Od równowagi radiacyjnej Od równowagi radiacyjnej
do zmian klimatu.
do zmian klimatu.
dr Krzysztof Markowicz dr Krzysztof Markowicz
Instytut Geofizyki Instytut Geofizyki Uniwersytet Warszawski Uniwersytet Warszawski
kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl
www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja/
www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja/
O czym będzie mowa?
O czym będzie mowa?
• Temperaturze radiacyjnej i termodynamicznej Temperaturze radiacyjnej i termodynamicznej
• Fizycznych podstawach promieniowania Fizycznych podstawach promieniowania
• Bilansie promieniowania w atmosferze Bilansie promieniowania w atmosferze
• Wpływie promieniowania na strukturę termiczna Wpływie promieniowania na strukturę termiczna atmosfery
atmosfery
• Zmianach klimatu Zmianach klimatu
Co wskazuje ten termometr?
Co wskazuje ten termometr?
T=-5.0 oC
T=?????
1000 W/m2
Temperatura
powietrza T=-5.1oC
Co wskazuje termometr wystawiony na Co wskazuje termometr wystawiony na działanie bezpośredniego promieniowania działanie bezpośredniego promieniowania
słonecznego?
słonecznego?
• Czy jest to temperatura powietrza? Czy jest to temperatura powietrza?
• A może temperatura powierzchni ziemi? A może temperatura powierzchni ziemi?
• Temperatura powierzchni słońca? Temperatura powierzchni słońca?
• Temperatura, która zależy jedynie od promieniowania Temperatura, która zależy jedynie od promieniowania słonecznego
słonecznego
• Temperatura związana z promieniowaniem oraz Temperatura związana z promieniowaniem oraz temperaturą powietrza.
temperaturą powietrza.
Od czego zależy temperatura wskazywana Od czego zależy temperatura wskazywana
przez ten termometr?
przez ten termometr?
• Natężenia promieniowania słonecznego Natężenia promieniowania słonecznego
• Temperatury powietrza Temperatury powietrza
• Albeda termometru i własności fizycznych Albeda termometru i własności fizycznych materiału z jakiego został zbudowany
materiału z jakiego został zbudowany
• Prędkości wiatru Prędkości wiatru
Co więc mierzy termometr Co więc mierzy termometr
• Zawsze temperaturę własną!! Zawsze temperaturę własną!!
• Od nas zależy co i z jaką dokładnością będzie mierzył Od nas zależy co i z jaką dokładnością będzie mierzył
• Umieszczenie go w klatce meteorologicznej chroni go Umieszczenie go w klatce meteorologicznej chroni go przed bezpośrednim promieniowaniem słonecznym.
przed bezpośrednim promieniowaniem słonecznym.
• Klatka musi być biała aby zminimalizować ogrzewanie Klatka musi być biała aby zminimalizować ogrzewanie przez padające promieniowanie słoneczne.
przez padające promieniowanie słoneczne.
• Klatka ma budowę umożliwiającą swobodny przepływ Klatka ma budowę umożliwiającą swobodny przepływ powietrza. W ten sposób powietrze wymienia energię ze powietrza. W ten sposób powietrze wymienia energię ze
zbiorniczkiem termometru.
zbiorniczkiem termometru.
Zmiany temperatury powietrza z Zmiany temperatury powietrza z
wysokością.
wysokością.
• W dolnej atmosferze W dolnej atmosferze (troposferze)
(troposferze)
temperatura obniża się temperatura obniża się
około 6.5
około 6.5
00na 1 km na 1 km
• W stratosferze W stratosferze
temperatura rośnie z temperatura rośnie z
wysokością do około 50 wysokością do około 50
km nad powierzchnią km nad powierzchnią
ziemi.
ziemi.
• W mezosferze ponownie W mezosferze ponownie maleje, zaś w
maleje, zaś w
termosferze rośnie termosferze rośnie
osiadając setki stopni.
osiadając setki stopni.
Czy faktycznie będąc w termosferze Czy faktycznie będąc w termosferze
„odczuwalibyśmy” tak wysoką temperaturę?
„odczuwalibyśmy” tak wysoką temperaturę?
• W górnych warstwach atmosfery gdzie panuje bardzo niskie W górnych warstwach atmosfery gdzie panuje bardzo niskie ciśnienie pojecie temperatury nabiera innego sensu.
ciśnienie pojecie temperatury nabiera innego sensu.
