Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere
Download
1 / 58

Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere - PowerPoint PPT Presentation


  • 178 Views
  • Uploaded on

Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere. ftp://ftp.bf.uni-lj.si/pub/klemen/predavanje/EnergijskaBilanca.ppt. Dolgovalovno sevanje. Pregled poglavja UVOD oziroma ponovitev Toplota Prenosi energije Sevanje (karakteristike in spekter) DOLGOVALOVNO SEVANJE Sevanje tal

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about 'Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere' - gigi


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Dolgovalovno sevanjesevanje talinsevanje atmosfere

ftp://ftp.bf.uni-lj.si/pub/klemen/predavanje/EnergijskaBilanca.ppt


Dolgovalovno sevanje
Dolgovalovno sevanje

Pregled poglavja

  • UVODoziroma ponovitev

    • Toplota

    • Prenosi energije

    • Sevanje (karakteristike in spekter)

  • DOLGOVALOVNO SEVANJE

    • Sevanje tal

    • Sevanje ozračja

      • Selektivnost

      • Efekt tople grede

    • Neto sevanje oziroma sevalna bilanca


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Toplota

Toplota je oblika energije v procesu prenosa iz enega telesa na drugega zaradi temperaturnih razlik med njima.

Ko pride do prenosa toplote, se le ta shrani v obliki notranje energije – gibanja molekul v snovi (na podlagi česar je definirana temperatura snovi).


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Prenosi energije

Trije osnovni načini prenosa energije v atmosferi in tleh:

  • Sevanje (za prenos ne potrebujemo materije)

    PRIMER: Vroča žička v žarnici oddaja svetlobo in s tem energijo preko sevanja.

  • Kondukcija (neposreden dotik - brez mešanja snovi)

    PRIMER: Če se grejete s sedenjem na toplem radiatorju, prejemate energijo s kondukcijo)

  • Konvekcija (z mešanjem snovi)

    PRIMER: Za topel zrak v predavalnici se moramo zahvaliti radiatorjem in konvekciji.


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Sevanje

Sevanje – način prenosa energije med dvema lokacijama preko elektromagnetnega valovanja.

Vsako telo, ki ima temperaturo nad absolutno ničlo, seva!

Sevanje lahko opišemo z:

  • valovno dolžino - λ(m)

    • Razdalja med dvema vrhoma

  • frekvenco - ν (s-1 oz. Hz)

    • Število valov, ki na sekundo prečka isto točko

ena valovna dolžina


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Sevanje

Lahko zapišemo zvezo med valovno dolžino in frekvenco sevanja:

c - svetlobna hitrost (3˙108 m/s)

λ - valovna dolžina (m)

ν - frekvenca (s-1 oz. Hz)


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Elektromagnetni spekter

EM valovanje ločimo glede na valovne dolžine

© 1998 Prentice-Hall -- From The Atmosphere, 7th Ed., by

F.K. Lutgens and E.J. Tarbuck, p. 31.


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Sevanje tal

99 % sevanja tal in ozračja je dolgovalovnega (DV).

SEVANJE TAL – tla sevajo v skladu s Štefanovim zakonom za siva telesa.


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Sevanje ozračja

Atmosfera za DV sevanje tal ni prozorna – samo nekaj % ga preide neposredno v vesolje !

DV sevanje tal vpijajo:

  • oblaki - metan – CH4

  • vodna para !!!!! - dušikov oksid – N2O

  • ogljikov dioksid – CO2 - ozon – O3

  • klorofluorokarbonati – CFCl3 in CFCl2

    SEVANJE OZRAČJA – ozračje seva selektivno, v skladu z absorpcijskimi črtami posameznih plinov, ki sestavljajo zrak, ter v skladu s Kirchhoffovim zakonom.


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Sevanje tal in ozračja

Atmosferska absorpcija

Terestrično

sevanje

Sončno

sevanje

Prirejeno po: Fleagle and Businger, 1980: An Introduction to Atmospheric Physics, p. 232


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Kako je oddano sevanje sistema Zemlja-Atmosfera primerljivoz zakoni sevanja ?

črno telo

ozračje

“OKNO”


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Sevanje ozračja

Skupno sevanje ozračja lahko približno ocenimo s semiempirično enačbo:

Obstajajo tudi natančnejše ocene, ki temeljijo na izračunavanju emisivnosti ozračja na podlagi temperature zraka, vlage v zraku, oblačnosti, ...


