεύθυνσης διάδοσης λόγω σύγκρουσης με μόρια, άτομα, ιόντα Ολική ηλ. ακτινοβολία, το άθροισμα της άμεσης και διάχυτης Ανακλώμενη από τα νέφη, αιωρήματα και το έδαφος ατμοσφαιρική γήινη
Γήινη ακτινοβολία. H γη λόγω της μικρής της θερμοκρασίας (300 Κ) εκπέμπει υπέρυθρη ακτινοβολία βλί (λ >4 μm) ) με μέγιστη ένταση στα 10 μm Ατμοσφαιρική ακτινοβολία, ομοίως και η ατμόσφαιρα εκπέμπει υπέρυθρη ακτινοβολία (λ >4 μm) προς όλες τις κατευθύνσεις ατμοσφαιρική γήινη
Γήινη ακτινοβολία. H γη λόγω της μικρής της θερμοκρασίας (300 Κ) εκπέμπει υπέρυθρη ακτινοβολία βλί (λ >4 μm) ) με μέγιστη ένταση στα 10 μm Ατμοσφαιρική ακτινοβολία, ομοίως και η ατμόσφαιρα εκπέμπει υπέρυθρη ακτινοβολία (λ >4 μm) προς όλες τις κατευθύνσεις ατμοσφαιρική γήινη μικρού μήκους κύματος μεγάλου μήκους κύματος
3.5 Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια της γης η περιστροφή της γης γύρω από τον άξονά της η περιστροφή της γης γύρω από τον ήλιο σε ελλειπτική τροχιά 23 27 η κλίση του άξονα περιστροφής 23 ο 27
Δημιουργούν μεταβαλλόμενες συνθήκες πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας σε ένα τόπο σε ημερήσια βάση και σε ετήσια βάση
Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας βλί στην επιφάνεια της γης εξαρτάται από: την απόσταση γης - ήλιου το ύψος του ήλιου πάνω από τον ορίζοντα του τόπου τη διαδρομή της ακτινοβολίας μέσα από την ατμόσφαιρα
α. Η απόσταση της γης από τον ήλιο Εξαιτίας της ελλειπτικής τροχιάς της γης γύρω από τον ήλιο κατά τη διάρκεια του έτους η ένταση της ακτινοβολίας που δέχεται η γη αυξομειώνεται. 193 Ι π = 2.07 cal cm -2 min -1 Ι α = 1.93 cal cm -2 min -1 +3.4% -3.5% R Η ένταση της ακτινοβολίας βλί ελαττώνεται αντιστρόφως ανάλογα με το τετράγωνο της απόστασης από τον ήλιο: I = I o (R o /R) 2
Στο περιήλιο (3 Ιανουαρίου), ) η ηλιακή ενέργεια που φτάνει στη γη είναι κατά 7% περισσότερη από εκείνη του αφηλίου (4 Ιουλίου). 193 Ι π = 2.07 cal cm -2 min -1 Ι α = 1.93 cal cm -2 min -1 +3.4% -3.5% όλ ά δ ί ά ό θ ίζ παρόλα αυτά δεν είναι ο παράγοντας αυτός που καθορίζει την ενδοετήσια μεταβολή της θερμοκρασίας στη γη.
β. Το ύψος του ηλίου πάνω από τον ορίζοντα δηλ. της γωνίας μεταξύ των ηλιακών ακτινών και του ορίζοντα στον τόπο αυτόν
β. Το ύψος του ηλίου πάνω από τον ορίζοντα δηλ. της γωνίας μεταξύ των ηλιακών ακτινών και του ορίζοντα στον τόπο αυτόν Όσο μικρότερο είναι το ύψος του ήλιου φ τόσο λιγότερη ενέργεια ακτινοβολίας θα μοιράζεται στην επιφάνεια και συνεπώς τόσο μικρότερη θα είναι η ένταση της.
β. Το ύψος του ηλίου πάνω από τον ορίζοντα δηλ. της γωνίας μεταξύ των ηλιακών ακτινών και του ορίζοντα στον τόπο αυτόν I = 2 1 I o (R o /R) Νόμος του Lambertt ή νόμος του ημιτόνου : Η ένταση της ακτινοβολίας μεταβάλλεται με το ημίτονο του ύψους του ήλιου: Ι = Ι 1 ημφ = Ι 1 συνz Ι = I o (R o /R) 2 ημφ
Ι = I 2 o (R o /R) ημφ Ι R φ ώρα εποχή γ. πλάτος θερινό ηλιοστάσιο (21 Ιουνίου)
Ι = I 2 o (R o /R) ημφ Ι R φ ώρα εποχή γ. πλάτος χειμερινό ηλιοστάσιο (21 Δεκεμβρίου)
Ι = I 2 o (R o /R) ημφ Ι R φ ώρα εποχή γ. πλάτος μειώνεται από 93% σε 38% 68 30 o 21 30 o Μέσα γεωγραφικά πλάτη (45 o )
Ι = I 2 o (R o /R) ημφ Ι R φ ώρα εποχή γ. πλάτος μειώνεται κατά 8% 66 33 o Ισημερινός
Ι = I 2 o (R o /R) ημφ Ι R φ ώρα εποχή γ. πλάτος μειώνεται κατά 8% 66 33 o Ισημερινός
Το ολικό ποσό της ηλιακής ακτινοβολίας Q, που δέχεται μια οριζόντια επιφάνεια, στο έδαφος της γης από την ανατολή μέχρι τη δύση του ηλίου εξαρτάται από την εποχή και το γ. πλάτος διάρκεια ημέρας και ύψος ήλιου
Q H H I dt I o R R 2 o 2 H H συνz dt Q 1440 π I l o 2 (H δ ημφ ημδ συνφ συνδ ημh δ ) όπου Η δ η ωριαία γωνία του ηλίου κατά τη δύση του εκφρασμένη σε rad, δ η απόκλιση του ήλιου. Το Q εκφράζεται σε cal cm -2 day -1.
