Download pdf - Zračenje Zemljine površine i atmosfere · Zračenje Zemljine površine i atmosfere 1 •Temp. Zemljine površine mnogo je niža od temperature Sunca. •Razlog zašto Zemljina površina

Zračenje Zemljine površine i atmosfere

1

•Temp. Zemljine površine mnogo je niža od temperature Sunca. •Razlog zašto Zemljina površina zrači mnogo manje energije nego Sunce i tu u infracrvenom ili dugovalnom području spektra, od 3 do 80 μm.

Energiju dugovalnog zračenja Zemlje računamo prema Stefan-Boltzmannovu zakonu za “sivo” tijelo

Lo↑=k·σ·T4

Za crno tijelo k=1; za Zemljinu površinu k≈0.95 (a za svježi snijeg je k≈0.99, što znači da svježi snijeg pri jednakoj T zrači jače nego ostali materijali na Zemljinoj površini npr. jače nego golo pješčano tlo)

Temperatura tla se tijekom dana mijenja pa se zato mijenja i ižaravanje tla.Traje neprekidno i predstavlja gubitak energije; ono je veće za vedra vremena sredinom dana, noću je manje.

U godišnjem prosjeku na površini Zemlje gubitak energije u obliku dugovalnog zračenja veći je od primitka u obliku kratkovalnog zračenja (t~-18°C). Postoje još neke komponente zračenja pa se Zemlja progresivno kroz godine ne hladi.


2

Troposfera malim dijelom upija energiju dozračenu od Sunca

Drugačije se odnosi prema dugovalnom ižaravanju-selektivna apsorpcija

Vodena para i CO2 su plinovi koji upijaju infracrveno zračenje u cijelomintervalu od 5 do 7 μm kao i ono valnih duljina većih od 14 μm.

Dio valnih duljina Zemljinog zračenja (8.5 i 11 μm) u vedrom zraku odlazidirektno u svemir kroz “atmosferski prozor”.

Zemlja se grije od zadržane energije dugovalnog zračenja; grijanje je jače gdjeima više vodene pare i ugljikovog dioksida

Dugovalno zračenje izlazi iz atmosfere na njezinom gornjem dijelu.

•!!!Snijeg dobar upija IC zračenje, a vrlo loše upija kratkovalno sunčevo zračenje. Time čuva zimske usjeve od smrzavanja.!!!

•Najvažniji apsorberi: N2O,CH4, O2,O3,H2O,CO2


3

•Na gornjem kraju zračenje je usmjereno u svemir•Na dnu atmosfere zračenje je usmjereno na podlogu koja može biti kopno ili more = Protužarenje atmosfere (protuzračenje atmosfere )

• Ovisi o temp., a vlažnost i oblaci ga povećavaju (najmanje vrijednosti su ujutro, a najveće popodne)

•Razlika između ižaravanja Zemljine površine i protuzračenja atmosfere obično je pod nazivom efektivno ižaravanje tla

•Međusobni odnos kratkovalnog i dugovalnog zračenja prikazuje se jednadžbom neto bilance zračenja (B)

Bnet=(1- α)S↓+Lo↓ -εσTs4

Gdje je S↓ globalno kratkovalno zračenje, α albedo, εσTs4 dugovalno zračenje

tla i protuzračenje atmosfere, Lo↓.


4

•Prostorna razdioba bilance zračenja u sustavu Zemlja-atmosferas obzirom na geografsku širinu


5

•Ako bi se zbog bilo čega poremetila ta prirodna ravnoteža između energija koju Zemlja primi i gubi, promijenila bi se klima.•Takvih je klimatskih promjena bilo u prošlosti; vidimo prema izmjeni ledenih i međuledenih doba.•Vrlo sporo u međusobnom položaju Zemlje i Sunca zbivaju se promjene koje mijenjaju uvjete u kojima Zemlja prima Sunčevo zračenje•Nagib Zemljine osi (svakih 45 000 godina)•Oblik putanje od elipse do kružnice (svakih 92 000 godina)•Nastup perihela (svakih 21 000 godina)

Brže klimatske promjene zbog umjetnog grijanja atmosfere uslijed povećanja koncentracija aerosoli i CO2


6

• Utvrđeno je da atmosfera u cjelini emisijom gubi više energije elektromagnetnog zračenja nego što je ukupno prima od Sunca i od podloge

