Légköri sugárzásátvitel: rövid- és hosszúhullámú sugárzási

energiamérleg.Molnár Ágnes

Föld- és Környezettudományi Tanszék

Veszprémi Egyetem

• Energia: az anyag bármely formáján végzett munka– Mértékegysége Joule (Nm)

• Összes (belső) energia = potenciális (helyzeti) energia + kinetikus (mozgás) energia

• Potenciális energia– Tó, víztározó összes energiáját helyzete határozza meg– Magasban lévő levegő helyzeti energiája nagyobb, mint a

talaj közelében. • Kinetikus energia

– Minden mozgó anyag rendelkezik vele– Függ a sebességtől – Atomok/molekulák kinetikus energiája: hőenergia

• Levegő hőmérséklete = átlagos kinetikus energia Atomok és molekulák átlagos sebességének mértéke

• Energiamegmaradás elve a Termodinamika első főtétele: energia nem keletkezik, nem szűnik meg, csak átalakul.– Fizikai, kémiai folyamatokban– Energiaveszteség egyúttal nyereség más

anyag számára

• A hő különböző hőmérsékletű tárgyak közötti energiacsere. Formái:– Vezetés– Konvekció– sugárzás

• Specifikus hő: anyag hőmérsékletének 1oC-os megváltoztatásához szükséges hőenergia.– Hőkapacitás: elnyelt

energia és az emiatt bekövetkező hőmérséklet-emelkedés aránya

– Egységnyi tömegű anyag hőkapacitása = specifikus hő

– Különböző anyagokra más

anyag J g-1 oC-1

Víz 4,186

Jég 2, 093

Homokos mészkő

1,381

Levegő (száraz

1,005

Kvarc 0,795

Hőmérséklet-csökkenéskor ugyanennyi energia nyerhető

Energiatároló képesség

• Látens (rejtett) hő: az anyag állapotváltozásához (fázisváltásához) szükséges, vagy akkor felszabaduló hőenergia– Olvadás, szublimáció, párolgás

• energiaközlés a molekulákkal – gyorsabban mozognak – folyadékot, szilárd fázist könnyebben elhagyják.

• Hűtő folyamat• Az energiát „elrejti” a molekula

• Látens hő újra megjelenése: szenzibilis (érezhető, mérhető) hő: – Kondenzáció, depozíció, fagyás

• Melegítő folyamat• Gőzmolekulák folyadékfázisba alakulásakor felszabaduló hő

• Kondenzációs, párolgási, olvadási, fagyási, szublimálási, depozíciós (látens) hő

Energiaátvitel módjai a légkörben

• Vezetés: levegő rossz hővezető• Konvekció: „energiaszállítás” áramlás

segítségével – levegőben szokásos– lehet függőleges (konvekció) és – Horizontális (advekció) – Nagy jelentőségű (lásd még pl. általános

légkörzés, felhőképződés)

• Sugárzás

Energiaátvitel módjai a légkörben folyt.

• Sugárzási energia:– Elektromágneses hullám

• A terjedéshez nincs szükség molekulákra • Vákuumban 300 000 km s-1

• Hullám- és részecske-természet (hullámhossz, fotonok energiája): Planck törvény

• Minden anyag (test) sugárzást bocsát ki– Az energia függ a hőmérsékletétől: Stefan-Boltzmann

törvény:

4TE Stefan-Boltzmann törvény: egységnyi idő alatt, egységnyi felületű, T hőmérsékletű test által kisugárzott maximális energia-mennyiség (fekete test) arányos a hőmérséklet negyedik hatványával

:5,67 ·10-8 Wm-2K-4

Planck törvény

h: Planck állandó (6,63·103 Js)

c: fénysebesség

: hullámhossz

ch

E

Fekete test sugárzás: maximális kisugárzott energia. Ténylegesen kisugárzott energia függ még az anyagi minőségtől is. Fekete test sugárzás nem feltétlenül fekete színű anyag!!