Ημερήσια ποσά ηλιακής ακτινοβολίας (ly) σε συνάρτηση με το γ. πλάτος
Ημερήσια ποσά ηλιακής ακτινοβολίας (ly) σε συνάρτηση με το γ. πλάτος Μικρή εποχιακή μεταβολή Μέγιστη εποχιακή μεταβολή
Ημερήσια ηλιακή ακτινοβολία σε cal cm-2 day-1
Ημερήσια ηλιακή ακτινοβολία σε cal cm-2 day-1
γ. Διαδρομή της ακτινοβολίας βλί μέσα στην ατμόσφαιρα Εξασθενεί λόγω απορρόφησης και σκέδασης. Εξαρτάται από το γ. πλάτος.
Η ηλιακή ακτινοβολία κατά την διέλευσή της μέσα από την ατμόσφαιρα θα υποστεί: απορρόφηση από τα αέρια της ατμόσφαιρας σκέδαση από τα μόρια των αερίων της ατμόσφαιρας και τους υδρατμούς απορρόφηση και σκέδαση από τα ατμοσφαιρικά αιωρήματα (aerosols) και τα υδροσταγονίδια (π.χ. χ νέφη) ανάκλαση από τα νέφη
Απορρόφηση από τα αέρια ανάλογα με το μήκος κύματος λ απορρόφηση της υπεριώδους ακτινοβολίας, στην ανώτερη ατμόσφαιρα από το Ο 3
Ασθενή απορρόφηση της ορατής ακτινοβολίας από το Ο 3 και το Ο 2
απορρόφηση της υπέρυθρης ακτινοβολίας κυρίως από τους υδρατμούς (Η 2 Ο) και δευτερευόντως από το CO 2 και το Ο 3
3.6 Γήινη ακτινοβολία H γη λόγω της μικρής της θερμοκρασίας εκπέμπει υπέρυθρη ακτινοβολία (γήινη ακτινοβολία) (λ >4 μm) με μέγιστη ένταση στα 10 μm Αυτή απορροφάται έντονα από τους υδρατμούς (Η 2 Ο) και το διοξείδιο του άνθρακα άθ (CO 2 ).
Σε μια περιοχή όμως του φάσματος (8-12 μm) η απορρόφηση από την ατμόσφαιρα είναι μικρή (ατμοσφαιρικό παράθυρο)
3.7 Το μέσο ενεργειακό ισοζύγιο στο σύστημα γης ατμόσφαιρας 3.7.1.1 Το ισοζύγιο ακτινοβολιών της γης Σε ετήσια βάση υπάρχει απόλυτη ισορροπία μεταξύ του ποσού της μικρού μήκους κύματος ηλιακής ακτινοβολίας που δέχεται το σύστημα γης-ατμόσφαιρας και του ποσού της μεγάλου μήκους κύματος ακτινοβολίας που εκπέμπει το σύστημα γης - ατμόσφαιρας πίσω στο διάστημα.
Η διαφορά ενέργειας της εισερχόμενης ηλιακής (μικρού λ) από την εξερχόμενη ακτινοβολία (μεγάλου λ + ανακλώμενη) στο σύστημα γης-ατμόσφαιρας σε ετήσια βάση ονομάζεται μέσο ετήσιο ενεργειακό ισοζύγιο.
Κατανομή της ηλιακής ακτινοβολίας στη γη: 2% απορροφάται επάνω από την τροπόσφαιρα 19% απορροφάται μέσα στην τροπόσφαιρα 48% απορροφάται από την επιφάνεια της γης 31% επιστρέφει στο διάστημα (ανάκλαση στα νέφη και στην επιφάνεια της γης, σκέδαση στην ατμόσφαιρα) )
Η επιφάνεια της γης λοιπόν απορροφά περισσότερη ενέργεια (48 μονάδες) από ότι η ατμόσφαιρα (19+2=21 μονάδες). Αυτό θα είχε ως αποτέλεσμα την υψηλή θέρμανση της γης Θα πρέπει να υπάρχει ένας μηχανισμός που θα επιφέρει Θα πρέπει να υπάρχει ένας μηχανισμός που θα επιφέρει ισορροπία μεταξύ της γης και της ατμόσφαιρας.
