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 Sevanje ozračja Selektivnost Efekt tople grede Neto sevanje oziroma sevalna bilanca

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).

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.

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

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)

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.

Sevanje tal 99 % sevanja tal in ozračja je dolgovalovnega (DV). SEVANJE TAL – tla sevajo v skladu s Štefanovim zakonom za siva telesa.

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.

Sevanje tal in ozračja Atmosferska absorpcija Sončno Terestrično Prirejeno po: Fleagle and Businger, 1980: An Introduction to Atmospheric Physics, p. 232

Kako je oddano sevanje sistema Zemlja-Atmosfera primerljivo z zakoni sevanja ? črno telo ozračje “OKNO”

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, ...

Sevanje ozračja Jasno nebo (e –delni parni tlak v mb, T2m – T zraka na 2m v K ) Oblačno nebo (n – je oblačnost v desetinah)

Efekt tople grede. 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 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 ogrevanje NISTA 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.

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.

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

OD KOD RAZLIKA???  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.

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.

Koncentracije plinov tople grede

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: Noč: jGO jRN jOZR TLA×jGO jTLA jOZR jRN Netosevanje Dan: Noč: jGO = vpadno sončno sevanje TLA×jGO = odbito sončno sevanje jOZR = DV sevanje ozračja jTLA = DV sevanje tal jRN = neto sevanje

Neto sevanje ENERGIJSKA BILANCA SISTEMA POVRŠJE-ATMOSFERA +100 -30 © 1998 Wadsorth Publishing -- Essentials of Meteorology (Ahrens)

Kondukcija in konvekcija

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

Temperatura Toplota 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.

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!

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

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.

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

jG,1 se ohlaja jG,1 < jG,2 jG,2 jG,1 se segreva jG,1 > jG,2 jG,2 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

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

Opis temperature površine tal 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 zD je globina dušenja temperaturnih nihanja - globina na se amplituda nihanja zmanjša na e-1 oziroma 37% vrednosti, ki jo ima na površju

Če nas zanimajo le nihanja amplitude A(z) Poletje Dan Zima Noč z A(0) - razpon temperaturnih nihanj na površini tal [K] A(z) - razpon temperaturnih nihanj na globini z [K]

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

Kondukcija TOPLOTNA IN TEMPERATURNA PREVODNOST za nekatere tipe tal

Vpliv vode v tleh na različne lastnosti tal toplotna prevodnost toplotna kapaciteta toplotna dostopnost temperaturna prevodnost (toplotna difutivnost) from Oke, T., (1987)

LEVO: Temperaturni profil v snežni odeji ob različnem lokalnem času (vir: Oke, 1987). SNEG DESNO: Nočni temperaturni profil v novo zapadlem snegu ter z njim pokritimi tlemi ob različnem lokalnem času (vir: Oke, 1987)

Kondukcija TOPLOTNA IN TEMPERATURNA PREVODNOST za nekatere snovi

Konvekcija Convection delec zraka Prenos toplote z gibanjem tekočine – mešanjem. Pomemben proces v ATMOSFERI IN OCEANIH delec zraka MEŠANJE T T T termična konvekcija

Konvekcija Convection 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, ...

Konvekcija Convection 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 1kcal = 4186,8J Temperatura (ºC) Kilokalorije - kcal Za dvig temperature 1 kg vodne pare iz 100 ºC na 150 ºC porabimo približno 23 kcal oz. 96kJ 150 Da izhlapimo 1 kg vode, porabimo približno 537 kcal oz. 2.25 MJ, T = konst. 100 Za dvig temperature 1 kg vode iz 0°C na 100 ºC porabimo približno 100 Kcal oziroma 419 kJ. Zaznavna toplota je toplota, ki se porablja oziroma sprošča pri temperaturnih spremembah. Temperatura (ºC) 50 Da stopimo 1 kg ledu, porabimo približno 80 kcal oz. 334 kJ , a temperatura se ne spremeni. Latentna toplota je toplota, ki se porablja oziroma sprošča pri faznih spremembah in ne spremembah temperature. Da segrejemo 1 kg ledu iz –50°C na 0°C, porabimo približno 25 kcal oz. 105 kJ. -50 100 200 300 400 500 600 700 Kilokalorije - kcal

Konvekcija – zaznavna toplota 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 gradienta v tekočini, gostote tekočine, njene toplotne kapacitete ter turbulentne difuzivnosti za prenos zaznavne toplote.

Konvekcija – zaznavna toplota 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]

Konvekcija – latentna toplota 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 vlage v tekočini, gostote tekočine, izparilne toplote za vodo ter turbulentne difuzivnosti za prenos latentne toplote.

Konvekcija – latentna toplota 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]

Energijska bilanca tal 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

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] + + - +

Bowenovo razmerje Convection PRAKTIČNO IZRAČUNAVANJE jA IN 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.

Bowenovo razmerje BOWENOVO RAZMERJE – razmerje med gostoto turbulentnega toka zaznavne in latentne toplote. Ob predpostavki da približno velja KA = KLE izpeljemo zgornjo enačbo, s pomočjo katere lahko ob meritvi zračne vlaga in temperature zraka na dveh nivojih ocenimo Bowenovo razmerje:

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!

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 Tzrak in Ttla ter vlage. jG - kondukcijo ocenimo na podlagi meritev Ttla(z) ter tipa tal. nivo 1 E - izhlapevanje (v mm) L - izparilna toplota za vodo

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.

Grelci zmanjšujejo jLE vendar povečujejo A 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.

Dovajanje toplote viša temperaturo zraka v nasadih.

Učinkovitost vetrovnih pregrad je odvisna od njihove gostote.