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Sevanje ozračja

Jasno nebo (e –delni parni tlak v mb, T2m – T zraka na 2m v K )

Oblačno nebo (n – je oblačnost v desetinah)


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Sevanje ozračja

Ozračje seva IR v vseh smereh - navzgor proti vesolju in navzdol proti površju.

IR sevanje ozračja, ki je usmerjeno navzdol dodatno ogreva zemeljsko površje – pojav imenujemo

Efekt tople grede.


Efekt tople grede
Efekt tople grede

Tega se ne smete naučiti!!!!

Odeja, ali topla greda, po kateri ima pojav ime, namreč preprečujeta prenos energije s konvekcijo (o njej več v nadaljevanju), ki pa je v ozračju eden izmed pomembnih procesov izmenjave energije.

Efekt tople grede in globalno ogrevanjeNISTA isti pojav.

  • Efekt tople grede je posledica tega, da se plini v ozračju obnašajo kot odeja, ki ujame sevanje zemeljskega površja ter ga nato izseva nazaj proti površju.


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Efekt tople grede

Definicija

Efekt tople grede: Ime procesa, ki povzroča, da je zemeljsko površje toplejše, kot bi bilo, če Zemlje ne bi obdajala tanka plast ozračja - Efekt ozračja

Globalno ogrevanje: (Pričakovan) povečan vpliv efekta tople grede, zaradi povečevanja koncentracije plinov tople grede v ozračju  zemeljsko površje bo postalo toplejše kot je sedaj.


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Efekt tople grede

Ocena temperature zemeljskega površja, če ne bi bilo atmosfere in njenega efekta tople grede.

Energija, ki jo Zemlja prejme

=

Energija, ki jo zemlja odda

Zemlja prestreže sončno sevanje s površino kroga (R2). Do zemlje pride gostota energijskega toka sončnega sevanje 1375 Wm-2(j0 – solarna konstanta), vendar pa se približno 30 % (Zemlje=0.3) tega KV sevanja odbije nazaj proti vesolju. Za zemljo predpostavimo, da seva približno kot črno telo (Zemlje=1) v vse smeri, torej v celotno površino sfere (4R2).

Sevanje Sonca

Sevanje Zemlje


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Efekt tople grede

Da bi temperatura Zemlje ostala konstantna v daljšem časovnem obdobju, mora biti torej energija absorbiranega sončnega sevanja (KV) enaka količini oodanega (DV) sevanja.

Če ne bi bilo ozračja, bi torej temperatura zemeljskega površja znašala:

Dejanska temperatura zemeljskega površja je 288K=15°C.

OD KOD RAZLIKA??? EFEKT TOPLE GREDE

Zemeljsko površje ne prejema energije le od Sonca, temveč tudi od ozračja.


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Efekt tople grede

Efekt tople grede je posledica absorpcije DV sevanja tal v plinih tople grede (H2O, CO2, CH4, N2O, O3, ...) v ozračju, ki nato sami sevajo pri istih , kot absorbirajo – Sevanje ozračja. Del sevanja ozračja se vrne nazaj proti zemeljskemu površju.

Če bi se koncentracija plinov tople grede s časom povečevala, bi se vse več DV sevanja tal v ozračju absorbiralo, posledično bi se povečalo sevanje ozračja, zemeljsko površje bi dobilo več energije, posledica česar bi bilo GLOBALNO OGREVANJE.

Od začetka industrijske dobe (pb. 1850) se koncentracija plinov tople grede v ozračju dejansko povečuje.



Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Neto sevanje

NETO SEVANJE – jRN = vsota vseh komponent sevanja, ki prihajajo na neko plast (npr. zemeljsko površje) in odhajajo od nje.

jGO - globalno obsevanje (gostota KV sevanja Sonca na enoto horizontalne ploskve) – jGO = jDIR + jDIF

jRN - neto sevanje

ρTLA - odbojnost tal za KV sevanje


Netosevanje dan no

jGO

jRN

jOZR

TLA×jGO

jTLA

NetosevanjeDan: Noč:

jGO = vpadno sončno sevanje

TLA×jGO = odbito sončno sevanje

jOZR = DV sevanje ozračja

jTLA = DV sevanje tal

jRN = neto sevanje


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Neto sevanje

ENERGIJSKA BILANCA SISTEMA POVRŠJE-ATMOSFERA

+100

-30

© 1998 Wadsorth Publishing -- Essentials of Meteorology (Ahrens)


Kondukcija in konvekcija

Kondukcija inkonvekcija


Kondukcija in konvekcija1
Kondukcija in konvekcija

Pregled poglavja

  • KONDUKCIJA

    • Temperaturni gradient in Fick-ova zakona (I. In II.)