Η επιφάνεια της γης, συνεπώς και τα κατώτερα στρώματα της τροπόσφαιρας, ψύχεται με τρεις τρόπους: με την υπέρυθρη ακτινοβολία της γης (γήινη ακτινοβολία) (4 έως 100 μm), με μέγιστη ένταση γύρω στα 10 μm.. με τις κατακόρυφες κινήσεις της ατμόσφαιρας οι οποίες μεταφέρουν θερμές αέριες μάζες και συνεπώς θερμότητα στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας με τους υδρατμούς της ατμόσφαιρας οι οποίοι μεταφέρουν ενέργεια (λανθάνουσα θερμότητα) από την γη στην ανώτερη τροπόσφαιρα Αν δεν υπήρχαν αυτοί οι μηχανισμοί η επιφάνεια της γης θα ήταν 40 C θερμότερη, ενώ η τροπόσφαιρα θα ήταν ψυχρότερη.
πλεόνασμα έλλειμμα
3.7.2 Η κατά γεωγραφικό πλάτος διανομή του ισοζυγίου ακτινοβολίας για όλη την επιφάνεια της γης και σε ετήσια βάση το ισοζύγιο των ακτινοβολιών πρέπει να είναι μηδέν. στις διάφορες περιοχές της γης είναι δυνατόν να είναι θετικό όή αρνητικό.
Το ισοζύγιο ζγ ακτινοβολιών στις διάφορες περιοχές της γης είναι δυνατόν να είναι θετικό ή αρνητικό. στα γεωγραφικά πλάτη κάτω των 38 υπάρχει περίσσεια ενέργειας
Το ισοζύγιο ζγ ακτινοβολιών στις διάφορες περιοχές της γης είναι δυνατόν να είναι θετικό ή αρνητικό. Καμπύλη Ι: η μέση ετήσια προσλαμβανόμενη μ ηηλιακή ακτινοβολία Καμπύλη ΙΙ: η μέση ετήσια αποβαλλόμενη ακτινοβολία στα γεωγραφικά πλάτη κάτω των 38 υπάρχει περίσσεια ενέργειας
Ένα ποσό ενέργειας μεταφέρεται από τα μικρά πλάτη προς τα μεγαλύτερα με: Τη κυκλοφορία της ατμόσφαιρας (άνεμοι και κινητά καιρικά συστήματα ), και τα θαλάσσια ρεύματα.
Η μεταφορά ενέργειας πραγματοποιείται κύρια με την οριζόντια μεταφορά αισθητής θερμότητας (ψυχρών και θερμών αερίων μαζών): 50% λανθάνουσας θερμότητας (υδρατμών): 25% καθώς και με τα θαλάσσια ρεύματα: 25% Μέση ετήσια μεταφορά ενέργειας προς τους πόλους
η μέγιστη ολική μεταφορά σημειώνεται στα μέσα γεωγραφικά πλάτη όπου οι κυρίαρχοι μηχανισμοί μεταφοράς ενέργειας είναι τα κινητά καιρικά συστήματα (αντικυκλώνες, υφέσεις). Μέση ετήσια μεταφορά ενέργειας προς τους πόλους
3.8 Το εδαφικό ενεργειακό ισοζύγιο Φ R n F 1 F F 2 R n η καθαρή ακτινοβολία Η αισθητή θερμότητα (Η < 0 για άνοδο της Τ) LΗ λανθάνουσα θερμότητα (LΗ <0για εξάτμιση του νερού) Φ κατακόρυφη ροή θερμότητας στο έδαφος (Φ < 0 προς τα κάτω) R n H LE Φ + F 1 -F 2 = 0 Αν F 1 =F 2 H LE τότε R n H LE Φ = 0
R εστ 4 g αr g R a R g η ηλιακή ακτινοβολία α η λευκάγεια ε συντελεστής εκπομπής R a ατμοσφαιρική ακτινοβολία Φ F 1 R n = R g - αr g + R a -ε σ T 4 R n = (1-α) R g + R a -ε σ T 4 H LH F F 2 To R a από εμπειρική σχέση των Van Bavel and Hillel: R a =σ Τ 4 (0.605 + 0.048 (1370 H α ) 0.5) H 3 α η υγρασία του αέρα σε Kgr/m
Η κατακόρυφη ροή θερμότητας Φ που περνά μέσα από μία οριζόντια επιφάνεια σε βάθος z: Φ = - λ ΔΤ/Δz Φ z Τ λ συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας Αυξάνει όταν αυξάνει η υγρασία του εδάφους. Όταν το νερό παγώνει τότε το λ του αυξάνει περισσότερο Μεγάλες τιμές σε εδάφη με χαλαζία, μικρές σε εδάφη με οργανική ύλη Φ > 0 όταν ΔΤ/Δz < 0