Sugárzási alapismeretek Évi bejövő sugárzásmennyiség 1976-os kínai földrengés Föld széntartalékának energiája Föld olajtartalékának energiája Föld gáztartalékának energiája Krioszféra által abszorbeált látens hő Északi-tenger olajtartaléka Éves energiafelhasználás (USA) Éves energiafelhasználás (UK) Hőfluxus a Föld belsejéből A Krakatau 1883-as kitörésekor felszabadult energia A csillagokból érkező össz. sugárzás
Energia × 1020 J 54 385 5006 1952 179 134 15 3 0,75 0,09 0,006 0,00149 0,0000006
Energiamennyiségek összehasonlító táblázata
Sugárzási alapismeretek Alapismeretek Sugárzások: 1. 2.
Részecskesugárzás (korpuszkulásris anyag – elektronok, protonok) Elektromágneses sugárzás (zérus nyugalmi tömegű fotonok árama)
Elektromágneses sugárzás: Prévost-tétel: Minden test sugároz környezetének hőfokától függetlenül
Az elektromágneses sugárzás jellemzői •
hullámtermészet
•
az energia és a hullámhossz fordított arányban állnak
•
terjedési sebesség (v) (független a hullámhossztól és a sugárzást kibocsátó test tulajdonságaitól). Légüres térben minden elektromágneses sugárzásra ugyanakkora (fénysebesség): c = 2,998 ⋅ 10 8 ms −1
•
hullámhossz (λ)
•
frekvencia (f) [s–1]
•
sugárzás erőssége: -sugárzásfluxus (időegység alatt kibocsátott, vagy kapott energia mennyiség: J s–1 = W)
f = v ⋅ λ −1
-radiancia (egységnyi felület által egységnyi térszögben kibocsátott, vagy kapott sugárzásfluxus: W m–2 steradián) radiancia függ a test anyagi tulajdonságaitól – fekete test
Az elektromágneses sugárzás
Sugárzási törvények Kirchoff-törvény (1860): a kibocsátott és elnyelt sugárzás aránya állandó egy test elnyelése (abszorpciója) és kibocsátása (emissziója) függnek: -hőmérséklet -hullámhossz -test tulajdonságai (felület, szín, ....) így az egyes testek abszorpciója és emissziója eltérő, azok aránya viszontállandó:
e(λ , T ) E (λ , T ) = = E (λ , T ) a (λ , T ) A (λ , T ) ahol A(λ, T) az abszolút fekete test abszopciója = 1. Következmények: -a kisugárzott és elnyelt energiák hányadosa nem függ az anyag minőségétől -a jó elnyelő test egyben jó kisugárzó is
Sugárzási törvények Planck-törvény (1900): egy test által kisugárzott energiaspektrumot írja le:
c1 ⋅ λ−5 E ( λ , T ) = c 2 / λT e −1 c1 = 3,742 ⋅ 10 −16 J m 2 s −1
c 2 = 1,439 ⋅ 10 −2 m K
ez a korábban ismert Rayleigh-Jeans féle képlet (az infravörös tartományban írja le a sugárzás eloszlását) és a Wien-féle képlet (az ultraibolya tartományban írja le a sugárzás eloszlását) egyesítése két fontos megállaptás: Minél magasabb a hőmérséklet, annál nagyobb a kisugárzott teljes energia Minél magasabb a hőmérséklet, annál kisebb a max. hullámhossz ezeket a Wien-tv. és a S-B-tv. írják le
Sugárzási törvények Wien-törvény (1893): a fekete test maximális emisszió képességéhez tartozó hullámhossz (λmax) az abszolút hőmérséklettel fordítva arányos 2884 λ max [µm] = Tc a konstans csak empirikusan állapítható meg Eltolódási törvénynek is hívják: megadja, hogy a hőmérséklet növekedésével hogyan tolódik el a kisugárzás maximuma az alacsonyabb hullámhossz irányába
Sugárzási törvények
Stefan-Boltzman-törvény (1878-1884): empirikus, ill. elméleti úton leírt törvény: a fekete test teljes kisugárzott energiája csak a hőmérséklettől függ: fekete testre:
Eteljes = σ ⋅ T4 szürke testre:
Eteljes=ε ⋅σ ⋅T4 σ a Stefan-Boltzman-féle állandó: σ = 5,67 ⋅10−8 W m−2 K−4
ε a szürkeségi tényező
A Nap sugárzása Részecske sugárzás – hatásai: sarki fény, rádióhullámok terjedése Elektromágneses sugárzás A Nap elektromágneses sugárzásának 99%-a 0,15 és 4 µm közé esik
λ max = 0,474µm ebből a Wien törvény alapján meghatározható a Nap színhőmérséklete: T = 6100 K (valóságban valamivel alacsonyabb, 5800 K, mert a Nap nem tökéletes fekete test) Sugárzás a légkör határán: Mérések alapján a légkör külső határára érkező sugárzás állandó, értéke:
S = 1390 W m −2
A felszínre érkező sugárzás tér- és időbeli eloszlása
1. A Nap-Föld távolság változása: -nem idéz elő nagy változást napközel: december, naptávol: június (Az eltérés az átlagoshoz képest 1,67%) Déli félteke nyara napközelben, Északi naptávolban következik be DE mégsem jut a Déli félteke több sugárzáshoz, mert ez az időszak 8 nappal rövidebb, mint a téli szakasz.