•Godišnji gubitak iznosi približno 25 000 kJ m-2

•Kad atmosfera ne bi dobivala toplinsku energiju i na druge načine nego samo zračenjem, ona bi se postupno hladila.•Ne ohlađuje se jer od Zemljine površine dobiva toplinu:

•Vođenjem topline (QH),•Oslobađanjem latentne topline isparavanja (QL)• Miješanjem zraka (konvekcijom)- ta se toplina širi atmosferom

Jednadžba neto bilance zračenja također može izgledati:

Bnet = QH+QL+QG+QA= (1- α)S↓+Lo↓ -εσTs4

•!!!Oblačne noći sa slabim vjetrom su često toplije od vedrih noći jer oblaci apsorbiraju i re-emitiraju IC radijaciju.!!!

•QG-vođenje topline u dublje slojeve tla•QA -antropogena toplina


7

• Pri tlu ugrijan zrak diže se zbog uzgona, a na njegovo mjesto dolazi hladniji iz višeg sloja.•Nastaje vertikalno miješanje zraka; konvekcija

•Nastali vrtlozi kreću se od nekoliko centimetara do nekoliko stotina metara, a ovise o atmosferskoj stabilnosti

•Takvi vrtlozi mogu podignuti gornju granicu planetarnog graničnog sloja iznad 2 km

•Noću nema takvih termala jer se hladni zrak koji je najgušći nalazi pri tlu

•Površina tla ohlađena ižaravanjem prima energiju iz dubljih slojeva toplinskim vođenjem, a iz prizemnog sloja zraka vođenjem i protužarenjem

•Temperatura zraka/tla odražava odnos između primitka i gubitka toplinske energije (ovisi o visini Sunca i duljini dana, obilježjima Zemljine površine, oblacima, vjetru, horizontalnim temperaturnim (hladnim ili toplim) advekcijama)

•Postupnim slabljenjem globalnog Sunčevog zračenja u drugoj polovici dana, gube se toplinski kontrasti i u prizemnom dijelu atmosfere

•Noću se nastavlja dugovalno zračenje tla i time se T smanjuje

8

Vođenju topline u tlu (QG)ovisi o:1) Vodljivosti individualnih čestica tla2) Veličini čestica tla (može varirati od 1μm za glinu i do 100 μm za

pijesak)3) Kompaktnosti tla gledajući kroz poroznost i vlažnost tla4) Stanje tla-zamrzavanje i topljenje tla također igra ulogu u toku topline

Nivo z(cm)

1 0

2 0.5

3 1.5

4 3

5 5

6 8

7 12

8 18

9 26

10 36

11 48

12 62

13 79

14 100

Mjerenja srednje dnevne temp. ljeti za USA; (iz Pielke, 2002)

TEMPERATURA TLA

Dnevni hod površinske temperature TG

9

postoji zaostajanje u hodutemp. za max dozračenesunčeve energije

F (TG) = QH+QL+QG+(QA)- (1- α)S↓-Lo↓ +εσTs4

Temperatura površine

10

Temp. vodene površine manje se mijena od T tla

•Kopno:•Zbog male toplinske vodljivosti tla danju se lako zagrijava, a noću lako hladi•Dnevne promjene temp. tla do dubine 70 cm.•Godišnje promjene temp. tla do 10-tak m dubine•U tlu se toplina gubi samo iz površinskog sloja

•More:•Sporije se hladi ili grije zbog 4 puta većeg specifičnog toplinskog kapaciteta vode (od tla); •Vođenje topline bolje,•Kroz vodu prodire Sunčevo zračenje (do 60 cm) i atmosfersko protuzračenje•U morima i oceanima miješanje, a time i vertikalni i horizontalni prijenos topline (more veći akumulator topline) •Ohlađuje se velika masa vode, pa je smanjenje temp. na površini neznatno

(a)

181920212223242526272829

1 4 7 10 13 16 19 22

t (h)

T (°C

)

Tzraka (°C) Tmora (°C)

Temperatura zraka

Temperatura zraka odražava odnosizmeđu primitka i gubitka toplinskeenergije

Tijekom noći uslijed radijacijskoghlađenja, tlo i sloj zraka koji je snjim u kontaktu hlade se brže negosloj zraka iznad-noćna inverzija

Tijekom ranojutarnjih sati to jesloj s najnižim temperaturama uslučaju vedrog vremena (s malovlage) i bez vjetra - nemakonvekcije

•!!!Najniže mjerene temp. •1983. g. Antarktika, -89°C,1892. g. Rusija, -68°C,•1954. g. Grenland, -66°C.!!!

