background image

BILANS ENERGII POWIERZCHNI ZIEMI 

Cel ćwiczenia 

Celem dwiczenia jest poznanie: 

 

praw promieniowania  

 

problematyki dotyczącej ilości promieniowania pochłoniętego, odbitego oraz emitowanego przez 
powierzchnię Ziemi.  

 

sezonowego i dobowego zróżnicowanie ilości energii dopływającej do powierzchni ziemi  

 

wpływ zachmurzenia na wielkośd promieniowania krótkofalowego oraz długofalowego  

Prawa promieniowania 

W związku z tym, że dwiczenie dotyczy bilansu energetycznego, ważne jest poznanie dwóch praw, które 
pomogą nam zrozumied zależności zachodzące pomiędzy temperaturą a wielkością i charakterem 
promieniowania emitowanego przez ciało. Pierwsze z ich, prawo Stefana Boltzmanna mówi, że ilośd energii 
emitowanej przez ciao wzrasta wraz z temperaturą. Matematyczny zapis tego prawa jest następujący:   

E=δT

4

Gdzie: 

 E – promieniowanie emitowane (w*m

-2

), δ – stała Stefana Boltzmanna (5.67*10

-8

Wm

-2

K

-4

), T – temperatura 

(K). 

Ile w związku z tym energii emitowałaby powierzchnia ziemi mająca temperaturę ciała doskonale czarnego 
255K? 

E=(5.67*10

-8

Wm

-2

K

-4

)*(255K)

 4

= =(5.67*10

-8

Wm

-2

K

-4

)*(4.228*10

9

K

4

E=240Wm

-2

 

Zauważ, że średnia temperatura ziemi wynosi 288K, to jest około 33K więcej. Powodem tego jest fakt, że 
atmosfera ziemska pochłania promieniowanie cieplne ziemi, ogrzewa się w ten sposób (im jest cieplejsza tym 
więcej emituje promieniowania) i sama staje się wtórnym źródłem promieniowania, którego to częśd 
skierowana jest z powrotem w kierunku ziemi.   

Zadanie 1 

a.  Średnia temperatura słooca wynosi 6000K. Jaka jakie jest natężenie emitowanego przez nie 

promieniowania?  

b.  Ile promieniowania emitowałaby Ziemia, gdyby jej temperatura wynosiła 300K?  

Zadanie 2 

a.  W zadaniu 1, ile razy słooce cieplejsze jest od ziemi? 

b.  Czym jest liczba podniesiona do potęgi 4? 

c.  Czy wyniki  twoich obliczenia są w przybliżeniu równe wielkości promieniowania słooca/ziemi? 

Drugie, prawo Wiena mówi, że charakter promieniowania zależy od temperatury ciała. A szczegółowo mówi, że 
długośd fal  o maksymalnej zdolności emisyjnej jest odwrotnie proporcjonalna do temperatury ciała. 

background image

λ

max

=C*T

-1

 

gdzie:  

λ

max

 – długośd fal o maksymalnej emisji (µm) 

C – stała Wiena (2898 µm K) 

T – temperatura (K) 

Zadanie 3 

Oblicz długośd fal o maksymalnej emisji dla ziemi i słooca biorąc pod uwagę temperatury podane powyżej 
(ziemia – 288K; słooce – 6000K). 

Twoje obliczenia wyjaśniają dlaczego promieniowanie słooca określa się jako promieniowanie krótkofalowe, a 
promieniowanie ziemi jako długofalowe.  

Zadanie 4 

Na jaki zakres spektrum promieniowania elektromagnetycznego przypada długośd fal o największej emisyjności 
słooca (Tabela 3).  

Fale elektromagnetyczne  

Długośd fal (µm) 

Gamma 

<0,0001 

Promieniowanie X 

0,0001 do 0,01 

Ultrafiolet UV 

0,01 do 0,4 

Promieniowanie widzialne 

0,4 do 0,7 

Bliska podczerwieo 

0,7 do 4,0 

Podczerwieo (cieplne) 

4 do 100 

Mikrofalowe 

100 do 1,000,000 (1m) 

radiowe 

>1,000,000 (1m) 

 

Strumienie promieniowana 

Z perspektywy ziemi na budżet radiacyjny składają się 4 strumienie jak pokazano na rycinach 3-1. 