    • Odvisnost energijskega toka od lastnosti materiala

    • Temperaturna nihanja v tleh

      • Globina dušenja temperaturnega nihanja

      • Časovni zamik

  • KONVEKCIJA

    • Naravna konvekcija

    • Prisilna konvekcija

    • ZAZNAVNA IN LATENTNA TOPLOTA

  • ENERGIJSKA BILANCA TAL

    • Bowen-ovo razmerje


Temperatur a

Toplota

Temperatura

Temperatura je mera za kinetično energijo molekul v snovi.

Toplota je energije v prehajanju med dvema (ali več) substancama.

Temperatura je lastnost stanja snovi in jo lahko merimo (v K, °C, °F)

Toplote ne moremo meriti, merimo lahko le temperaturne spremembe, ki jih povzroča

Temperatura ni odvisna od števila molekul v snovi, temveč le od energije molekul.

Več molekul prenaša energijo bolj efektivno kot manj molekul.


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Kondukcija

Kondukcija je način prenosa energije znotraj snovi (trki molekul), brez mešanja.

Gostota energijskega toka, ki se prenaša s kondukcijo je odvisna od temperaturnega gradienta v snovi in toplotne prevodnosti snovi. Prenos poteka v nasprotni smeri gradienta temperature.

NAJPOMEMBNEJŠI NAČIN PRENOSA ENERGIJE V TLEH!


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Kondukcija – temperaturni gradient

grad-sprememba spremenljivke vzdolž razdalje - ima smer in velikost

- kaže v smeri največjega naraščanja spr.

Temperaturni gradient predstavlja spremembo temperature vzdolž določene razdalje.

4 m

20°C

10°C

Gradient:

velikost

smer


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Kondukcija

Toplota se prenaša v smeri od višje proti nižji temperaturi – smer nasprotna temperaturnemu gradientu

Če obstaja temperaturni gradient, ga prenos toplote skuša izničiti.

Nekatere snovi dobro prevajajo toploto – prevodniki (npr. železo), druge slabše – izolatorji (npr. zrak). O tem govori TOPLOTNA PREVODNOST SNOVI.


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Kondukcija

1. FICKOV ZAKON

jG - gostota toka toplote v snovi – kondukcija [W/m2]

k - toplotna prevodnost snovi (lastnost snovi) [W/mK]

(sposobnost snovi za prevajanje toplote)

grad(T) - temperaturni gradient [K/m]

velikost ocenimo približno kot razliko temperature snovi na določeni razdalji – ΔT/ Δz


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

jG,1

Vertikalna divergenca toplotnega toka

= ohlajanje

jG,1 < jG,2

se ohlaja

jG,2

jG,1

se segreva

Vertikalna konvergenca toplotnega toka

= segrevanje

jG,1 > jG,2

jG,2


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Kondukcija

ČASOVNE SPREMEMBE TEMPERATURE TAL

2. FICKOV ZAKON

κ=k/ρc- temperaturna prevodnost tal[m2/s]

ρ - gostota tal[kg/m3]

c - specifična toplota tal


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

DAN

Spreminjanje temperature tal z globino

Opis temperature površine tal

Pri tem je

=2/P– kotna hitrost površinskega temperaturnega vala

P - perioda v s (24 ur za dnevna in 365 dni za letna nihanja)

Opis temperature tal na globini z

LETO

zDje globina dušenja temperaturnih nihanja- globina na se amplituda nihanja zmanjša na e-1oziroma 37% vrednosti, ki jo ima na površju


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Če nas zanimajo le nihanja amplitude

A(0)

T

Zima

Noč

Poletje

Dan

A(z)

z

A(0)- razpon temperaturnih nihanj na površini tal [K]

A(z) - razpon temperaturnih nihanj na globini z [K]


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Če nas zanimajo tudi časovni potek T

Peščena tla,  = 0.5 m2 s-1

zD = 1.954 m

Šotna tla,  = 0.15 m2 s-1

zD = 0.917 m


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Kondukcija

TOPLOTNA IN TEMPERATURNA PREVODNOST

za nekatere tipe tal


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Vpliv vode v tleh na različne lastnosti tal

toplotna

prevodnost

toplotna

kapaciteta

toplotna

dostopnost

temperaturna

prevodnost

(toplotna

difutivnost)

from Oke, T., (1987)


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

LEVO: Temperaturni profil v snežni odeji ob različnem lokalnem času (vir: Oke, 1987).

