Η ακτινοβολία στην ατμόσφαιρα

Τι ονομάζουμε ακτινοβολία;  Η εκπομπή και διάδοση ενέργειας με ηλεκτρομαγνητικά κύματα (ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία).  Τα χαρακτηριστικά της ακτινοβολίας είναι: ταχύτητα φωτός (c) μήκος κύματος (λ) συχνότητα (ν)

 Η ενέργεια που εκπέμπεται ή απορροφάται από ένα σώμα συνήθως αποτελείται από ένα σύνολο ανεξάρτητων μονοχρωματικών ακτινοβολιών, δηλαδή διαφόρων μηκών κύματος.  Η κατανομή της ενέργειας της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, ως συνάρτηση του μήκους κύματος ονομάζεται φάσμα.

Για τη μετεωρολογία:  Ηλιακή ακτινοβολία ή ακτινοβολία μικρού μήκους: 0,3 έως 3,0 μm  Γήινη ακτινοβολία ή ακτινοβολία μεγάλου μήκους: 3,5 έως 50 μm  Η υπέρυθρη ακτινοβολία λέγεται και θερμική ακτινοβολία.

Ροή της Η/Μ ακτινοβολίας  η ενέργεια που διέρχεται στη μονάδα χρόνου από τη μονάδα της επιφάνειας, που τοποθετείται κάθετα στη δ/νση ακτινοβολίας

Ένταση της Η/Μ ακτινοβολίας  Η ενέργεια που διέρχεται, κατά μια διεύθυνση, στη μονάδα του χρόνου και της στερεάς γωνίας από τη μονάδα της επιφάνειας που τοποθετείται κάθετα στη διεύθυνση αυτή

 Κάθε υλικό σώμα (στερεό, υγρό, αέριο) ακτινοβολεί ενέργεια με τη μορφή Η/Μ ακτινοβολίας. Το φάσμα της ακτινοβολίας αυτής εξαρτάται από τη θερμοκρασία του σώματος και το είδος της επιφάνειας του.

Χρήσιμες έννοιες  Αφετική ικανότητα ή ικανότητα εκπομπής για ορισμένο μήκος κύματος λ και για μια ορισμένη θερμοκρασία είναι η ενέργεια που εκπέμπει το σώμα αυτό από τη μονάδα επιφάνειας στη μονάδα του χρόνου.  Το ποσοστό της ενέργειας που απορροφάται από ένα σώμα (από τη συνολική ενέργεια που προσπίπτει πάνω του) λέγεται απορροφητική ικανότητα ή συν/της απορροφήσεως (α). Εξαρτάται από το λ και την επιφάνεια του σώματος.

…συνέχεια  Το ποσοστό της ακτινοβολίας που ανακλάται από το σώμα ονομάζεται ανακλαστική ικανότητα ή συν/της ανακλάσεως (r) του σώματος.  Το ποσοστό της ακτινοβολίας που διαπερνά το σώμα ονομάζεται συν/της διαφάνειας ή διαφάνεια ή συν/της μεταφοράς (t) του σώματος.  Οι δυο παραπάνω εξαρτώνται επίσης από το λ και την επιφάνεια του σώματος.

Ειδικές περιπτώσεις  Αν για ένα σώμα ισχύει:  α=1, τότε το σώμα λέγεται «μέλαν σώμα».  α=0, τότε το σώμα λέγεται «λευκό σώμα».

Νόμοι της ακτινοβολίας  Νόμος του Kirkhoff: ο συν/τής εκπομπής είναι ο λόγος της εκπεμπόμενης ενέργειας από ένα σώμα προς την ενέργεια που θα έκπεμπε αν το ίδιο σώμα ήταν μέλαν σώμα.  Νόμος του Planck: Η μονοχρωματική ακτινοβολία που εκπέμπει ένα μέλαν σώμα θερμοκρασίας Τα εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία και το μήκος κύματος της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας.

Νόμοι…συνέχεια  Νόμος του Wien: Το γινόμενο της απόλυτης θερμοκρασίας του μέλανος σώματος και του μήκους κύματος (λ m ) που αντιστοιχεί στο μέγιστο της εκπεμπόμενης από αυτό ισχύος είναι σταθερό, δηλ.

και  Νόμος Stefan-Boltzmann: H ολική ισχύς που εκπέμπεται από τη μονάδα επιφάνειας μέλανος σώματος είναι ανάλογη της τέταρτης δύναμης της απόλυτης θερμοκρασίας του: όπου σ=5,67·10 -8 η σταθερά Stefan-Boltzmann

Ηλιακή ακτινοβολία  Το τμήμα της ΗΜ ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια του εδάφους εκτείνεται από 0.15 έως 4 μm.  Δεχόμαστε ότι ο ήλιος λειτουργεί σαν μέλαν σώμα.  Ο ρυθμός εκπομπής είναι σταθερός από όλη την επιφάνεια του ήλιου.

