Zobacz inne przedmioty:

Bilans cieplny Ziemi

kategoria: Klimat i pogoda

Bilans cieplny Ziemi

  • Bilans cieplny Ziemi

  • Każde ciało zawiera pewien zasób energii cieplnej który określa jego temperaturę. Temperatura, oraz jej nieustanne zmiany zależą od wymiany ciepła pomiędzy powierzchnią Ziemi i atmosferą. Zmiany te w samej atmosferze uzależnione są natomiast od wymiany pomiędzy jej warstwami w pionie, oraz między masami w poziomie, jak również pomiędzy atmosferą a przestrzenią kosmiczną. Wymiana ciepła odbywa się na drodze:

     

    • Promieniowania krótkofalowego Słońca, pochłanianego przez atmosferę i powierzchnię Ziemi.
    • Przewodnictwa cieplnego pomiędzy powierzchnią Ziemi a podłożem
    • Przenoszenia ciepła pomiędzy powierzchnią Ziemi a atmosferą, lub między powierzchnią lądową i wodną dzięki ruchom turbulencyjnym.

     

    Zmiany temperatury powietrza  zachodzą także niezależnie od wymiany ciepła z otoczeniem, przy rozprężaniu, lub sprężaniu pewnych ilości powietrza.

     

    Zjawisko to zachodzi na skutek zmian ciśnienia i objętości głównie przy wznoszeniu, bądź opadaniu powietrza. Tego rodzaju procesy nazywa się procesami adiabatycznymi, lub przemianami adiabatycznymi. Procesy takie zachodzą na dużą skalę w atmosferze przy prądach pionowych i decydują o stanach równowagi termicznej. Jednakże głównym źródłem ciepła na Ziemi jest promieniowanie słoneczne docierające do powierzchni naszej planety w postaci promieniowania krótkofalowego. Największe ilości energii, jakie docierającą do Ziemi pochodzą właśnie z promieniowania słonecznego. Inne rodzaje energii, które zmieniają się w energię cieplną i ogrzewają powierzchnię Ziemi to: energia geotermalna, energia pływów, energia rozpadów promieniotwórczych, oraz energia spalania paliw kopalnych. Ilość energii, jaka dociera ze Słońca nazywa się stałą słoneczną. Jest to całkowita energia, jaką promieniowanie słoneczne przenosi w jednostce czasu przez pewną jednostkę powierzchni, która znajduje się prostopadle do promieniowania w średniej odległości Ziemi od Słońca. Średnia wartość stałej słonecznej wynosi około 1366,1 W/m². Wartość tej jednostki jest zmienna ponieważ aktywność Słońca jest także różna. Bezpośrednie promieniowanie słoneczne jest pochłaniane i rozpraszane w atmosferze głównie przez cząsteczki gazów, oraz aerozole. Z tego powodu pomiar stałej słonecznej na powierzchni Ziemi jest trudny, gdyż musi uwzględniać wpływ atmosfery ziemskiej. Powierzchnia Ziemi otrzymuje jedynie część energii słonecznej, ponieważ atmosfera osłabia promieniowanie słoneczne poprzez rozpraszanie promieni, oraz ich  pochłanianie. Rozpraszanie promieniowania nazywa się dyspersją, natomiast pochłanianie to absorpcja. Widzialne pasmo promieniowania słonecznego ulega w atmosferze rozszczepieniu na wszystkie kolory widma, czyli czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski i fioletowy. Najsilniej rozpraszane jest promieniowanie niebieskie. Z tego powodu niebo podczas dnia przyjmuje niebieską barwę. Jedynie przy niskich położeniach tarczy słonecznej nad horyzontem. Czyli podczas wschodu i zachodu Słońca, oraz przy dużej zawartości pary wodnej silniej rozpraszane jest światło żółte, pomarańczowe i czerwone, zabarwiające niebo na odcienie tych kolorów.