SNEG

DESNO: Nočni temperaturni profil v novozapadlem snegu ter z njim pokritimi tlemi ob različnem lokalnem času (vir: Oke, 1987)


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Kondukcija

TOPLOTNA IN TEMPERATURNA PREVODNOST

za nekatere snovi


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Convection

Konvekcija

  • Prenos toplote z gibanjem tekočine – mešanjem.

  • Pomemben proces v ATMOSFERI IN OCEANIH

delec zraka

MEŠANJE

T

T

T

termična konvekcija


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Convection

Konvekcija

NARAVNA KONVEKCIJA – Povzročajo jo razlike v gostoti zraka, ki se pojavljajo ob neenakomernem segrevanju zemeljske površine, ki posredno neenakomerno segreva zrak. Zrak se nad toplimi območji segreva, se zato dviga in s seboj v višino prenaša tudi zaznavno toploto, vlago, onesnaženjem, ...

PRISILNA KONVEKCIJA – je posledica mehaničnih sil. Te se pojavijo zaradi orografije, pri trenju med posameznimi zračnimi plastmi, ki se gibljejo z različnimi hitrostmi, pri trenju zraka ob zemeljsko površino in podobno. To so razna valovanja zraka, prisilni dvigi zraka ob gorskih pregradah in ob frontah, striženje vetra, ...


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Convection

Konvekcija

  • Latentna toplota - “Nevidna oz. skrita”

    • Toplota, ki se sprošča oziroma porablja pri faznih prehodih vode.

      • Izhlapevanje – poraba energije - ohlajanje

      • Utekočinjenje – sproščanje energije - segrevanje

  • Zaznavna toplota

    • Toplota, ki jo lahko čutimo zaradi temperaturnih razlik.


Dve vrsti toplote

Za dvig temperature 1 kg vodne pare

iz 100 ºC na 150 ºC porabimo približno

23 kcal oz. 96kJ

Da izhlapimo 1 kg vode, porabimo približno

537 kcal oz. 2.25 MJ, T = konst.

Za dvig temperature 1 kg vode iz 0°C

na 100 ºC porabimopribližno 100 Kcal

oziroma 419 kJ.

Da stopimo 1 kg ledu, porabimo približno 80 kcal

oz. 334 kJ , a temperatura se ne spremeni.

Da segrejemo 1 kg ledu iz –50°C na 0°C,

porabimo približno 25 kcal oz. 105 kJ.

Dve vrsti toplote

1kcal = 4186,8J

150

100

Zaznavna toplota je toplota, ki se porablja oziroma sprošča pri temperaturnih spremembah.

Temperatura (ºC)

50

Latentna toplota je toplota, ki se porablja oziroma sprošča pri faznih spremembah in ne spremembah temperature.

0

-50

100

200

300

400

500

600

700

Kilokalorije - kcal


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Convection

Konvekcija – zaznavna toplota

ZAZNAVNA TOPLOTA – toplejši delec zraka se s pomočjo vrtincev primeša med hladnejši zrak in se ohladi – odda toploto. Obratno velja, če se hladnejši delec zraka primeša med toplejši zrak.

Zaznavna toplota je odvisna od temperaturnega gradientav tekočini, gostote tekočine, njene toplotne kapacitete ter turbulentne difuzivnosti za prenos zaznavne toplote.


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Convection

Konvekcija – zaznavna toplota

GOSTOTA TURBULENTNEGA TOKA ZAZNAVNE TOPLOTE

KA - turbulentna difuzivnost za zaznavno toploto [m2/s]

ρ - gostota zraka pri tleh [kg/m3]

cp - specifična toplota zraka pri konstantnem pritisku [1004 Jkg/K]

ΔT/Δz - vertikalni gradient temperature zraka pri tleh [K/m]


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Convection

Konvekcija – latentna toplota

LATENTNA TOPLOTA – če zaradi ohlajanja oziroma segrevanja delca zraka, ki se pomeša z okolico z drugačno temperaturo, pride do fazne spremembe vode (utekočinjenje oz. izhlapevanje) v zraku, se pri tem sprosti oziroma porabi dodatna energija.