•!!!Najviše mjerene temp. •1922. g. Libija, 58°C,•1913. g. Kalifornija, 57°C,•1942. g. Izrael, 54°C•1956. g. Antarktika, 14°C.!!!

•Duže noći•duže trajanje radijacijskog hlađenja

•utjecaj na vegetaciju

•Mraz ili zaleđivanje drveća-može uzrokovati lomljenje grana

Temperatura zraka

12

Temperaturu zraka određuje:1) geog. širina2) raspodjela kopnene i vodene površine3) Morske struje;veliki izvori topline zbog velikog toplinskog kapaciteta4) Nadmorska visina; gradovi na većim visinama imaju nižu temp. nego oni na nižim

•Najveća varijabilnost u dnevnom hodu temperature je pri tlu (za vedra vremena)

•Srednja dnevna T < 15°C u 3 uzastopna dana predstavlja prag za rad toplana u Zagrebu

•Tmin i Tmax-> razlika može biti i do 30 °C

1)dnevna amplituda = Tmax-Tmin2)srednja dnevna temperatura=srednjak satnih mjerenja T

•Važne veličine

•Na dnevnoj skali

•Na godišnjoj skali •Srednje mjesečne

temperature za svaki mjesec-obično Tmin = T(siječanj) i Tmax =T(srpanj) nad kopnom •Poznavanje dana s

određenim T pragom bilo za grijanje bilo za hlađenje daje procjenu potrošnje za energijom.

•Temperature zraka (ili tla)•mjerimo termometrima

1)godišnja amplituda = razlika srednjih mjesečnih T (najtoplijeg i najhladnijeg mjeseca)2)srednja godišnja temperatura=srednjak 12 srednjih mjesečnih T

„Canopy layer”-Natkriti sloj-utjecaj na temperaturu prizemnog sloja atmosfere

•Canopy layer-može biti i 30 m iznad tla, sastoji se od preklapajućih grana i lišća

stabala npr. šume.

•Usporedba dnevnog temperaturnoghoda za 4 kombinacije vegetacije i tla(a)= trava & treset (σf=0.85)(b)= trava & pješčana podloga (σf=0.75)(c)= drveće& pješčana glina (σf=0.90)(d)= drveće& pješčana ilovača (σf=0.90)

•Tf=temp. lišća (______)•Taf=temp. natkritog sloja (…………..)•TG=temp. tla (------)

14

•Urbani toplinski otok

Urbani toplinski otok:

1) Najniži urbani sloj (ispod krovova kuća) pojačano apsorbira kratkovalno zračenjeSunca zbog smanjenog albeda

2) Smanjeno je dugovalno zračenje s uličnih kanjona3) Postojanje onečišćujućih tvari vodi prema povećanju atmosferskog protuzračenja4) Dnevne zalihe topline su veće zbog velikih toplinski kapaciteta gradskih materijala5) Dodana je antropogena toplina (iz prometa i industrije, grijanje kuća i zgrada)6) Smanjena je evaporacija pa stoga i tok latentne topline zbog smanjene vegetacije7) Urbana morfologija značajno djeluje na strujanje u gradovima

⇒ termalni inducirani lokalni vjetar na marginama većih gradova.

Temperatura zraka-pod utjecajem modificirane površine

Temperatura zraka & toplinski udar

15

•„heatstroke”-toplinski udar-posebno izražen u urbanim mjestima

•-velika količina vlažnosti (uz visoku temperaturu) u zraku smanjuje znojenje->slabije hlađenje organizma->povećava se temp. organizma.

•Gubitkom vode iz organizma, može doći do pojave grčeva, glavobolja, malaksalosti, nesvjestice… Povisivanjem temp. org. > 41°C dolazi do toplotnog udara- sa smrću kao konačnim ishodom

•HI (heat indeks)-kombinira T i rh

•T>38°C i rh>60% - uvjeti za pojavu toplotnog udara

•!!!Heat waves:-> u Čikagu, 1995; 48°C i 40%•Mnogo umrlih u vozilima gdje T > 87°C-> u Francuskoj, 2003.!!!