Sugárzási alapismeretek Energia 10 20 J Évi bejövő sugárzásmennyiség 54 385 1976-os kínai földrengés 5006 Föld széntartalékának energiája 1952 Föld olajtartalékának energiája 179 Föld gáztartalékának energiája 134 Krioszféra által abszorbeált látens hő 15 Északi-tenger olajtartaléka 3 Éves energiafelhasználás (USA) 0,75 Éves energiafelhasználás (UK) 0,09 Hőfluxus a Föld belsejéből 0,006 A Krakatau 1883-as kitörésekor felszabadult energia 0,00149 A csillagokból érkező össz. sugárzás 0,0000006 Energiamennyiségek összehasonlító táblázata
Sugárzási alapismeretek Alapismeretek Sugárzások: 1. Részecskesugárzás (korpuszkulásris anyag elektronok, protonok) 2. 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 8 1 (fénysebesség): c = 2,998 10 ms hullámhossz (λ) frekvencia (f) [s 1 ] f = v λ 1 sugárzás erőssége: -sugárzásfluxus (időegység alatt kibocsátott, vagy kapott energia mennyiség: J s 1 = W) -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) a( λ,t) = E( λ,t) A( λ,t) = E( 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: E( λ,t) = e c λ 5 1 c2 / λt 1 c c 16 2 1 1 = 3,742 10 J m s 2 2 = 1,439 10 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 (λ max ) az abszolút hőmérséklettel fordítva arányos 2884 λ max[ µ m] = 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: E szürke testre: teljes = σ T 4 E teljes = ε σ T σ a Stefan-Boltzman-féle állandó: 4 σ = 5,67 10 8 W m 2 ε a szürkeségi tényező K 4
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 = 0,474µ m 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 = 1390W 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.
Felszín-típus Albedó értékek Nyári félév Téli félév vízfelszín hófelszín csupasz talaj alacsony vegetáció közepes vegetáció erdő 0,08-0,15 0,19 0,17 0,08 0,40-0,85 0,15 0,23 0,23 - lombhullató erdő - vegyes erdő -tűlevelű erdő beépített területek 0,16 0,14 0,12 0,18 0,17 0,15 0,12 0,18