A felszínre érkező sugárzás tér- és időbeli eloszlása 2. Beesési szög: -erős változást okoz a felfogott sugárzásban -földrajzi övezetesség -domborzat sugárzási viszonyai (irányítottság, sugárzás változása a magassággal)
A felszínre érkező sugárzás tér- és időbeli eloszlása 3. Föld árnyéka:
Következmények: -a légkör magasabb rétegeiből egyre kisebb hányad esik a Föld árnyékába -nyári napforduló idején a magassággal együtt nő az a légköri övezet, ahol a Nap állandóan a horizont fölött van (téli napforduló esetén fordítva) -a légkör felső rétegeiben a pólusok fölötti tartomány évi összegben több napsütést élvez, mint az alacsonyabb szélességek Hatások: légkör magasabb rétegeiben a hőmérséklet eloszlása magaslégköri áramlások
A napsugárzás légköri újraeloszlása
Elnyelések
ózon: a spektrum 0,22 és 0,29 mm közötti része kisebb elnyelés 0,5 és 0,7 mm között az elnyelés a beérkező energia kb. 2%-át érinti vízgőz: jelentős elnyelés hosszúhullámon, de infravörösben is hatása leginkább az alsó 5 km-es rétegben érvényesül eloszlása nagyon változékony szén-dioxid: több elnyelési sáv, eloszlása egyenletesebb
Szóródások nem történik energiaátalakulás (sugárzási energiából hőenergia) a sugárzás terjedésének iránya változik molekulák:Rayleigh a szóródás mértéke fordítottan arányos a hullámhossz 4-ik atványával következmény: a látható spektrum kék széle 16-szor jobban szóródik, mint a vörös (ég kék színe, lenyugvó Nap vöröses színe) részecskék: Mie hullámhossz függés jóval kisebb fordítottan arányos a hullámhossz 1,3-ik hatványával következmény: légkör külső határán a max. energiát hordozó sugárzás a 0,474 mm-es kék, a felszínen a 0,555 mm-es sárga. (a szemünk erre a legérzékenyebb)
Hosszúhullámú sugárzás terresztriális sugárzás Föld átlaghőmérséklete:288K Kisugárzás: 4 és 100 µm között, maximum: 10 µm-nél Gyengítések: vízgőz, 20 µm fölött, 5-8 µm között szén-dioxid: 3,5-4 µm, 13-17µm között légköri ablak: 8-13 µm között
Sugárzási egyenleg komponensei RH sugárzás (0,286–4 mm hullámhosszúságú sugárzás – a Nap sugárzásának 99%-a) Globálsugárzás: a vízszintes síkra a felső féltérből érkező összes rövidhullámú sugárzás. Diffúz sugárzás (szórt, vagy égboltsugárzás): a vízszintes síkra a felső féltérből érkező összes rövidhullámú sugárzás, kivéve ami a Nap korongjának irányából érkezik. Direkt (közvetlen) sugárzás: a Nap korongjának térszögéből a Nap irányára merőlegesen álló felületre belépő rövidhullámú sugárzás. Reflex (visszavert) sugárzás: a vízszintes síkra az alsó féltérből érkező rövidhullámú sugárzás. HH sugárzás (4–80 mm hullámhosszúságú sugárzás – a Föld+légkör sugárzásának 99%-a) Légköri visszasugárzás: a vízszintes síkra a felső féltérből érkező összes hosszúhullámú sugárzás. (A felszín által felmelegített légkör energiájának egy részét visszasugározza a felszín felé). Kisugárzás: a vízszintes síkra az alsó féltérből érkező összes hosszúhullámú sugárzás. Rövidhullámú sugárzási egyenleg: a globálsugárzás és a reflex sugárzás különbsége. Hosszúhullámú sugárzási egyenleg: a légköri visszasugárzás és a kisugárzás különbsége. Teljes sugárzási egyenleg: a rövid- és hosszúhullámú sugárzási egyenlegek összege. Albedó: a vízszintes síkra beérkező, illetve onnan visszavert rövidhullámú sugárzás hányadosa.
Albedó értékek
Felszín-típus
Nyári félév
Téli félév
vízfelszín
0,08
0,08
hófelszín
-
0,40-0,85
csupasz talaj
0,15
0,15
alacsony vegetáció
0,19
0,23
közepes vegetáció
0,17
0,23
- lombhullató erdő
0,16
0,17
- vegyes erdő
0,14
0,15
- tűlevelű erdő
0,12
0,12
beépített területek
0,18
0,18
erdő