Latentna toplota je odvisna od gradienta vlagev tekočini, gostote tekočine, izparilne toplote za vodo ter turbulentne difuzivnosti za prenos latentne toplote.


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Convection

Konvekcija – latentna toplota

GOSTOTA TURBULENTNEGA TOKA LATENTNE TOPLOTE

KLE - turbulentna difuzivnost za latentno toploto [m2/s]

ρ - gostota zraka pri tleh [kg/m3]

Li - izparilna toplota za vodo[2,5 MJ/kg]

Δq/Δz - vertikalni gradient specifične vlage pri tleh [1/m]


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Convection

Energijska bilanca tal

Površina tal predstavlja neskončno tanko plast, ki ne more shranjevati toplote. Zato mora biti vsota vseh energijskih tokov, ki pridejo do površine oziroma od nje odhajajo enaka 0.

+ - pozitivne gostote energijskih tokov tlem prinašajo enerjijo

-- negativne gostote energijskih tokov tlem odnašajo energijo


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Energijska bilanca tal

+

-

-

-

jA - gostota turbulentnega toka zaznavne toplote

jLE - gostota turbulentnega toka latentne toplote

jG - gostota toplotnega toka v tleh - kondukcija

jRN - neto sevanje

[W/m2]

+

+

-

+


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Convection

Bowenovo razmerje

PRAKTIČNO IZRAČUNAVANJE jAIN jLE

Netosevanje lahko merimo (netoradiometri) oziroma ocenimo preko meritev temperature zraka, tal ter globalnega obsevanja. Prav tako preko meritev temperature tal na različnih nivojih lahko ocenimo kondukcijo. Na podlagi ocen omenjenih dveh energjijskih tokov lahko ocenimo tudi gostoti turbulentnega toka zaznavne in latentne toplote. Pri tem si pomagamo z BOWENOVIM RAZMERJEM.


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Bowenovo razmerje

BOWENOVO RAZMERJE – razmerje med gostoto turbulentnega toka zaznavne in latentne toplote.

Ob predpostavki da približno velja KA = KLEizpeljemo zgornjo enačbo, s pomočjo katere lahko ob meritvi zračne vlaga in temperature zraka na dveh nivojih ocenimo Bowenovo razmerje:


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Bowenovo razmerje

Na podlagi enačbe za energijsko bilanco tal ter ocenjenega Bowenovega razmerja lahko ocenimo gostoti turbulentnih tokov zaznavne in latentne toplote.

PAZI! – v knjigi sta enačbi zamenjani – str. 57 – NAPAKA!


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Meritve mikroklime v okolici kmetijskih nasadov

Bowenovo razmerje/Metoda energijske bilance

Bowenovo razmerje (B)

nivo 2

jRN - neto sevanje izmerimo z netoradiometri ali ocenimo iz Tzrakin Ttlater vlage.

jG - kondukcijo ocenimo na podlagi meritev Ttla(z) ter tipa tal.

nivo 1

E - izhlapevanje (v mm)

L - izparilna toplota za vodo


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Metode, ki uporabljajo princip energijske

bilance za zaščito pred pozebo

Nočna energijska bilanca tal

-jRN= jG+ jA+jLE + A

Metode temeljijo na:

Zmanjševanju

energijskih izgub!

Dodajanje novih energijskih virov

- grelci na olje

- dodajanje vode

Prerazporedimo vire energije!

  • ‘zapremo’ atm. okno, primer so npr. toplejše oblačne noči in hladnejše jasne noči.

  • (MALCE TEŽKO SAMI VPLIVAMO NA TO)

- mešanje toplejšega zraka iz višjih predelov;

- valjanje tal za povečanje toplotnih tokov iz tal.


Dolgovalovno sevanje sevanje tal in sevanje atmosfere

Zaščita pred pozebo

Grelci zmanjšujejo jLE vendar povečujejo A

Vernice vplivajo na turbulenco in mešanje zraka - spremenijo gostoto toka zaznavne jA in latentne toplote jLE.