Zračenje Zemljine površine i atmosfere Temp. Zemljine površine mnogo je niža od temperature Sunca. Razlog zašto Zemljina površina zrači mnogo manje energije nego Sunce i tu u infracrvenom ili dugovalnom području spektra, od 3 do 80 µm. Energiju dugovalnog zračenja Zemlje računamo prema Stefan-Boltzmannovu zakonu za sivo tijelo L o =k σ T 4 Za crno tijelo k=1; za Zemljinu površinu k 0.95 (a za svježi snijeg je k 0.99, što znači da svježi snijeg pri jednakoj T zrači jače nego ostali materijali na Zemljinoj površini npr. jače nego golo pješčano tlo) Temperatura tla se tijekom dana mijenja pa se zato mijenja i ižaravanje tla. Traje neprekidno i predstavlja gubitak energije; ono je veće za vedra vremena sredinom dana, noću je manje. U godišnjem prosjeku na površini Zemlje gubitak energije u obliku dugovalnog zračenja veći je od primitka u obliku kratkovalnog zračenja (t~-18 C). Postoje još neke komponente zračenja pa se Zemlja progresivno kroz godine ne hladi. 1
Zračenje Zemljine površine i atmosfere!!!snijeg dobar upija IC zračenje, a vrlo loše upija kratkovalno sunčevo zračenje. Time čuva zimske usjeve od smrzavanja.!!! Najvažniji apsorberi: N 2 O, CH 4, O 2,O 3,H 2 O,CO 2 Troposfera malim dijelom upija energiju dozračenu od Sunca Drugačije se odnosi prema dugovalnom ižaravanju-selektivna apsorpcija Vodena para i CO 2 su plinovi koji upijaju infracrveno zračenje u cijelom intervalu od 5 do 7 µm kao i ono valnih duljina većih od 14 µm. Dio valnih duljina Zemljinog zračenja (8.5 i 11 µm) u vedrom zraku odlazi direktno u svemir kroz atmosferski prozor. Zemlja se grije od zadržane energije dugovalnog zračenja; grijanje je jače gdje ima više vodene pare i ugljikovog dioksida Dugovalno zračenje izlazi iz atmosfere na njezinom gornjem dijelu. 2
Zračenje Zemljine površine i atmosfere Na gornjem kraju zračenje je usmjereno u svemir Na dnu atmosfere zračenje je usmjereno na podlogu koja može biti kopno ili more = Protužarenje atmosfere (protuzračenje atmosfere ) Ovisi o temp., a vlažnost i oblaci ga povećavaju (najmanje vrijednosti su ujutro, a najveće popodne) Razlika između ižaravanja Zemljine površine i protuzračenja atmosfere obično je pod nazivom efektivno ižaravanje tla Međusobni odnos kratkovalnog i dugovalnog zračenja prikazuje se jednadžbom neto bilance zračenja (B) B=(1- α)s +Lo -εσt s 4 Gdje je S globalno kratkovalno zračenje, α albedo, εσt s 4 dugovalno zračenje tla i protuzračenje atmosfere, Lo. 3
Zračenje Zemljine površine i atmosfere Prostorna razdioba bilance zračenja u sustavu Zemlja-atmosfera s obzirom na geografsku širinu 4
Zračenje Zemljine površine i atmosfere Ako bi se zbog bilo čega poremetila ta prirodna ravnoteža između energija koju Zemlja primi i gubi, promijenila bi se klima. Takvih je klimatskih promjena bilo u prošlosti; vidimo prema izmjeni ledenih i međuledenih doba. Vrlo sporo u međusobnom položaju Zemlje i Sunca zbivaju se promjene koje mijenjaju uvjete u kojima Zemlja prima Sunčevo zračenje Nagib Zemljine osi (svakih 45 000 godina) Oblik putanje od elipse do kružnice (svakih 92 000 godina) Nastup perihela (svakih 21 000 godina) Brže klimatske promjene zbog umjetnog grijanja atmosfere uslijed povećanja koncentracija aerosoli i CO 2 5