• W fizyce statystycznej temperaturę definiuje się przez W fizyce statystycznej temperaturę definiuje się przez
energię kinetyczną chaotycznego ruchu cząstek powietrza.
energię kinetyczną chaotycznego ruchu cząstek powietrza.
Rozkład prędkości cząstek gazu Rozkład prędkości cząstek gazu
Średnia prędkość cząstek gazu jest proporcjonalna do
pierwiastka z temperatury
bezwzględnej.
Jak to wpływa na temperaturę Jak to wpływa na temperaturę
„odczuwalna”?
„odczuwalna”?
• Wymiana energii kinetycznej odbywa się w czasie zderzeń Wymiana energii kinetycznej odbywa się w czasie zderzeń cząstek powietrza między sobą oraz z ciałami fizycznymi cząstek powietrza między sobą oraz z ciałami fizycznymi (np. termometrem).
(np. termometrem).
• W przypadku bardzo niskiego ciśnienia zderzenia te W przypadku bardzo niskiego ciśnienia zderzenia te odbywają się rzadko.
odbywają się rzadko.
• Związku z tym ustalanie się równowagi „termodynamicznej” Związku z tym ustalanie się równowagi „termodynamicznej”
trwa bardzo długo.
trwa bardzo długo.
• Np. dla termometru rtęciowego i przy ciśnieniu jakie panuje Np. dla termometru rtęciowego i przy ciśnieniu jakie panuje przy powierzchni ziemi wynosi około kilku minut.
przy powierzchni ziemi wynosi około kilku minut.
• Przy bardzo niskim ciśnieniu jakie panuje w górnych Przy bardzo niskim ciśnieniu jakie panuje w górnych
warstwach atmosfery stan równowagi w zasadzie nie ustala warstwach atmosfery stan równowagi w zasadzie nie ustala się, gdyż promieniowanie słoneczne zmienia się znacząco w się, gdyż promieniowanie słoneczne zmienia się znacząco w czasie.
czasie.
Średnia droga swobodna gazu
Średnia droga swobodna gazu – średnia odległość jaką – średnia odległość jaką przebywa cząstka gazu między kolejnymi zderzeniami.
przebywa cząstka gazu między kolejnymi zderzeniami.
Ciśnienie [ Pa ] Średnia droga swobodna azotu [ m ]
105 ~ 10-7
1 ~ 10-2
10-2 ~ 1
10-4 ~ 102
10-8 ~ 106
2 pd
2kT
Warunki Średnia droga swobodna [ m ]
Powietrze przy powierzchni
ziemi, p=1000 hPa, T=293 ~ 10-7 Powietrze na wysokości 100km ~ 10-1 Powietrze na wysokości 300 km ~ 103
p – ciśnienie gazu, d – średnica cząstek, k stała Boltzmanna, T- temperatura bezwzględna
Promieniowanie Promieniowanie
• Słoneczne (krótkofalowe): < 4 Słoneczne (krótkofalowe): < 4 m m Stała słoneczna:
Stała słoneczna: natężenie (moc) promieniowania słonecznego natężenie (moc) promieniowania słonecznego docierającego do górnych granic atmosfery, I=1368 Wm
docierającego do górnych granic atmosfery, I=1368 Wm
-2-2. . Średnia wartość dla całego globu wynosi: 342 Wm
Średnia wartość dla całego globu wynosi: 342 Wm
-2-2. .
• Ziemskie (długofalowe, termiczne): > 4 Ziemskie (długofalowe, termiczne): > 4 m m
T 4
F
Prawo Stefana Boltzmanna:
=5.67x10
-8[W/K
4m
2]
Dla T=255 K, F=240 Wm-2 Dla T=273 K, F=315 Wm-2 Dla T=300 K, F=469 Wm-2
Widmo promieniowania słonecznego i Widmo promieniowania słonecznego i
ziemskiego
ziemskiego
Absorpcja promieniowania w atmosferze
Absorpcja promieniowania w atmosferze
Absorpcja promieniowania przez poszczególne gazy Absorpcja promieniowania przez poszczególne gazy
zawarte w atmosferze.
zawarte w atmosferze.
Pochłanianie promieniowania słonecznego w Pochłanianie promieniowania słonecznego w
atmosferze atmosferze
• Atmosfera ziemska jest w pierwszym przybliżeniu Atmosfera ziemska jest w pierwszym przybliżeniu
przeźroczysta dla promieniowania słonecznego. Oznacza to, przeźroczysta dla promieniowania słonecznego. Oznacza to, iż znaczna część promieniowania dociera do powierzchni iż znaczna część promieniowania dociera do powierzchni ziemi.
ziemi.
