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.

Zračenje Zemljine površine i atmosfere

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

Zračenje Zemljine površine i atmosfere

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)

B=(1- α)S↓+Lo↓ -εσTs4

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

tla i protuzračenje atmosfere, Lo↓.

Zračenje Zemljine površine i atmosfere

4

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

Zračenje Zemljine površine i atmosfere

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

Zračenje Zemljine površine i atmosfere

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

Zračenje Zemljine površine i atmosfere

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 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 tla

2) Veličini čestica tla (može varirati od 1μm za glinu i do 100 μm za pijesak)

3) Kompaktnosti tla gledajući kroz poroznost i vlažnost tla

4) 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

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

stabala npr. šume.

•Usporedba dnevnog temperaturnog

hoda 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

Temperatura zraka

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.!!!

16

• Molekule plinova u zraku neprekidno se i nepravilno gibaju te stoga sa svih strana udaraju u predmete koji se dodiruju sa zrakom. Udarci su tako česti da djeluju kao neprekidna sila. Ta sila, podijeljena s površinom na koju okomito djeluje jest atmosferski tlak ili tlak zraka.

•U standardnoj atmosferi, tlak na razini mora iznosi 1013 hPa (1013 mb).

Atmosferski tlak

•najčešće pretpostavljamo da se atmosfera ponaša kao idealni plin⇒ plin male gustoće ⇒ sudaranje atoma ili molekula potpuno elastično, ⇒ prosječna udaljenost susjednih molekula ili atoma

puno veća od međučestičnih sila⇒ sva unutarnja energija u formi KE.

17

•Najčešće pretpostavljamo da se atmosfera (koja je smjesa plinova) ponaša kao idealan plin te promatramo čest zraka (masu zraka od 1 kg ili jediničnu masu) •Opisujemo je varijablama stanja termodinamičkim varijablama: tlak (p), temperatura (T), volumen (V), specifični volumen (α =V/m =1/ρ), gustoća (ρ)

•Za termodinamičke varijable vrijede zakoni:Daltonov zakon (tlak koji tlači smjesa plinova jednak je sumi parcijalnih

tlakova svih plinova):

Boylov zakon (1662. godine) (uz konstantnu m i T )

pV =konstantno

Charlesov zakon (ili Gay-Lussacov) (1787. godine) (uz konstantnu m i p )

V/T =konstantno

∑=

n

kkp

1

Plinska jednadžba za idealni plin

18

• Zakon do kojeg se dolazi kombinacijom druga dva zakona za konstantnu masu je:

pV/T=k

(gdje je k=konstanta proporcionalnosti)

Pri standardnim uvjetima

k=R* (univerzalna plinska konstanta)

Plinska jednadžba za idealni plin

19

Promatramo 1 kmol idealnog plina molekularne mase M

• volumen, temperatura i tlak plina Vm, T i p

⇒ specifični volumen plina α = Vm / M

⇒ volumen plina Vm = α M

⇒za 1 kmol plina vrijedi jednadžba

pα M = R* T

gdje je R* univerzalna plinska konstanta

Plinska jednadžba za idealni plin

20

⇒ jednadžba stanja idealnog plina (za suhi zrak)

pα = (R*/ M) T = �� T

�� = R*/M specifična plinska konstanta idealnog plina(J kg-1 K-1).

�� za (suhi) zrak iznosi 287 J(kg K)-1

p ~ ρ i T

Plinska jednadžba za idealni plin

pα = �� T

p = ρ�� T

21

odbojna sila

privlačna sila

Plinska jednadžba za realni plin

•Realni plin ima veću gustoću od idealnog plina, pa time njegovo ponašanje odstupa od idealnog•Zbog veće gustoće, prosječna udaljenost susjednih molekula ili atoma u realnom plinu dovoljno je mala da potencijalna energija (PE) bitno utječe na ponašanje plina•Radijus udaljenosti čestica za koji je PE =0, naziva se van der Waalsov radijus. Ako je udaljenost među česticama manja od van der Waalsovog radijusa (plin je dovoljno gust), PE je pozitivna, pa se čestice međusobno odbijaju. •Ako je udaljenost među česticama veća od van der Waalsovogradijusa, čestice se međusobno privlače.van der

Waalsovradijus

22

Plinska jednadžba za realni plin

•Stanje realnog plina moramo opisati jednadžbom kompliciranijom od jednadžbe stanja idealnog plina.

•Takva jednadžba mora obuhvatiti i privlačenje i odbijanje molekula ili atoma plina.

•Postoji više jednadžbi od kojih se najčešće upotrebljava van der Waalsova jednadžba (po nizozemskom znanstveniku Johannes Diderik van der Waals (1837-1923) koji je zbog svog doprinosa vezanog uz jednadžbu stanja plinova i tekućina 1910. godine dobio Nobelovu nagradu iz fizike).

