meteorologia w2.doc

(183 KB) Pobierz

WYKŁAD 2 24.04.2007

Promieniowanie słoneczne i wymiana energii na planecie.

Ekliptyka – droga pozornego ruchu Słońca wokół Ziemi

23,5° – kąt nachylenia osi świata do równika

90° - φ 90° - φ + 23,5° 90° - φ - 23,5°

Położenie Ziemi w ciągu roku względem padających prostopadle promieni słonecznych.

φ – szerokość geograficzna

150mln km – odległość Słońca od Ziemi

8,38min – czas biegu promieni słonecznych do Ziemi

15°/h – prędkość kątowa Ziemi

15° - średnia temperatura na Ziemi

Ciepło jest jednym z efektów pojawiania się energii. Nie można jej zmierzyć metodami bezpośrednimi. Oblicza się ją jako pracę wykonaną w przemianach odwracalnych prowadzących do stanu równowagi termodynamicznej rozpatrywanej materii z powszechnymi składnikami otaczającej przyrody.

Energia to skalarna wielkość fizyczna spełniająca ściśle określone prawo zachowania, służąca do ilościowego określenia różnych procesów i rodzajów oddziaływania.

Przez promieniowanie najogólniej rozumie się wysyłanie energii w postaci strumieni cząstek przez układ materialny, a także sam efekt emisji.

Formy dostarczania energii:

· przewodnictwo

- cieplne

- elektryczne

W meteorologii rozpatrywane jest głównie w aspekcie możliwości przekazywania energii słonecznej do Ziemi, czyli jako przewodnictwo cieplne.

Przewodnictwo cieplne jest to zjawisko wzajemnego przebiegu energii wewnętrznej przez bezpośredni styk cząsteczek bez istotnej zmiany ich położenia i występuje wyłącznie, kiedy mamy do czynienia z gradientem (różnicą) temperatury w ośrodku materialnym.

· konwekcja = unoszenie ciepła

Zjawisko przenoszenia ciepła w skutek ruchu cząsteczek płynu. Konwekcja jest głównym mechanizmem procesu przejmowania ciepła.

- wymuszona (przy pomocy pomp, czy wiatraków)

- swobodna = naturalna (związana z różnicą gęstości powstałą na skutek różnicy temperatur)

· promieniowanie słoneczne

specyficzna forma przekazywania energii w postaci fal elektromagnetycznych, które noszą nazwę teledetekcji, bez udziału środowiska materialnego.

W meteorologii promieniowanie słoneczne rozumiane jest jako strumień energii promienistej Słońca skierowany ku powierzchni Ziemi, gdzie energia ta w głównej mierze przekształca się w energię cieplną.

Cechami fizycznymi promieniowania są:

λ – długość fali [μm, m, A]; 1μm (mikrometr) = 10-6m; 1A (Angstrem) = 10-10m

I – natężenie [cal/(cm2∙min), W/m2]

Najmniejsza porcja energii jest niepodzielna i wynosi h∙λ

h – współczynnik o wartości 6,63∙10-34 J∙s, zwany stałą Plancka

Promieniowanie krótkofalowe Słońca 0,1÷4,0μm ok. 99%:

- promieniowanie nadfioletowe (NF) 0,1 < λ < 0,4 8%

- promieniowanie widzialne (W) 0,4 < λ < 0,76 45%

- promieniowanie podczerwone (PC) λ > 0,76 46%

Ciało absolutnie czarne (czarna dziura) absorbuje całkowicie padające na nią energię promienistą niezależnie od kierunku i długości fali. Współczynnik emisyjności i współczynnik absorpcyjności tego ciała równy jest zero.

Ciało doskonale białe (doskonałe zwierciadło) całkowicie odbija padającą na nie energię promienistą (nic nie pochłania i nic nie przepuszcza).

Gęstość energii promienistej – ilość energii przenoszona przez promieniowanie na jednostkę objętości ośrodka [J/m3]

Natężenie promieniowania – moc promieniowania emitowanego ze źródła punktowego, wewnątrz jednostkowego kąta bryłowego w kierunku przechodzącym przez środek tego kąta. Jednostką jest wat na steradian [W/sr]

Strumień promieniowania – moc promieniowania emitowana (przechodząca lub otrzymywana) przez jednostkę powierzchni w kierunku przestrzeni obejmujących całą półkulę [W/m2]

Emisyjność ciała – gęstość strumienia energii promieniowania emitowanej z powierzchni jednostkowej [W/m2]

Nasłonecznienie – gęstość strumienia energii promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię jednostkową [W/m2]

Zdolność absorpcyjna = współczynnik absorpcji – ułamek pochłanianej przez ośrodek ilości energii promieniowania dochodzącego do tego ośrodka.