Zračenje Zemljine površine i atmosfere Utvrđeno je da atmosfera u cjelini emisijom gubi više energije elektromagnetnog zračenja nego što je ukupno prima od Sunca i od podloge Godišnji gubitak iznosi približno 25 000 kj m -2 Kad atmosfera ne bi dobivala toplinsku energiju i na druge načine nego samo zračenjem, ona bi se postupno hladila. Ne ohlađuje se jer od Zemljine površine dobiva toplinu: Vođenjem topline (Q H ), Oslobađanjem latentne topline isparavanja (Q L ) Miješanjem zraka (konvekcijom)- ta se toplina širi atmosferom Jednadžba neto bilance zračenja također može izgledati: Bnet = Q H +Q L +Q G +Q A = (1- α)s +Lo -εσt s 4 Q G -vođenje topline u dublje slojeve tla Q A -antropogena toplina!!!oblačne noći sa slabim vjetrom su često toplije od vedrih noći jer oblaci apsorbiraju i re-emitiraju IC radijaciju.!!! 6
Zračenje Zemljine površine i atmosfere Pri tlu ugrijan zrak diže se zbog uzgona, a na njegovo mjesto dolazi hladniji iz višeg sloja. Nastaje vertikalno miješanje zraka; konvekcija Nastali vrtlozi kreću se od nekoliko centimetara do nekoliko stotina metara, a ovise o atmosferskoj stabilnosti Takvi vrtlozi mogu podignuti gornju granicu planetarnog graničnog sloja iznad 2 km Noću nema takvih termala jer se hladni zrak koji je najgušći nalazi pri tlu Površina tla ohlađena ižaravanjem prima energiju iz dubljih slojeva toplinskim vođenjem, a iz prizemnog sloja zraka vođenjem i protužarenjem Temperatura zraka odražava odnos između primitka i gubitka toplinske energije (ovisi o visini Sunca i duljini dana, obilježjima Zemljine površine, oblacima, vjetru, horizontalnim temperaturnim (hladnim ili toplim) advekcijama) Postupnim slabljenjem globalnog Sunčevog zračenja u drugoj polovici dana, gube se toplinski kontrasti i u prizemnom dijelu atmosfere Noću se nastavlja dugovalno zračenje tla i time se T smanjuje 7
TEMPERATURA TLA Mjerenja srednje dnevne temp. ljeti za USA; (iz Pielke, 2002) Nivo z(cm) Vođenju topline u tlu (QG)ovisi o: 1) Vodljivosti individualnih čestica tla 2) Veličini čestica tla (može varirati od 1μm za glinu i do 100 μm za pijesak) 3) Kompaktnosti tla gledajući kroz poroznost i vlažnost tla 4) Stanje tla-zamrzavanje i topljenje tla također igra ulogu u toku topline 1 0 2 0.5 3 1.5 4 3 5 5 6 8 7 12 8 18 9 26 10 36 11 48 12 62 13 79 14 100 8
Dnevni hod površinske temperature T G F (T G ) = Q H +Q L +Q G +(Q A )- (1- α)s -Lo +εσt s 4 postoji zaostajanje u hodu temp. za max dozračene sunčeve energije 9
Temperatura površine Temp. vodene površine manje se mijena od T tla Kopno: Zbog male toplinske vodljivosti tla danju se lako zagrijava, a noću lako hladi Dnevne promjene temp. tla do dubine 70 cm. Godišnje promjene temp. tla do 10-tak m dubine U tlu se toplina gubi samo iz površinskog sloja (a) T ( C) 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 1 4 7 10 13 16 19 22 t (h) Tzraka ( C) Tmora ( C) More: Sporije se hladi ili grije zbog 4 puta većeg specifičnog toplinskog kapaciteta vode (od tla); Vođenje topline bolje, Kroz vodu prodire Sunčevo zračenje (do 60 cm) i atmosfersko protuzračenje U morima i oceanima miješanje, a time i vertikalni i horizontalni prijenos topline (more veći akumulator topline) Ohlađuje se velika masa vode, pa je smanjenje temp. na površini neznatno 10