Wien-törvény:

max: maximális energiakibocsátás

hullámhossza T2880

max

Kirchoff-törvény: Bármely közeg, vagy felszín által kibocsátott (emisszió) és elnyelt (abszorpció) sugárzás egyenlő.

•Abszorpció 0 -1 közötti érték = elnyelt energia és a közegre érkező sugárzási energia aránya. A = A(,T)

•A törvény következménye: emisszió is 0-1 közötti szám.

•Fekete test abszorpciója 1.

•Fekete test több sugárzást emittál, mint a vele azonos hőmérsékletű nem-fekete testek.

Sugárzástani alapfogalmak

• Sugárzási energia (J=Nm)• Sugárzási áram/teljesítmény/fényesség (W=Js-1)• Sugárzási áramsűrűség (Wm-2): felületegységre

érkező/távozó/áthaladó sugárzási teljesítmény.• Radiancia (Wm-2sr-1): egységnyi felületről,

egységnyi térszögbe kisugárzott (vagy egységnyi felület által, egységnyi térszögből kapott) sugárzási teljesítmény.

Elektromágneses spektrum

Látható tartomány

Sugárzási mérleg

• Földre érkező és onnan távozó sugárzási energia különbsége.

• Honnan származnak, mi a forrásuk?

• Hogyan jellemezhetők (, E)?

Energiaforrások

• Nap– Mennyi energiát kap a Föld?

• Föld– Mennyi energiát sugároz ki a Föld?

Egy kis csillagászat

• Nap-Föld 150 millió km• Elliptikus pálya (jan.3. 147; júl.3. 152 millió km;

különbség 6%)• 365 nap, 24 óra• Forgástengely dőlése 23,5º• Nyári és téli napforduló, tavaszi és őszi

napéjegyenlőség• É-i félteke júniusban (decemberben) kapja a

legtöbb (legkevesebb) energiát.• Kérdés: miért nem ezek a legmelegebb és

leghidegebb hónapok?

Energiaforrás: Nap

• Nap fotoszférája T=5780 K max=?• Kibocsátott sugárzási energia =?

(fotoszféra sugara 6,96 ·108 m)• Nap-Föld távolság: 1,5·1011m =15

millió km (d távolságra az áramsűrűség ~ fényesség / d sugarú gömb felülete, gömbszimmetria, homogenitás)

• Napállandó: 1370 Wm-2 (Föld keresztmetszetére)

• Föld felületére (légkör külső határa) 343 Wm-2

Energiaforrás: Nap

• Rövidhullámú sugárzás (max= 0,5 m)

• A légkör tetejére átlagosan 343 Wm-2

• Mi történik napsugárzással?

Mi történik a napsugárzással?

• Külső határig semmi• Légkörben jelentős változás

– Gázok elnyelése (<100nm N2,H2; <200nm O2; =200-300nm O3 Hartley-sáv)

– Molekulák szórása (Rayleigh szórás d6/4; d<< , ég kék színe)

• Felszínre a 270-300 nm-nél nagyobb hullámhosszú sugárzás

• Más folyamatok– Aeroszol részecskék, felhők

visszaverik (szórják) a sugárzást

Rövidhullámú sugárzási mérleg

• Kb. 30%-t Föld-légkör rendszer visszaver planetáris albedó

• Kb. 50% eléri a felszínt

• Kb. 20% elnyelődik a légkörben

Energiaforrás: a Föld

• Felszíni átlaghőmérséklet 15 ºCmax=?

• Kibocsátott sugárzási energia =? (Föld sugara 6370 km)

• Hogy viszonyul ez a szám a beérkező energia mennyiségéhez?

• Ha a Föld állandóan sugároz, miért nem hűl folyamatosan?

Energiaforrás: a Föld

• Föld hosszúhullámú sugárzást bocsát ki, max= 10 m

• A Föld átlaghőmérséklete nem változik, tehát egyensúlyban van.