Współczynnik przezroczystości – ułamek przechodzącej przez ośrodek ilości energii promieniowania, dochodzącego do tego ośrodka.

Albedo – ułamek odbijającej ilości promieniowania słonecznego padającego na daną powierzchnię. Bywa obliczane w procentach.

Współczynniki te zmieniają się od 0 do 1. Zależą one od rodzaju ośrodka, od jego stanu fizycznego, a także od długości fali promieniowania padającego. Dlatego mówimy o selektywnych właściwościach ciał dotyczących absorpcji, przezroczystości, rozpraszania promieniowania.

Prawo Plancka:

λ – długość fali

RE – gęstość strumienia energii promienistej

h – stała Plancka

k – stała Boltzmana 1,3807∙10-23J/K

c – prędkość światła w próżni 2,998∙108m/s

T – temperatura

Ostatecznie:

Prawa Wiena:

λmax – długość fali, przy której następuje maksymalne wypromieniowanie

c = 2,8978 ∙ 10-3 m∙K = 0,2897 cm∙K

T – temperatura powierzchni promieniującej

Jeżeli przyjmiemy, że:

Stała Wiena = 3000μm, to:

λmax Słońca = - krótkofalowe

λmax Ziemi = - długofalowe

Prawo Stefana-Boltzmana:

σ = 5,67∙10-8 W/(m2∙K4) stała Stefana-Boltzmana

Ilość energii wypromieniowanej przez jednostkę ciała doskonale czarnego jest wprost proporcjonalna do czwartej potęgi temperatury bezwzględnej.

Prawo Kirchhoffa:

Eλ,t – zdolność emisyjna ciała

Aλ,t – zdolność absorpcyjna ciała

Cλ,T – zdolność emisyjna ciała doskonale czarnego

Jeżeli ciało emituje promieniowanie o dużej długości fali przy danej temperaturze, to absorbuje ono promieniowanie przy tej samej długości fali i tej samej temperaturze.

Stała słoneczna to gęstość strumienia energii promieniowania słonecznego (natężenia promieniowania), docierająca od Słońca do powierzchni prostopadłej (względem promieni Słonecznych), leżącej na górnej granicy atmosfery – podczas średniej odległości Słońca od Ziemi.

Obecnie w obowiązujących jednostkach wielkość ta wynosi 1325÷1396W/m2.

Najczęściej podawana jest wartość 1380W/m2.

Rodzaje promieniowania:

· bezpośrednie = insolacja – ta część energii promienistej, która przez atmosferę dociera do powierzchni Ziemi bezpośrednio od Słońca pod postacią promieni równoległych. Mamy z nim do czynienia, kiedy jest widoczna tarcza słoneczna. Największa insolacja występuje późną wiosną i wynosi 1,6 w okolicach zwrotnika i 1,52 na 40˚ szerokości geograficznej.

· rozproszone – ta część promieniowania, która ulega odchyleniu, załamaniu, ugięciu w niejednorodnym optycznie środowisku, jakim jest atmosfera. Największe jest w okresie zimowym.

· całkowite – suma promieniowania bezpośredniego i rozproszonego.

· pochłonięte – różnica pomiędzy promieniowaniem całkowitym a odbitym. Pochłanianie powoduje zmianę jakościową energii słonecznej. Dzięki temu jej część przekształca się w energię cieplną.

· albedo – stosunek promieniowania odbitego do padającego na daną powierzchnię. Śnieg daje nam najwyższe albedo. Im Słońce jest wyżej, tym albedo wody jest mniejsze. 2 (południe) ÷ 60% (zachód Słońca).

· albedo Ziemi – stosunek promieniowania odbitego w przestrzeń międzyplanetarną do otrzymanego przez Ziemię. Wynosi około 40%.

· promieniowanie powierzchni Ziemi = wypromieniowanie – oddawanie otoczeniu części energii uzyskanej do Słońca po przetworzeniu jej w długofalową energię cieplną.

· promieniowanie zwrotne atmosfery – energia wypromieniowana przez atmosferę w kierunku Ziemi.

· efektywne – różnica między własnym promieniowaniem Ziemi i zwrotnym promieniowaniem atmosfery. Bilans promieniowania Ziemi jest to różnica pomiędzy przychodem i rozchodem ciepła drogą promieniowania.

Usłonecznienie – czas trwania promieniowania słonecznego. Rocznie wynosi około 1000÷1500h, średnio 6h/dobę, z czego na lato przypada do 9h, a na zimę do 2h.

Wpływ na osłabienie promieniowania po przejściu do atmosfery mają: