Légköri sugárzásátvitel: rövid- és hosszúhullámú sugárzási energiamérleg.

1. Légköri sugárzásátvitel: rövid- és hosszúhullámú sugárzási energiamérleg. Molnár Ágnes Föld- és Környezettudományi Tanszék Veszprémi Egyetem

2. 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 energiaAtomok és molekulák átlagos sebességének mértéke

3. 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

4. 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 Hőmérséklet-csökkenéskor ugyanennyi energia nyerhető Energiatároló képesség

5. 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

7. 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

8. 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:

9. Planck törvény h: Planck állandó (6,63·103 Js) c: fénysebesség : hullámhossz 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 Fekete test sugárzás: maximális kisugárzott energia. Ténylegesen kisugárzott energia függ még az anyagi minőségtől is. Fekete test sugárzás nem feltétlenül fekete színű anyag!!

10. 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. Wien-törvény: max: maximális energiakibocsátás hullámhossza

11. 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.

12. Elektromágneses spektrum

13. Látható tartomány

14. Sugárzási mérleg • Földre érkező és onnan távozó sugárzási energia különbsége. • Honnan származnak, mi a forrásuk? • Hogyan jellemezhetők (, E)?

15. Energiaforrások • Nap • Mennyi energiát kap a Föld? • Föld • Mennyi energiát sugároz ki a Föld?

16. 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?

17. 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

18. Energiaforrás: Nap • Rövidhullámú sugárzás (max= 0,5 m) • A légkör tetejére átlagosan 343 Wm-2 • Mi történik napsugárzással?

19. 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

22. Rövidhullámú sugárzási mérleg • Kb. 30%-t Föld-légkör rendszer visszaver planetáris albedó • Kb. 50% eléri a felszínt • Kb. 20% elnyelődik a légkörben

23. Energiaforrás: a Föld • Felszíni átlaghőmérséklet 15 ºC • max=? • 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?

24. 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?

25. 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

26. Légköri gázok elnyelési sávjai

27. 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.

28. 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!

29. Hosszúhullámú sugárzási mérleg

30. Föld-légkör rendszer sugárzási mérlege

31. 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.

32. 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%

33. Lokális sugárzási mérleg Beérkező • 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 Emittált Abszorbeált

34. Lokális sugárzási mérleg Légköri és óceáni cirkulációs rendszerek „trópusi” energiát szállítanak a pólusok felé

35. A hőmérséklet évszakos változása • A beérkező energia mennyisége elsősorban függ: • Nappalok hossza (forgástengely dőlése!) • Földrajzi szélesség • Föld-légkör rendszer albedója

36. 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

37. A hőmérséklet napi változása

38. A hőmérséklet napi változása

39. A hőmérséklet napi változása

40. Mennyire hűl le a hőmérséklet éjjel? - 3,9 ºC 1,7 ºC 7,2 ºC

41. 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