Energijska bilanca

E=Ei+Ep+Ek+Elh

notranja energija potencialna energija

kinetična energija

energija zaradi sproščanja latentne toplote

Totalna energija sistema je ohranjena

Prenosi energije v klimatskem sistemu

Totalna energija sistema je ohranjena

sevanje, kondukcija, konvekcija

Prvi zakon termodinamike

dQ=mCvT+pdα

dQ=mCpT-Vdp

notranja energija

opravljeno delo

izmenjena toplota

dtdp

dtdTC

dtdQ

m p α−=1

dtdQ

mCdtdp

CdtdT

pp

1−=

α

toplota sprememba višine

Sevanje Osnovne spremenljivke za opis prenosa energije sevanjem:

–  valovna dolžina - λ (m) –  frekvenca - ν (s-1 oz. Hz)

νλ ⋅=c c - svetlobna hitrost (3˙108 m/s)

P = 1S!"E"t

P !S = "E"t

gostota energijskega toka sevanja (v enotah J/sm2 = W/m2) energijski tok (v enotah W = J/s )

Spekter elektromagnetnega sevanja

Osnovni fizikalni zakoni, ki se uporabljajo za opis sevanja

[ ] λλλ λλ d

ehcdTP Tkch 12)( /5

2

−=

1) Planckov zakon: porazdelitev gostote energijskega toka v spektru valovnih dolžin

Intenziteta monokrom. sevanja (energija po enoti površine v enoti časa po enoti kota)

c - svetlobna hitrost (3˙108 m/s) h - Planckova konstanta (6,62˙10-34 Js) k - Boltzmannova konstanta (1,38˙10-23 J/K)

Osnovni fizikalni zakoni, ki se uporabljajo za opis sevanja

2) Wienov zakon: spekter sevanja črnega telesa ima maksimum pri valovni dolžini

Wmax c=⋅Tλ

cW - Wien-ova konstanta (cW=2898 Kµm) λmax - valovna dolžina pri kateri telo seva največ (m) T - temperatura telesa (K)

Torej, toplejša telesa sevajo več pri manjših valovnih dolžinah, kot hladnejša.

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):

4

0

~)()( TdTPTP ∫∞

= λλ

4cos)( TdadTP σωθ =∫Stefan-Boltzmannova konstanta σ

σ=5.67×10-8 Wm-2K-4

P = ! !" !T 4Za sivo telo: ε – emisivnost ali sposobnost oddajanja

Gostota energijskega toka na vrhu ozračja na povprečni oddaljenosti od Sonca

Sonce seva pri ~5800 K,

Vidna (λ med 0,4 in 0,75 µm), IR (0,2-0,4 µm) in UV (0,4-24 µm) svetloba

So =Q

4!r2 =1367 Wm!2

Q – intenziteta sončnega sevanja (3,87˙1026 W) r – povprečna razdalja Sonce-Zemlja (150˙106 m)

T2898

max =λKµm

Sončno sevanje ima max v področju vidne svetlobe (~0.6 µm), terestično v infrardečem delu (~14 µm)

Sončno in terestrično sevanje

Gostota energijskega toka na vrhu ozračja na povprečni oddaljenosti od Sonca: So=1367 Wm-2

Sonce seva pri ~6000 K,

Na vrhu ozračja:

~46% energije je med 0.4 in 0.75 µm (vidno sevanje),

~46% energije je med 0.75 in 24 µm (IR, infrardece sevanje),

~7% energije je med 0.2 in 0.4 µm (UV, ultravijolicno sevanje).

Kaj se zgodi s So 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

Odbita energija

Upadla energija

P = !"T 4

= α koeficient refleksivnosti (odboja), ALBEDO

Albedo

Kaj se zgodi s So na poti do tal?

Energijska bilanca Zemlje

LWSW PPP += Povprečni energijski tok (ang. energy flux)

Vse skupaj:

( ) ↓↑↓ −=−= SWSWSWSW PPPP α1

↑↓ −= LWLWLW PPP

α – povprečni albedo

( ) ↓↓ +−−= LWZSW PTPP 41 εσα

Porazdelitev Soncnega sevanja pri tleh

Energijska bilanca Zemlje: vrh ozračja

( ) 01 ≈−−= ∫∫↑↓

topLW

topSWTA dsPdsPP α

Energijska bilanca na vrhu ozračja (TOA=top of the atmosphere)

α – povprečni albedo

α zemlja+ozračje, v povprečju 0.3 ( ) 23814 2

2

=− oZ

Z SRR

αππ

Wm-2

Za Zemljo kot črno telo, ravnovesna temperatura za (1):

(1)

2384 =eTσ Wm-2

255=eT K

emisivnost ε=1

Energijska bilanca Zemlje pri tleh

( ) ↓↓ +−−= LWeSW PTPAP 41 εσ

TTT es Δ+=

K

288≈eT33=ΔT

K

0=−−−− ↓↑↑MGLHSH PPPPP

Tok zaznavne toplote

Tok latentne toplote

Toplotni tok v globlje sloje

Energija, porabljena za taljenje snega, leda ali zmrzovanje vode

emisivnost ε=1

Lokalne spremembe T zaradi sevanja

Bilanca F =

+SW (soncno vhodno) –SW (odbito) +LW (IR) –LW (IR)

Lokalna bilanca energije

Energijska bilanca Zemljina klimatskega sistema (v W/m2)

Energijska bilanca Zemljina klimatskega sistema (v %)

Energija in globalni tokovi

Povratni vplivi v klimatskem sistemu

Meddelovanje oblaki-sevanje