Temperatura zraka Temperatura zraka odražava odnos između primitka i gubitka toplinske energije!!!najniže mjerene temp. 1983. g. Antarktika, -89 C, 1892. g. Rusija, -68 C, 1954. g. Grenland, -66 C.!!!!!!Najviše mjerene temp. 1922. g. Libija, 58 C, 1913. g. Kalifornija, 57 C, 1942. g. Izrael, 54 C 1956. g. Antarktika, 14 C.!!! Tijekom noći uslijed radijacijskog hlađenja, tlo i sloj zraka koji je s njim u kontaktu hlade se brže nego sloj zraka iznad-noćna inverzija Tijekom ranojutarnjih sati to je sloj s najnižim temperaturama u slučaju vedrog vremena (s malo vlage) i bez vjetra - nema konvekcije Duže noći duže trajanje radijacijskog hlađenja utjecaj na vegetaciju Mraz ili zaleđivanje drveća-može uzrokovati lomljenje grana
Temperatura zraka Temperaturu zraka određuje: 1) geog. širina 2) raspodjela kopnene i vodene površine 3) Morske struje;veliki izvori topline zbog velikog toplinskog kapaciteta 4) Nadmorska visina; gradovi na većim visinama imaju nižu temp. nego oni na nižim Najveća varijabilnost u dnevnom hodu temperature je pri tlu (za vedra vremena) Važne veličine Na dnevnoj skali Tmin i Tmax-> razlika može biti i do 30 C 1)dnevna amplituda = Tmax-Tmin 2)srednja dnevna temperatura= srednjak satnih mjerenja T Na godišnjoj skali Srednje mjesečne temperature za svaki mjesecobično Tmin = T(siječanj) i Tmax =T(srpanj) nad kopnom Temperature zraka (ili tla) mjerimo termometrima Srednja dnevna T < 15 C u 3 uzastopna dana predstavlja prag za rad toplana u Zagrebu 1)godišnja amplituda = razlika srednjih mjesečnih T (najtoplijeg i najhladnijeg mjeseca) 2)srednja godišnja temperatura= srednjak 12 srednjih mjesečnih T Poznavanje dana s određenim T pragom bilo za grijanje bilo za hlađenje daje procjenu potrošnje za energijom. 12
Canopy layer -Natkriti sloj Canopy layer-može biti i 30 m iznad tla, sastoji se od preklapajućih grana i lišća stabala npr. šume. Tf=temp. lišća ( ) Taf=temp. natkritog sloja (..) TG=temp. tla (------) Usporedba dnevnog temperaturnog hoda za 4 kombinacije vegetacije i tla (a)= trava & treset (σf=0.85) (b)= trava & pješčana podloga (σf=0.75) (c)= drveće & pješčana glina (σf=0.90) (d)= drveće & pješčana ilovača (σf=0.90)
Temperatura zraka Urbani toplinski otok Urbani toplinski otok: 1) Najniži urbani sloj (ispod krovova kuća) pojačano apsorbira kratkovalno zračenje Sunca zbog smanjenog albeda 2) Smanjeno je dugovalno zračenje s uličnih kanjona 3) Postojanje onečišćujućih tvari vodi prema povećanju atmosferskog protuzračenja 4) Dnevne zalihe topline su veće zbog velikih toplinski kapaciteta gradskih materijala 5) Dodana je antropogena toplina (iz prometa i industrije, grijanje kuća i zgrada) 6) Smanjena je evaporacija pa stoga i tok latentne topline zbog smanjene vegetacije 7) Urbana morfologija značajno djeluje na strujanje u gradovima termalni inducirani lokalni vjetar na marginama većih gradova. 14
Temperatura zraka heatstroke -toplinski udar-posebno izražen u urbanim mjestima -velika količina vlažnosti (uz visoku temperaturu) u zraku smanjuje znojenje->slabije hlađenje organizma ->povećava se temp. organizma. Gubitkom vode iz organizma, može doći do pojave grčeva, glavobolja, malaksalosti, nesvjestice Povisivanjem temp. org. > 41 C dolazi do toplotnog udara- sa smrću kao konačnim ishodom HI (heat indeks)-kombinira T i rh T>38 C i rh>60% - uvjeti za pojavu toplotnog udara!!!heat waves: -> u Čikagu, 1995; 48 C i 40% Mnogo umrlih u vozilima gdje T > 87 C -> u Francuskoj, 2003.!!! 15