• Największe odstępstwa od tego prostego modelu występują Największe odstępstwa od tego prostego modelu występują w obszarze ultrafioletu. Promieniowanie UV jest silnie
w obszarze ultrafioletu. Promieniowanie UV jest silnie
pochłaniane przez tlen w wysokich warstwach atmosfery i pochłaniane przez tlen w wysokich warstwach atmosfery i przez ozon w warstwie pomiędzy 20-50 km.
przez ozon w warstwie pomiędzy 20-50 km.
• W wyniku pochłaniana powietrze nagrzewa się w czasie dnia. W wyniku pochłaniana powietrze nagrzewa się w czasie dnia.
• Przy powierzchni ziemi jedynie para wodna pochłania słabo Przy powierzchni ziemi jedynie para wodna pochłania słabo promieniowanie słoneczne.
promieniowanie słoneczne.
Bilans energii w atmosferze
Bilans energii w atmosferze
Dlaczego bilans energii w atmosferze jest Dlaczego bilans energii w atmosferze jest
szalenie istotny?
szalenie istotny?
• Niezerowy bilans energii mówi nam o tym, że dana Niezerowy bilans energii mówi nam o tym, że dana
warstwa powietrza będzie ocieplać się (bilans dodatni) warstwa powietrza będzie ocieplać się (bilans dodatni)
lub ochładzać się (bilans ujemny).
lub ochładzać się (bilans ujemny).
• Im większa różnica pomiędzy energia dostarczona przez Im większa różnica pomiędzy energia dostarczona przez warstwę powietrza a energią oddaną tym tempo zmian warstwę powietrza a energią oddaną tym tempo zmian
temperatury powietrza większe.
temperatury powietrza większe.
Temperatura radiacyjna Temperatura radiacyjna
• Wracamy do termometru wystawionego na działanie Wracamy do termometru wystawionego na działanie promieniowania słonecznego
promieniowania słonecznego
• Załóżmy, że mamy wymiany ciepła na drodze konwekcji, Załóżmy, że mamy wymiany ciepła na drodze konwekcji, dyfuzji oraz przewodnictwa cieplnego pomiędzy
dyfuzji oraz przewodnictwa cieplnego pomiędzy termometrem a powietrzem
termometrem a powietrzem
• Temperatura jaka ustala się w wyniku równowagi Temperatura jaka ustala się w wyniku równowagi
pomiędzy promieniowaniem padającym na termometr a pomiędzy promieniowaniem padającym na termometr a
promieniowaniem emitowanym przez termometr jest promieniowaniem emitowanym przez termometr jest
temperaturą radiacyjną.
temperaturą radiacyjną.
• Czy w atmosferze możemy mówić o temperaturze Czy w atmosferze możemy mówić o temperaturze radiacyjnej?
radiacyjnej?
Wracając do temperatury w egzosferze Wracając do temperatury w egzosferze
• Ze względu na niskie ciśnienie wymiana energii Ze względu na niskie ciśnienie wymiana energii
pomiędzy termometrem a powietrzem może być w pomiędzy termometrem a powietrzem może być w
pierwszym przybliżeniu zaniedbywana.
pierwszym przybliżeniu zaniedbywana.
• Tak, wiec termometr wskazywał będzie Tak, wiec termometr wskazywał będzie temperaturę temperaturę radiacyjna.
radiacyjna.
• W czasie dnia, przy dopływie promieniowania W czasie dnia, przy dopływie promieniowania słonec
słonec zn zn ego będzie nagrzewał się osiągając ego będzie nagrzewał się osiągając temperaturę, która zal
temperaturę, która zal e e ży od promieniowania, ży od promieniowania,
temperatury powietrza oraz własności optycznych temperatury powietrza oraz własności optycznych
termometru.
termometru.
• W nocy wskazywał będzie znacznie niższe wartości ze W nocy wskazywał będzie znacznie niższe wartości ze względu na emisje promieniowania i niewielkie źródła względu na emisje promieniowania i niewielkie źródła
promieniowania pochodzące głównie od powierzchni promieniowania pochodzące głównie od powierzchni
ziemi i atmosfery (chmury).
ziemi i atmosfery (chmury).
