wtorek, 12 lipca 2016

Temperatura w atmosferze - bilans cieplny i albedo

Głównym źródłem ciepła i światła na Ziemi jest oczywiście Słońce. Jednak to co do nas dochodzi to jedynie część przefiltrowana przez poszczególne warstwy atmosfery.

Promieniowanie słoneczne


Słońce wysyła w kosmos różne rodzaje energii :

  • promieniowanie elektromagnetyczne
    • widzialne - światło widoczne ludzkim okiem
    • długofalowe - ciepło
    • podczerwone
    • nadfioletowe
    • krótkofalowe
    • mikrofalowe
    • rentgenowskie
  • promieniowanie korpuskularne
Do tego dochodzi fakt, że promieniowanie może zostać na przykład odbite albo pochłonięte przez chmury.



Bilans promieniowania


Przy rozpatrywaniu bilansu promieniowania bierzemy pod uwagę krótko- i długofalowe.

Przy założeniu, że przez górną granicę atmosfery przechodzi + 100 % promieniowania krótkofalowego wędruje ono następująco:

  • -17% jest pochłaniane przez atmosferę
  • 18% jest rozpraszane w atmosferze, w tym
    • 11% dociera do powierzchni
    • -7% jest odbijane od cząsteczek powietrza z powrotem
  • -24% jest odbijane od górnej strony chmur
  • -4% odbija się od gruntu
  • 37% dociera do Ziemi
czyli sumujemy: 100-17-7-24-4 = +48 dociera do powierzchni planety
i sprawdzamy: 11+37 = +48, czyli się zgadza :)

Teraz weźmy pod lupę promieniowanie długofalowe:
  • bilans gruntu: 
    • -114% ciepła jest oddawane przez podłoże
    • -30 % oddawane poprzez parę wodną i ruchy powietrza
    • +96% wynosi promieniowanie zwrotne atmosfery
  • bilans atmosfery
    • +30% oddane przez parę wodną i powietrze
    • +109% ciepło z podłoża
    • -96% promieniowania zwrotnego
  • bilans powyżej atmosfery
    • -5% ciepło z gruntu, które przechodzi przez atmosferę
    • -60% ciepło wypromieniowane przez atmosferę
I liczymy czy się zgadza:
grunt: -114-30+96 = -48 => jest to te 48, które promieniowanie krótkofalowe "ugrzało" glebę
atmosfera: +30+109-96 = 43 => tutaj do rachunku brakuje 5%, które przechodzi przez atmosferę i ucieka w kosmos
powyżej atmosfery: -5-60 = -65

ogólna ucieczka promieniowania: -35-65 = -100

WNIOSKI
  • to co Słońce nam daje jest w 1/3 odbijane od chmur, atmosfery itp. 
  • prawie połowa promieniowania jest pochłaniana/absorbowana przez powierzchnię planety
  • w kosmos ucieka część ciepła
  • bilans jest w praktyce zaburzany przez m.in. efekt cieplarniany

Oczywiście należy też pamiętać, że natężenie promieniowania słonecznego i powierzchnia, na jaką oddziałuje zależy od kąta padania, a ten zależy od:
  • pory roku i odległości od równika. Stąd na równiku (kąt padania 90 stopni) jest gorąco, a na biegunach niekoniecznie. Efekt ten jest łagodzony przez zmianę nachylenia Ziemi w stosunku do Słońca wraz kolejnymi porami roku.
  • rzeźby terenu - widać to najlepiej w górach, gdzie są stoki o wysokich ekspozycjach, ale też takie, które znajdują się w strefie cienia i tam Słońce nigdy nie dochodzi
  • pory dnia - chyba nikt nie ma wątpliwości, że najcieplej jest w południe. A wszystko to przez to, że w południe promieniowanie ma krótszą drogę przez atmosferę niż o wschodzie czy o zachodzie. Dlatego mniej ciepła ma szansę na ucieczkę. 

Albedo


Ważnym pojęciem, o którym nie można zapomnieć jest albedo, czyli stosunek promieniowania, które zostaje odbite oraz tego, które dochodzi do danej powierzchni. Na ten stosunek ma wpływ zarówno kolor podłoża jak i jego rodzaj. Albedo jest wyrażane w procentach.

I tak dla przykładu:
  • śnieg - 75-95%
  • lód morski - 36-50%
  • wydmy piaszczyste - 20-45%
  • sawanna - 25-30%
  • trawa zielona - 26%
  • miasto - 15-25%
  • pole rolne - 15-25%
  • las liściasty - 10-20%
  • las iglasty - 5-15%
  • asfalt - 5-10%
Jak widać im większe albedo tym większe odbicie i mniejsze pochłanianie. 

Czy możemy wykorzystać to w praktyce? Oczywiście :)
Jeśli chcemy zbudować polowy prysznic i mieć w nim ciepłą wodę bez specjalnego podgrzewania, należy pomalować zbiornik z wodą, najlepiej metalowy (przewodnictwo cieplne), na czarno i wystawić na słońce. Wieczorem woda powinna być ciepła :)
  

I jeszcze jedna uwaga dotycząca bilansu cieplnego i albeda, która jest oczywista, ale trzeba o tym napisać. Woda nagrzewa się bardzo wolno, dużo wolniej niż ląd, ale z drugiej strony wolno oddaje ciepło i długo je potrafi magazynować. Te różnice najłatwiej zaobserwować na przykładzie bryzy morskiej, ale mają też wpływ na klimat.

A dla zainteresowanych tematem polecam książkę "Meteorologia i klimatologia" pod redakcją Krzysztofa Kożuchowskiego, PWN.

Czytaj także z serii Temperatura w atmosferze:

Brak komentarzy:

Prześlij komentarz