Atmosferski tlak Molekule plinova u zraku neprekidno se i nepravilno gibaju te stoga sa svih strana udaraju u predmete koji se dodiruju sa zrakom. Udarci su tako česti da djeluju kao neprekidna sila. Ta sila, podijeljena s površinom na koju okomito djeluje jest atmosferski tlak ili tlak zraka. U standardnoj atmosferi, tlak na razini mora iznosi 1013 hpa (1013 mb). najčešće pretpostavljamo da se atmosfera ponaša kao idealni plin plin male gustoće sudaranje atoma ili molekula potpuno elastično, prosječna udaljenost susjednih molekula ili atoma puno veća od međučestičnih sila sva unutarnja energija u formi KE. 16
Plinska jednadžba za idealni plin Najčešće pretpostavljamo da se atmosfera (koja je smjesa plinova) ponaša kao idealan plin te promatramo čest zraka (masu zraka od 1 kg ili jediničnu masu) Opisujemo je varijablama stanja termodinamičkim varijablama: tlak (p), temperatura (T), volumen (V), specifični volumen (α =V/m =1/ρ), gustoća (ρ) Za termodinamičke varijable vrijede zakoni: Daltonov zakon (tlak koji tlači smjesa plinova jednak je sumi parcijalnih tlakova svih plinova): Boylov zakon (1662. godine) (uz konstantnu m i T ) n k = 1 p k pv =konstantno Charlesov zakon (ili Gay-Lussacov) (1787. godine) (uz konstantnu m i p ) V/T =konstantno 17
Plinska jednadžba za idealni plin Zakon do kojeg se dolazi kombinacijom druga dva zakona za konstantnu masu je: pv/t=k (gdje je k=konstanta proporcionalnosti) Pri standardnim uvjetima k=r* (univerzalna plinska konstanta) 18
Plinska jednadžba za idealni plin Promatramo 1 kmol idealnog plina molekularne mase M volumen, temperatura i tlak plina V m, T i p specifični volumen plina α = V m / M volumen plina V m = α M za 1 kmol plina vrijedi jednadžba pα M = R* T gdje je R* univerzalna plinska konstanta 19
Plinska jednadžba za idealni plin jednadžba stanja idealnog plina (za suhi zrak) pα = (R*/ M) T = T = R*/M specifična plinska konstantaidealnog plina (J kg -1 K -1 ). za (suhi) zrak iznosi 287 J(kg K) -1 p ~ ρ i T pα = T p = ρ T 20
Plinska jednadžba za realni plin van der Waalsov radijus odbojna sila privlačna sila Realni plin ima veću gustoću od idealnog plina, pa time njegovo ponašanje odstupa od idealnog Zbog veće gustoće, prosječna udaljenost susjednih molekula ili atoma u realnom plinu dovoljno je mala da potencijalna energija (PE) bitno utječe na ponašanje plina Radijus udaljenosti čestica za koji je PE =0, naziva se van der Waalsov radijus. Ako je udaljenost među česticama manja od van der Waalsovog radijusa (plin je dovoljno gust), PE je pozitivna, pa se čestice međusobno odbijaju. Ako je udaljenost među česticama veća od van der Waalsovog radijusa, čestice se međusobno privlače. 21
Plinska jednadžba za realni plin Stanje realnog plina moramo opisati jednadžbom kompliciranijom od jednadžbe stanja idealnog plina. Takva jednadžba mora obuhvatiti i privlačenje i odbijanje molekula ili atoma plina. Postoji više jednadžbi od kojih se najčešće upotrebljava van der Waalsova jednadžba (po nizozemskom znanstveniku Johannes Diderik van der Waals (1837-1923) koji je zbog svog doprinosa vezanog uz jednadžbu stanja plinova i tekućina 1910. godine dobio Nobelovu nagradu iz fizike). 22
Plinska jednadžba za realni plin van der Waalsova jednadžba (p+an 2 /V 2 )(V-nb) = nr*t a, b van der Waalsove konstante p tlak, T temperatura V volumen n broj kmola plina 23
