Molnár Ágnes Föld- és Környezettudományi Tanszék Veszprémi Egyetem 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

A hő különböző hőmérsékletű tárgyak közötti energiacsere. Formái: 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 hő újra megjelenése: szenzibilis (érezhető, mérhető) hő: 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:

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!!

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

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 Föld Mennyi energiát kap a 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 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?

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 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

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

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