Energijska bilanca
E=Ei+Ep+Ek+Elh
notranja energija potencialna energija
kinetična energija
energija zaradi sproščanja latentne toplote
Totalna energija sistema je ohranjena
Prenosi energije v klimatskem sistemu
Totalna energija sistema je ohranjena
sevanje, kondukcija, konvekcija
Prvi zakon termodinamike
dQ=mCvT+pdα
dQ=mCpT-Vdp
notranja energija
opravljeno delo
izmenjena toplota
dtdp
dtdTC
dtdQ
m p α−=1
dtdQ
mCdtdp
CdtdT
pp
1−=
α
toplota sprememba višine
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 = 1S!"E"t
P !S = "E"t
gostota energijskega toka sevanja (v enotah J/sm2 = W/m2) energijski tok (v enotah W = J/s )
Spekter elektromagnetnega sevanja
Osnovni fizikalni zakoni, ki se uporabljajo za opis sevanja
[ ] λλλ λλ d
ehcdTP 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=⋅Tλ
cW - 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 = ! !" !T 4Za sivo telo: ε – emisivnost ali sposobnost oddajanja
Gostota energijskega toka na vrhu ozračja na povprečni oddaljenosti od Sonca
Sonce seva pri ~5800 K,
Vidna (λ med 0,4 in 0,75 µm), IR (0,2-0,4 µm) in UV (0,4-24 µm) svetloba
So =Q
4!r2 =1367 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=1367 Wm-2
Sonce seva pri ~6000 K,
Na vrhu ozračja:
~46% energije je med 0.4 in 0.75 µm (vidno sevanje),
~46% energije je med 0.75 in 24 µm (IR, infrardece sevanje),
~7% energije je med 0.2 in 0.4 µm (UV, ultravijolicno sevanje).
Kaj se zgodi 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 = !"T 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)
Kaj se zgodi s So na poti do tal?
Profil ravnovesne temperature
Porazdelitev Soncnega sevanja pri tleh
Ocena energijske bilance Zemljina klimatskega sistema (v W/m2)
Ocena energijske bilance Zemljina klimatskega sistema (v %)
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, v povprečju 0.3 ( ) 23814 2
2
=− oZ
Z SRR
αππ
Wm-2
Za Zemljo kot črno telo, ravnovesna temperatura za (1):
(1)
2384 =eTσ Wm-2
255=eT K
emisivnost ε=1
Energijska bilanca pri tleh
( ) ↓↓ +−−= LWeSW PTPAP 41 εσ
TTT es Δ+=
K
288≈eT33=ΔT
K
0=−−−− ↓↑↑MGLHSH PPPPP
Tok zaznavne toplote
Tok latentne toplote
Toplotni tok v globlje sloje
Energija, porabljena za taljenje snega, leda ali zmrzovanje vode
emisivnost ε=1
Lokalne spremembe T zaradi sevanja
Bilanca F =
+SW (soncno vhodno) –SW (odbito) +LW (IR) –LW (IR)
Lokalna bilanca energije
Energija in globalni tokovi
Povratni vplivi v klimatskem sistemu
Meddelovanje med oblaki in sevanjem