Plinska jednadžba za realni plin; van der Waalsova jed. (V,p) dijagram Budući da je van der Waalsova jednadžba jednadžba trećeg stupnja u volumenu, izoterme su krivulje trećeg stupnja (jednoj vrijednosti tlaka pripadaju tri vrijednosti volumena) Unutar osjenčanog područja imaju oblik poput onog prikazanog za temperaturu T zelenom krivuljom. Od A B tlak raste pri porastu volumena. Posljedica formule, a ne odgovara fizikalnoj realnosti (pv=konst). Stvarne izoterme unutar osjenčanog područja imaju takav oblik da pri porastu volumena tlak = konstantan, (crne pune linije). Kritična točka (Vc,pc) na izotemi Tc je točka infleksije. 24
Plinska jednadžba za realni plin; van der Waalsova jed. Za temperature više od kritične van der Waalsova jednadžba dobro opisuje ponašanje realnog plina. Kako su Tc nekih atmosferskih sastojaka daleko niže od atmosferskih temperatura, ponašanje atmosfere sasvim dobro opisuje i jednadžba stanja idealnog plina, koja je od jednadžbe realnog plina jednostavnija. Stoga se u meteorologiji umjesto jednadžbe stanja realnog plina koristi jednadžba stanja idealnog plina. 23
Atmosferski tlak Tlak opada visinom isprva naglo, a zatim sve sporije Za stupac zraka jediničnog presjeka dvije sile moraju biti u ravnoteži: sila teža i vertikalna komponenta sile gradijenta tlaka Iz te ravnoteže proizlazi jednadžba hidrostatičke ravnoteže: p = ρg z To je diferencijalna jednadžba koja pokazuje opadanje tlaka visinom. Posljedica ravnoteže dviju sila su mala vertikalna gibanja bez vertikalne akceleracije istih Iz hidrostatičke ravnoteže možemo procijeniti visine izobarnih ploha: 26
Atmosferski tlak Visinom tlak se mijenja (pri temp., T = 0 C, tlak se smanji za 1 hpa za dz =8 m-barometarska stopa) Potrebno je svesti barometarske podatke (svedene na 0 C) još i na srednju razinu mora. Takva se redukcija radi kad se uspoređuju s više meteoroloških postaja exp Prizemno polje tlaka je raspodjela atmosferskog tlaka svedenog na nadmorsku visinu od 0 m. Prikazujemo ga izobarama (linije istog tlaka, p=konstantno) (svakih 5 hpa) Neki karakteristični oblici izobara imaju posebna imena: ciklona, anticiklona, dolina, greben itd. 27
Atmosferski tlak Ako na nekom horizontalnom nivou atmosfere tlak nije uravnotežen, javlja se sila horizontalnog gradijenta tlaka ( H p)koja pokreće zrak iz područja većeg tlaka u područje manjeg tlaka glavna pokretačka sila gibanja u atmosferi je sila ( H p ) Važno poznavanje horizontalne raspodjele tlaka (iscrtavan izobarama za normalizirani tlak na npr. NN) 28
Oblici u polju tlaka greben ciklona dolina anticiklona ciklona Prizemna sinoptička karta 29
Visinska sinoptička karta Ista sinoptička situacija u visini dolina niskog tlaka greben visokog tlaka 30
Izobarna ploha je ploha na kojoj je tlak konstantan (p=konst) U meteorologiji je prema međunarodnom dogovoru uobičajeno prikazivati i analizirati stanje atmosfere na standardnim izobarnim plohama: 1000, 925, 850, 700, 500, 300, 250, 200, 100, 50, 30 i 10 hpa. Tlak (hpa) Prosječna visina (km) 1000 0 Napomena 925 0.8 nije obavezna 850 1.5 700 3.5 500 5.5 300 11-12 približno u visini polovice troposfere približno na granici tropopauze Visinskim radiosondažama na tim plohama se mjere tlak, temperatura, temperatura rosišta smjer i brzina horizontalnog vjetra. Standardne izobarne plohe u donjoj atmosferi i njihova prosječna nadmorska visina u umjerenim zemljopisnim širinama. 31