     

    Powierzchnia Ziemi jest dla atmosfery głównym źródłem promieniowania długofalowego, oraz promieniowania cieplnego. Sposób w jaki Ziemia przyjmuje i oddaje dostarczoną jej energię zależy od rodzaju tej powierzchni, a więc przede wszystkim od tego czy są to obszary wodne, czy lądowe. Do powierzchni gruntu dociera tylko ok. 50 % promieniowania krótkofalowego, które znajduje się na górnej granicy atmosfery. Grunt pochłania tym większą część promieniowania, im ciemniejsza jest jego powierzchnia. Parametrem określającym zdolność odbijania promieni przez daną powierzchnię jest albedo, czyli stosunek ilości promieniowania odbitego do padającego. Średnie albedo Ziemi wynosi około 0,3. Oznacza to, że 30 % światła słonecznego docierającego do Ziemi jest oddawane z powrotem w przestrzeń kosmiczną. Wielkość albedo zależy od rodzaju podłoża, a także od pokrywy chmur. Chmury odbijają więcej światła z powrotem w przestrzeń kosmiczną niż czyste błękitne niebo. Albedo chmur zależy od kilku czynników mianowicie: wysokości chmury, jej rozmiaru oraz liczby i wielkości znajdujących się wewnątrz kropelek wody. Chmury deszczowe odbijają 80-90 % promieniowania słonecznego, podczas gdy chmury wysokie 50- 60 %. Z uwagi na obecność lądolodów oraz pokrywy lodowej na morzach, w wyższych szerokościach geograficznych albedo jest znacznie większe niż w szerokościach okołorównikowych. Materiały budowlane posiadają niskie albedo w porównaniu z niektórymi powierzchniami naturalnymi, np. 5-20 % asfalt, 10-35 % beton, 20-25 % kamienie, 10-35 % dachówka, cegła 20- 40 %. Śnieg  świeży odbija do 95 % promieniowana. Jednakże niektóre powierzchnie naturalne mogą także odznaczać się niskim albedo, np. czarnoziem 5-10 %, czy las liściasty, który odbija jedynie 15-20 %. Albedo wody waha się od kilku do kilkudziesięciu procent i zależy od kąta padania promieni słonecznych.  Ilość energii pochłanianej w mieście jest wyższa o 15-30 % niż na terenach poza miejskich.   Woda na skutek swej wielkiej ruchliwości w postaci falowania, oraz prądów morskich ulega stałemu przemieszaniu. Ruchy turbulencyjne przenoszą ciepło na znaczne głębokości i przekazują je do wody. Efektem tego procesu jest szybkie wyrównywanie się temperatury, oraz stosunkowo niewielkie jej zmiany wraz z głębokością. Woda odznacza się niewielką zdolnością odbijania promieniowania słonecznego. Albedo oceanu światowego ocenia się przeciętnie na 5- 20 %, tak więc woda pochłania ponad 80 % energii promieniowania dostarczonej na jej powierzchnię. Woda ma bardzo dużą pojemność cieplną. Na skutek tego nagrzewa się ona powoli przekazując jednocześnie ciepło w głąb, ale i powoli ochładza się, a więc magazynuje zapas ciepła.

     

    Powierzchnia lądowa przekazuje uzyskaną od Słońca energię cieplną drogą przewodnictwa w głąb gruntu, natomiast drogą promieniowania długofalowego, oraz ruchów konwekcyjnych i turbulencyjnych energia ta dostarczana jest do atmosfery. Na powierzchni gruntu zachodzi parowanie, oraz kondensacja pary wodnej, co także jest źródłem utraty, lub zysku pewnej ilości ciepła. Grunt pochłania energię słoneczną bardzo cienką warstwą i grubości 1 mm. Na skutek tego powierzchnia gruntu nagrzewa się silniej i szybciej w ciągu dnia, oraz latem. W przeciągu nocy, oraz zimą powierzchnia gruntu bardzo szybko traci ciepło poprzez wypromieniowanie. W przygruntowej warstwie powietrza wymiana ciepła odbywa się częściowo drogą promieniowania długofalowego powierzchni Ziemi do atmosfery, a także atmosfery do powierzchni Ziemi. Przewodnictwo cieplne odgrywa nieznaczną rolę, gdyż powietrze jest słabym przewodnikiem ciepła. Największe znaczenie ma przenoszenie ciepłą w wyniku turbulencji, czyli nieustannych, chaotycznych ruchów niewielkich ilości powietrza, zarówno przy pionowych ruchach konwekcyjnych, jak i przy poziomym przemieszczaniu się powietrza.  Można rozróżnić turbulencję dynamiczną powodowaną tarciem cząstek powietrza o nierówne szorstkie powierzchnie, oraz turbulencję termiczną, która jest następstwem niejednolitego nagrzewania się fragmentów powierzchni gruntu. Różnice te spowodowane są głównie niejednakową ilością wilgotności, odmienną barwą pokrycia terenu, czy różną ekspozycją terenu. To właśnie turbulencja termiczna powoduje drgania powietrza, jakie daje się zaobserwować w słoneczny dzień nad asfaltową szosą, czy nad łanem zboża.