23

(p+an2/V2)(V-nb) = nR*T

a, b – van der Waalsove konstantep – tlak,T – temperaturaV – volumen n – broj kmola plina

Plinska jednadžba za realni plinvan der Waalsova jednadžba

24

Plinska jednadžba za realni plin; van der Waalsova jed.

Budući da je van der Waalsova jednadžba jednadžba trećeg stupnja u volumenu, izotermesu krivulje trećeg stupnja (jednoj vrijednosti tlaka pripadaju tri vrijednosti volumena)

Unutar osjenčanog područja imaju oblik poput onog prikazanog za temperaturu T zelenom krivuljom.

Od A ⇒ B tlak raste pri porastu volumena.Posljedica formule, a ne odgovara fizikalnoj realnosti (pV=konst).

Stvarne izoterme unutar osjenčanog područja imaju takav oblik dapri porastu volumena ⇒ tlak = konstantan, (crne pune linije).

Kritična točka (Vc,pc) na izotemi Tc je točka infleksije.

(V,p) dijagram

23

•Za temperature više od kritične van der Waalsova jednadžba dobro opisuje ponašanje realnog plina.

•Kako su Tc nekih atmosferskih sastojaka daleko niže od atmosferskih temperatura, ponašanje atmosfere sasvim dobro opisuje i jednadžba stanja idealnog plina, koja je od jednadžbe realnog plina jednostavnija.

•Stoga se u meteorologiji umjesto jednadžbe stanja realnog plina koristi jednadžba stanja idealnog plina.

Plinska jednadžba za realni plin; van der Waalsova jed.

26

• Tlak opada visinom isprva naglo, a zatim sve sporije

Za stupac zraka jediničnog presjeka dvije sile moraju biti u ravnoteži: sila teža i vertikalna komponenta sile gradijenta tlaka

•Iz te ravnoteže proizlazi jednadžba hidrostatičke ravnoteže:

•To je diferencijalna jednadžba koja pokazuje opadanje tlaka visinom. Posljedica ravnoteže dviju sila su mala vertikalna gibanja bez vertikalne akceleracije istih

•Iz hidrostatičke ravnoteže možemo procijeniti visine izobarnih ploha:

Atmosferski tlak

gz

p ρ−=∂∂

•�� � �� �∙ �

���

��

��

27

� Takva se redukcija radi kad se uspoređuju s više meteoroloških postaja

� Prizemno polje tlaka je raspodjela atmosferskog tlaka svedenog na nadmorsku visinu od 0 m.

� Prikazujemo ga izobarama (linije istog tlaka, p=konstantno) (svakih 5 hPa)

� Neki karakteristični oblici izobara imaju posebna imena: ciklona, anticiklona, dolina, greben itd.

Atmosferski tlak

� Visinom tlak se mijenja (pri temp., T = 0°C, tlak se smanji za 1 hPa za dz =8 m-barometarska stopa)

� Potrebno je svesti barometarske podatke (svedene na 0°C) još i na srednju razinu mora.

•��� � � ∙ exp���

�∙ �

28

•Ako na nekom horizontalnom nivou atmosfere tlak nije uravnotežen, javlja se sila horizontalnog gradijenta tlaka( )koja pokreće zrak iz područja većeg tlaka u područje manjeg tlaka ⇒ glavna pokretačka sila gibanja u atmosferi je sila ( )

•Važno poznavanje horizontalne raspodjele tlaka (iscrtavan izobarama za normalizirani tlak na npr. NN)

Atmosferski tlak

pH∇−

pH∇−

29

Oblici u polju tlaka

anticiklona

ciklona

ciklona

dolina

greben

Prizemna sinoptička karta

30

Ista sinoptička situacija u visini

Visinska sinoptička karta

greben visokog tlaka

dolina niskog tlaka

31

•Izobarna ploha je ploha na kojoj je tlak konstantan (p=konst)

•U meteorologiji je prema međunarodnom dogovoru uobičajeno prikazivati i analizirati stanje atmosfere na standardnim izobarnim plohama: 1000, 925, 850, 700, 500, 300, 250, 200, 100, 50, 30 i 10 hPa.

Tlak (hPa)

Prosje čna visina (km)

Napomena

1000 0

925 0.8 nije obavezna

850 1.5

700 3.5

500 5.5približno u visini

polovice troposfere

300 11-12približno na granici

tropopauze

Standardne izobarne plohe u donjoj atmosferi i njihova prosječna nadmorska visina u umjerenim zemljopisnim širinama.

Visinskim radiosondažama na tim plohama se mjere�tlak, �temperatura, �temperatura rosišta �smjer i brzina horizontalnog vjetra.