Energijska bilanca Zemlje

Osnove meteorologije november 2017

Spekter elektromagnetnega sevanja

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 = 1A⋅ΔEΔt

P ⋅A = ΔEΔt

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

Osnovni fizikalni zakoni, ki se uporabljajo za opis sevanja

[ ] λλλ λλ dehcdTP 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=⋅TλcW - 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 = ε ⋅σ ⋅T 4Za sivo telo: ε – emisivnost ali sposobnost oddajanja

Gostota energijskega toka na vrhu ozračja na povprečni oddaljenosti od Sonca

Sonce seva pri ~5900 K,

Vidna (λ med 0,4 in 0,8 µm), UV (0,1-0,4 µm) in IR (0,8-4 µm) svetloba

So =Q

4πr2=1365 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=1365 Wm-2

Sonce seva pri ~6000 K,

Na vrhu ozračja:

~46% energije je med 0.4 in 0.8 µm (vidno sevanje),

~46% energije je med 0.8 in 4 µm (IR, infrardece sevanje),

~7% energije je med 0.1 in 0.4 µm (UV, ultravijolicno sevanje).

Kaj se dogaja 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 = εσT 4

= α koeficient refleksivnosti (odboja), ALBEDO

Albedo

Albedo pri tleh

Albedo is majhen za površino oceanov, (2-10)%,

Večji za kopno, posebej za puščave, (35-45)%,

Največji pa za območja ledu in pod snegom (80% in večji)

Albedo za različne površine

Največji albedo ima svež sneg in vrhovi globokih konvektivnih oblakov

Emisijska temperatura Zemlje

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

SW: kratkovalovno

LW: dolgovalovno

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) ~ 0.3 πRZ

2

4πRZ2 1−α( )So ≈ 240 Wm-2

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

(1)

σTe4 = 240 Wm-2

255=eT K Za emisivnost ε=1

Bilanca energije na vrhu ozračja

Letno povprečje

Vhodno sončno sevanje 340 W/m2

Absorbirano sončno sevanje 240 W/m2

Planetary albedo 0.30

Oddano sevanje Zemlje 240 W/m2

Emisijska temperatura Zemlje 255 K

Bilanca energije na vrhu ozračja Sončno sevanje Albedo

Sevanje Zemlje Bilanca

Vir: Barkstrom et al., 1989

Profil ravnovesne temperature

Za vsaj sloj mora veljati bilanca energije = 0

Kaj se zgodi s So na poti do tal?

Ocena energijske bilance Zemljina klimatskega sistema (v W/m2)

Značilna nezanesljivost ocene bilance ozračja in tleh zaradi nezadostnega števila opazovanj

Ocena energijske bilance Zemljina klimatskega sistema (v %)

Energijska bilanca pri tleh

( ) ↓↓ +−−= LWeSW PTPAP 41 εσTTT es Δ+=

K 288≈eT33=ΔT

K

0=−−−− ↓↑↑ MGLHSH PPPPPTok zaznavne toplote

Tok latentne toplote

Toplotni tok v globlje sloje

Energija, porabljena za taljenje snega, leda ali zmrzovanje vode

emisivnost ε=1

Bilanca energije na površini Zemlje

Povprečne vrednosti

Absorbirano sončno sevanje (SW) 176 W/m2

Dolgovalovno sevanje proti tlom (LW ) 312 W/m2

Dolgovalovno sevanje navzven (LW ) -385 W/m2

Totalno dolgovalovno sevanje (LW) -73 W/m2

Bilanca sevanja na površini (SW+LW) 103 W/m2

Poznamo jo le približno (napaka znaša kakšnih 20%)

Latentna toplota (LH) -79 W/m2

Zaznavna toplota (SH) -24 W/m2

Porazdelitev Soncnega sevanja pri tleh

Bilanca = +SW (sončno vhodno) –SW (odbito) +LW (IR, prejeto) –LW (IR, oddano)

Lokalna bilanca energije

Prenos energije v klimatskem sistemu

Totalna energija sistema je ohranjena

sevanje, kondukcija, konvekcija

Vloga tokov v ozračju in oceanih: transport Skupni transport energije skozi atmosfero in oceane proti poloma

Petawatt=1015 W

Bilanca energije in globalni tokovi

Vloga spodnjih robnih pogojev: T površine Temperatura površine morja januarja

Temperatura površine morja julija

Vloga spodnjih robnih pogojev: vlaga

Odvisnost es od temperature

Okoli 70% površine zemlje je “mokro”

Globalna porazdelitev es

Vloga spodnjih robnih pogojev: ostali faktorji

Nadmorska višina (orografija) Toplotna kapaciteta Hrapavost podlage Vegetacija Morski led Kopenski led

Povratni vplivi v klimatskem sistemu

Meddelovanje med oblaki in sevanjem