• A beérkező és távozó energiamennyiség egyenlő.

• Miért van a különbség?• A Föld egyensúlyi (= légkör nélküli)

hőmérséklete mennyi?

Energiaforrás: a Föld

• Te = 255 K = -18ºC

• Különbség oka az üvegházhatás• Légkör elnyeli és kibocsátja az IR-t

– Szelektív elnyelők nem minden -n abszorbeálnak (pl. üveg)

– Szelektív elnyelők szelektív kibocsátók (Kirchoff-törvény)

• Hó IR-ben jó, VIS-ben rossz (fák törzse körül hamarabb elolvad a hó)

• Bizonyos gázok (pl. CO2, CH4, H2O, O3) IR-ben nagyon jók

Légköri gázok elnyelési sávjai

Energiaforrás: a Föld

• Gázok elnyelik IR-t és minden irányban kisugározzák, a felszín felé is. A felszín elnyeli, melegszik, újra kisugározza, melegíti az alsóbb légréteget. A gázok újra elnyelik, stb.

Energiaforrás: a Föld

• A talajközeli levegő melegebb, mintha ezek nem lennének.

• Föld sugárzási spektrumában olyan sávok, ahol a gázok nem nyelnek el: légköri ablak 8-11 m!

Hosszúhullámú sugárzási mérleg

Föld-légkör rendszer sugárzási mérlege

Föld-légkör rendszer sugárzási mérlege

• A rendszer energiaegyensúlyban van, a sugárzási mérleg = 0.

• A Föld-légkör rendszerbe érkező (albedót figyelembe véve) és azt elhagyó energia 240 Wm-2.

• A felszín energia-mérlege pozitív (+103 Wm-2)• A légköré negatív (-103 Wm-2)• Mindez a Föld egészére, átlagosan áll fönn,

lokális léptékben nem.

Lokális sugárzási mérleg

• Beérkező sugárzási áram és albedó változik szerint

• 100-400 Wm-2 az abszorbeált energia (beérkező-albedó)

• Emittált: sokkal kisebb változékonyság. Oka: hőtranszport

• Albedó: hó 75-90%; felhő 40-80%; tengeri jég 30-40%; homok 20-45%; talaj 5-35%; erdő 5-20%

Lokális sugárzási mérleg

• Évi átlag– Beérkező: Rák- és

Baktérítő: maximum (beesési szög ~90º) pólusok: minimum

– Albedó: nagy: hó és jég sok és hosszú ideig megmarad közepes: sok felhő

– Emittált: sokkal kisebb különbségek.

– Helyenként E>A hőtranszport

Beérkező

AbszorbeáltEmittált

Légköri és óceáni cirkulációs rendszerek „trópusi” energiát szállítanak a pólusok felé

Lokális sugárzási mérleg

A hőmérséklet évszakos változása

• A beérkező energia mennyisége elsősorban függ:– Nappalok hossza

(forgástengely dőlése!)– Földrajzi szélesség– Föld-légkör rendszer

albedója

A hőmérséklet napi változása

• Rövidhullámú (nap-) sugárzás csak nappal

• Hosszúhullámú (földi) sugárzás egész nap

• Ebe<Eki: hőmérséklet csökken

• Ebe>Eki: hőmérséklet nő

• Hajnal: Ebe=Eki hőmérsékleti minimum

• Délután: Ebe=Eki hőmérsékleti maximum

A hőmérséklet napi változása

A hőmérséklet napi változása

A hőmérséklet napi változása

Mennyire hűl le a hőmérséklet éjjel?

- 3,9 ºC 1,7 ºC 7,2 ºC

A hőmérséklet mérése

• A hőmérséklet növekedésekor a testek kiterjednek

• Az elektromos ellenállás növekszik a hőmérséklet növekedésével

• Testek hőmérsékleti sugárzása

• Hőmérőtípusok:– Folyadékhőmérők– Bimetál hőmérők– Ellenállás hőmérők– Infravörös sugárzás