     

    Pochłonięte promieniowanie krótkofalowe jest wypromieniowane na skutek promieniowania cieplnego. Jest ono zużywane na parowanie wody, bezpośrednie ogrzanie przyziemnej warstwy atmosfery, oraz pośrednie ogrzanie wyższych warstw. Cześć ciepła zostaje wypromieniowana w przestrzeń kosmiczną. Energia słoneczna dociera do powierzchni Ziemi tylko w ciągu dnia. Jej ilość zmniejsza się wraz ze zmniejszaniem się wysokości Słońca nad horyzontem. Nocą następuje utrata ciepła. Bilans cieplny powierzchni naturalnej jest to różnica pomiędzy energią uzyskaną, a energią utraconą na powierzchni Ziemi. Bilans ten można wyrazić w postaci następującego równania:

     

    Q + H + L + G = 0

    gdzie:

    Q - bilans promieniowania

    H - turbulencyjne ciepło odczuwalne, pochłonięte lub przekazywane w powietrzu lub glebie podczas zmiany temperatury

    L - turbulencyjne ciepło utajone, uwalniane lub pochłaniane przy zmianie stanu skupienia wody (np. parowanie = pobieranie energii, zamarzanie = oddawanie energii)

    G - ciepło przekazywane poprzez przewodzenie w gruncie

    Jako że ilość dostarczanej energii słonecznej, oraz kierunek przepływu ciepła nie jest jednakowy w ciągu doby, za dnia powietrze jest ogrzewane, więc bilans ciepłą przedstawia się następująco:

     

    Q - H - L - G = 0


    Nocą natomiast nie obserwujemy dopływu energii słonecznej do powierzchni Ziemi, ciepło jest przekazywane od atmosfery do podłoża. Zwykle nocą podłoże wychładza się bardziej niż powietrze, gdyż powietrze ochładza się wolniej a więc bilans nocny przybiera postać:

     

    - Q + H + L + G = 0


    Z powodu omówionych wyżej różnic w dopływie, oraz pochłaniania energii między powierzchniami naturalnymi, a zabudowaniami, równanie bilansu cieplnego obszarów miejskich jest nieco inne. Zawiera ono dodatkowo wartość Qp, która oznacza wymianę ciepła poprzez przewodzenie w podłożu, ulicach, oraz ścianach budynków, a także Qf – jest to ciepło antropogeniczne dostarczane do atmosfery głównie poprzez spalanie paliw kopalnych. Bilans cieplny powierzchni zabudowanych z uwzględnieniem tych dwóch wartości przedstawia się następująco:

     

    Q + Qp + H + L + Qf = 0

     

    Bilans cieplny jest ściśle zależny od bilansu promieniowania, które można wyrazić następującym równaniem:

     

    Q = (1-A) (I · sin h + i) + (Ez - Ea)

     

    gdzie:

    • Q - bilans promieniowania
    • A - albedo (w liczbach dziesiętnych, nie w procentach); (1-A) jest to wartość promieniowania krótkofalowego pochłoniętego przez podłoże
    • (I · sin h) - natężenie promieniowania bezpośredniego docierającego do powierzchni  poziomej, gdzie h to wysokość Słońca nad horyzontem, i - natężenie promieniowania rozproszonego
    • Ez - promieniowanie długofalowe Ziemi. Ciepło emitowane przez podłoże do atmosfery - atmosfera pochłania około 96 % Ez, jedynie znikoma jego część przedostaje się do przestrzeni międzyplanetarnej, wielkość ta zależy od zawartości w powietrzu pary wodnej i gazów cieplarnianych.
    • Ea - promieniowanie długofalowe atmosfery, zwane inaczej promieniowaniem zwrotnym (ciepło emitowane przez atmosferę do podłoża); (Ez - Ea) – jest to promieniowanie efektywne a więc ciepło, które traci powierzchnia czynna.

     

    Wartość dodatnia bilansu cieplnego wskazuje, że więcej energii dociera do podłoża, niż jest tracone. Ujemna wartość powyższego równania oznacza stratę energii, a więc sytuację w której większe ilości energii są tracone, niż docierają do podłoża.

     

    Gdy średnia ilość energii docierającej do planety nie zmienia się w czasie, a energia pobierana jest równa energii oddawanej. Wtedy średnia temperatura Ziemi praktycznie nie zmienia się a więc panuje stan równowagi termicznej. Ziemia znajduje się w stanie równowagi termicznej, jednak obserwowany wzrost temperatury jej powierzchni, topnienie lodowców oraz wzrost temperatury oceanów wskazywać może, że nasza planeta otrzymuje więcej energii niż wypromieniowuje. Strefa międzyzwrotnikowa posiada dodatni bilans cieplny. W strefie umiarkowanej natomiast bilans ten jest dodatni w lecie a ujemny w zimie. Strefy podbiegunowe odznaczają się ujemnym bilansem cieplnym. Głównie dzięki krążeniu powietrza, oraz prądom morskim w ciągu roku następuje wymiana ciepła pomiędzy strefami, oraz zrównoważenie bilansu cieplnego w skali całej Ziemi. Na bilans cieplny Ziemi ma wpływ tzw. efekt cieplarniany. Zjawisko to spowodowane jest zdolnością atmosfery do przepuszczania dużej części promieniowania słonecznego i zatrzymywania promieniowania Ziemi. Gazy wchodzące w skład atmosfery ziemskiej takie jak CO2, metan, czy freony sprawiają, że ciepło dostarczone przez promienie słoneczne a także to odbite od powierzchni Ziemi jest zatrzymywane w atmosferze. Efekt cieplarniany jest warunkiem życia na Ziemi. Jeśli jednak proporcje gazów cieplarnianych zostaną zakłócone, wówczas ilość ciepła w atmosferze wyraźnie się zwiększy i na skutek tego wzrośnie średnia temperatura na Ziemi. W ostatnich latach w wyniku działalności człowieka nastąpiło podwyższenie dotychczasowej zawartości obecności CO2, oraz freonów w atmosferze. Ocieplenie klimatu na skutek większej  ilości gazów cieplarnianych w atmosferze może prowadzić do podwyższenia się stanu wód, powodowanego topnieniem lodowców. Dalszymi negatywnymi konsekwencjami ocieplania się klimatu może być także intensywny przebieg zjawiska pustynnienia. Niektórzy naukowcy jednak nie łączą zjawiska ocieplenia klimatu z podwyższaniem zawartości gazów cieplarnianych, inni przeczą twierdzeniom o zwiększeniu się zawartości tych składników. Istnieją także hipotezy, które negują w ogóle zjawisko ocieplania się klimatu na Ziemi.

    Podobne na Sciaga.pl
    Zamknij

    W ramach naszej witryny stosujemy pliki cookies w celu świadczenia Państwu usług na najwyższym poziomie, w tym w sposób dostosowany do indywidualnych potrzeb. Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień dotyczących cookies oznacza, że będą one zamieszczane w Państwa urządzeniu końcowym. Możecie Państwo dokonać w każdym czasie zmiany ustawień dotyczących cookies. Więcej szczegółów na6.pl/cookies.pdf