Bilans promieniowania - dzień Bilans promieniowania - dzień
AI F
F F
I
a [( 1 - A)I F ] 2
F 1
a] T A)I
- 1 2 [(
T
41
a4
4 4
T
a2 A)I 1
- 1 2 (
T 1
I
F AI
F
T
4F F T
a4Przykład: A=0.0, I=1000W/m2 =0.5, Ta=255K T=317K
A- albedo
Bilans promieniowania - noc Bilans promieniowania - noc
2F F
F
F a
Promieniowanie zaniedbywanie małe
F F
a 4
4 4
a
T 2
2 T
T 1
T
a=255K T=222K
F
aPrzyczyny zmian temperatury powietrza z Przyczyny zmian temperatury powietrza z
wysokością.
wysokością.
• Wzrost temperatury w Wzrost temperatury w termosferze wynika z termosferze wynika z
pochłaniania promieniowana pochłaniania promieniowana
przez tlen.
przez tlen.
• W mezosferze temperatura W mezosferze temperatura obniża się z wysokością, gdyż obniża się z wysokością, gdyż
promieniowanie w obszarze promieniowanie w obszarze
dalekiego UV zostało całkowicie dalekiego UV zostało całkowicie
pochłonięte w termosferze.
pochłonięte w termosferze.
• Po niżej w stratosferze ze Po niżej w stratosferze ze
względu na wysoką koncentracje względu na wysoką koncentracje
ozonu pochłaniany jest inny
ozonu pochłaniany jest inny
zakres promieniowania UV i
zakres promieniowania UV i
Przyczyny zmian temperatury powietrza z Przyczyny zmian temperatury powietrza z
wysokością - troposfera.
wysokością - troposfera.
Mechanizm ogrzewania powietrza w dolnej Mechanizm ogrzewania powietrza w dolnej
atmosferze atmosferze
• Promieniowanie słoneczne Promieniowanie słoneczne
docierając do powierzchni ziemi docierając do powierzchni ziemi
zostaje w znacznej części zostaje w znacznej części
pochłonięte przez nią. Wyjątkiem pochłonięte przez nią. Wyjątkiem
jest tu powierzchnia śniegu lub jest tu powierzchnia śniegu lub
lodu.
lodu.
• W wyniku zamiany energii W wyniku zamiany energii promieniowania na energie promieniowania na energie
wewnętrzną ziemia ogrzewa się.
wewnętrzną ziemia ogrzewa się.
• Wraz z nią powietrze Wraz z nią powietrze
przylegające. Im dalej od ziemi przylegające. Im dalej od ziemi
tym wpływ podłoża mniejszy i tym wpływ podłoża mniejszy i
niższa temperatura.
niższa temperatura.
Transport ciepła od powierzchni ziemi Transport ciepła od powierzchni ziemi
• Dyfuzja molekularna – poprzez chaotyczny ruch cząstek Dyfuzja molekularna – poprzez chaotyczny ruch cząstek oraz ich zderzenia
oraz ich zderzenia
• Konwekcja- uporządkowany ruch powietrza wywołany Konwekcja- uporządkowany ruch powietrza wywołany różnicą ich gęstości (powietrze cieple wznosi się do różnicą ich gęstości (powietrze cieple wznosi się do
góry)
góry)
Równowaga radiacyjno-konwekcyjna Równowaga radiacyjno-konwekcyjna
• W czasie konwekcji następuje transport pary wodnej, W czasie konwekcji następuje transport pary wodnej, która w pewnych warunkach może kondensować. W która w pewnych warunkach może kondensować. W
czasie tego zjawiska wydzielane jest ciepło przemiany czasie tego zjawiska wydzielane jest ciepło przemiany fazowej, które jest istotnym źródłem energii w dolnej fazowej, które jest istotnym źródłem energii w dolnej
atmosferze.
atmosferze.
• Tak więc transport ciepła od powierzchni do atmosfery Tak więc transport ciepła od powierzchni do atmosfery zmniejsza spadek temperatury z wysokością.
zmniejsza spadek temperatury z wysokością.
• Ustala się stan równowagi zwanej Ustala się stan równowagi zwanej równowagą równowagą radiacyjno-konwekcyjną.
radiacyjno-konwekcyjną. Średni spadek temperatury w Średni spadek temperatury w wysokością wynosi w tym przypadku 0.65
wysokością wynosi w tym przypadku 0.65
ooC na każde C na każde 100 metrów.
100 metrów.
Jak silnie musi się nagrzać powietrze przy Jak silnie musi się nagrzać powietrze przy
powierzchni ziemi aby „ruszyła konwekcja”?
powierzchni ziemi aby „ruszyła konwekcja”?
t1 t2
T1 T2
100m