Ηλιακή σταθερά  Είναι η τιμή της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας που μετριέται στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας, όταν η γη βρίσκεται στη μέση απόσταση της από τον ήλιο.  I 0 =1380 W·m -2 ± 1%  Μεταβολή της I 0 θα σήμαινε μεταβολή της μέσης θερμοκρασίας της Γης  λιώσιμο ή επέκταση πάγων  άνοδος ή κάθοδος της στάθμης της θάλασσας

H ηλιακή ακτινοβολία στην ατμόσφαιρα  Άμεση ηλιακή ακτινοβολία (direct solar radiation): το ποσοστό της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια της γης απευθείας  Διάχυτη ηλιακή ακτινοβολία (diffuse solar radiation): το ποσοστό που διαχέεται από την ατμόσφαιρα και φτάνει στην επιφάνεια του εδάφους

…συνέχεια  Ανακλώμενη ηλιακή ακτινοβολία (reflected solar radiation): το ποσοστό που ανακλάται από το έδαφος και επιστρέφει στην ατμόσφαιρα  Γήινη ακτινοβολία (terrestrial radiation): η επιφάνεια του εδάφους θερμαίνεται από την ακτινοβολία που πέφτει και η επιφάνεια με τη σειρά της εκπέμπει ακτινοβολία (νόμος Stefan Boltzmann)  Ατμοσφαιρική ακτινοβολία (atmospherical radiation): η ίδια η ατμόσφαιρα, λόγω της θερμοκρασίας της, ακτινοβολεί προς όλες τις κατευθύνσεις

 Ισοζύγιο ακτινοβολιών: Πολύ σημαντικό για κάθε επιφάνεια  ΑΜΕΣΗ+ΔΙΑΧΥΤΗ=ΟΛΙΚΗ (global)

Εξασθένηση της ηλιακής ακτινοβολίας στη γήινη ατμόσφαιρα  Αν η ηλιακή ακτινοβολία έφτανε στη Γη χωρίς καθόλου απώλειες, θα γινόμασταν…στάχτη  Διαδικασίες εξασθένησης:  Σκέδαση-διάχυση (μεταβολή δ/νσης ακτινοβολίας)  Απορρόφηση (μεταβολή της ηλιακής ενέργειας σε θερμότητα)

Η ηλιακή ακτινοβολία στην επιφάνεια της γης  Ποικίλλει από τόπο σε τόπο και από χρόνο σε χρόνο: Αστρονομικοί παράγοντες  Μεταβολή απόστασης Γης-Ήλιου  Το ύψος του Ήλιου πάνω από τον ορίζοντα Γεωγραφικοί παράγοντες  Ύψος από επιφάνεια θάλασσας  Τοπογραφία σημείου παρατήρησης  Ανακλαστικότητα επιφάνειας Γεωμετρικοί παράγοντες  Προσανατολισμός και κλίση της επιφάνειας Διαδρομή της μέσα στην ατμόσφαιρα

ΓΗΙΝΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ  Ορισμός: το σύνολο των ακτινοβολιών που εκπέμπονται από την επιφάνεια της γης και από την γήινη ατμόσφαιρα  Πρακτικά το φάσμα της κυμαίνεται μεταξύ 1.5 μm και 100 μm

Απορρόφηση της γήινης ακτινοβολίας  Έντονη απορρόφηση από τα συστατικά της ατμόσφαιρας (H 2 O, O 3, CO 2 )  αποτέλεσμα της απορρόφησης η θέρμανση της ατμόσφαιρας  Μεταβολή των συστατικών  μεταβολή της απορροφούμενης ακτινοβολίας  Στην περιοχή 8μm-12μm (ατμοσφαιρικό παράθυρο) υπάρχει μικρή απορρόφηση  Τη νύχτα, η απώλεια της ακτινοβολίας προς το διάστημα ψύχει τα παρεδάφια στρώματα

Το φαινόμενο του θερμοκηπίου (Greenhouse Effect)

Κατανομή της ηλιακής ακτινοβολίας πάνω από την ελληνική περιοχή

Μέσο Ενεργειακό Ισοζύγιο  Αν δεν υπήρχε μεταφορά θερμότητας στη γη, η επιφάνεια της γης θα θερμαινόταν συνεχώς και η ατμόσφαιρα θα κρύωνε  Αλλά: υπάρχει μεταφορά θερμότητας μέσω της γενικής κυκλοφορίας της ατμόσφαιρας και των θαλάσσιων ρευμάτων από τις θερμότερες περιοχές προς τις ψυχρότερες

Ισοζύγιο ακτινοβολίας στην επιφάνεια της Γης (Earth Radiation Budget) R=E+T+S  R: καθαρή ακτινοβολία  Ε: θερμότητα που απομακρύνεται από την επιφάνεια μέσω της εξάτμισης  Τ: άκτινοβολία που απομακρύνεται από την επιφάνεια προς αέρα μέσω αγωγής ή μεταφοράς της αισθητής θερμότητας  S: ακτινοβολία που μεταφέρεται στο υπέδαφος της ξηράς-θάλασσας Στο βιβλίο πιο αναλυτικά

Ηλιοφάνεια  Το χρονικό διάστημα που η άμεση ηλιακή ακτινοβολία φτάνει μέχρι την επιφάνεια του εδάφους  Ελαττώνεται από την παρουσία νέφωησης και τοπογραφιά τοποθεσίας