Dochodzące promieniowanie krótkofalowe (SW↓) to globalna wielkośd promieniowania słonecznego 
dochodzącego do powierzchni ziemi. Wielkośd ta uzależniona jest głownie od lokalizacji, pory roku, pory dnia, 
zachmurzenia i innych warunków atmosferycznych. Pewna częśd promieniowania krótkofalowego padającego 
na powierzchnię ziemi jest od niej odbita (SW↑). Wielkośd ta w bilansie promieniowania jest odejmowana od 
ilości energii słonecznej dochodzącej do powierzchni ziemi. Wielkośd odbitego od powierzchni ziemi 
promieniowania słonecznego uzależniona jest od albedo powierzchni, które z kolei uzależnione jest od takich 
charakterystyk jak kolor czy tekstura powierzchni. Oczywiście strumieo promieniowania krótkofalowego ma 
znaczenie jedynie pomiędzy wschodem i zachodem słooca.  

background image

Musimy również rozpatrzyd promieniowanie długofalowe emitowane przez powierzchnię ziemi (LW↑) oraz 
promieniowanie długofalowe, które pochłania atmosfera przy powierzchni ziemi (LW↓). Jak dowiedzieliśmy 
się, promieniowanie długofalowe emitowane przez ziemię zależy od jej temperatury. Natomiast 
promieniowanie długofalowe, które otrzymuje powierzchnia ziemi zależy od stanu atmosfery.  W 
przeciwieostwie do promieniowania krótkofalowego, promieniowanie długofalowe ma znaczenie przez cała 
dobę.  Bilans promieniowania obliczany jest jako suma promieniowania krótkofalowego (SW↓) i 
długofalowego (LW↓)  dochodzącego do powierzchni ziemi minus suma promieniowania długofalowego 
(LW↑) i krótkofalowego (SW↑) uchodzącego lub odbitego od powierzchni ziemi.  

Bilans promieniowania = SW↓- SW↑+ LW↓- LW↑ 

Na rycinach 3-2 i 3-3 pokazano wyniki pomiarów promieniowania długofalowego i krótkofalowego podczas 
dwóch dni na stacji Barnewell, Południowa Karolina (33½°N). Zwród uwagę na różnicę 4 wspomnianych 
strumieni promieniowania 24 lipca i 8 grudnia. 

 

 

 

 

 

 

 

 

SW↓ - promieniowanie krótkofalowe dochodzące do powierzchni ziemi 
SW↑- promieniowanie krótkofalowe odbite od powierzchni ziemi 
LW↓- promieniowanie długofalowe dochodzące do powierzchni ziemi emitowane przez atmosferę 
LW↑-promieniowanie długofalowe emitowane przez powierzchnię ziemi 
Zadanie 5 

 

 

Wypełnij poniższe diagramy na podstawie ryciny 3-3, dla jednej wybranej godziny w ciągu dnia i jednej 
wybranej godziny w okresie nocy – na podstawie tak wybranych danych oblicz bilans promieniowania 

 

 

 

 

 

 

background image

Zadanie 6 

Natężenie promieniowania dochodzącego do górnej granicy atmosfery w południe słoneczne 24 lipca i 8 grudnia 
w Barnwell wynosi odpowiednio 1317 i 757W*m

-2

. Jak uważasz, dlaczego wartości te różnią się od wartości 

notowanych na powierzchni Ziemi, które to pokazują wykresy 3-2 i 3-3. 

 Zadanie 7 

Jakie jest albedo powierzchni ziemi o godz 13.00 24 lipca ? 

(Albedo = SW↑/SW↓ *100%) 

Zadanie 8 

O której godzinie w ciągu dnia promieniowanie emitowane przez powierzchnię ziemi jest największe i dlaczego? 

Zadanie 9 

Dlaczego promieniowanie długofalowe ziemi jest większe 24 lipca niż 8 grudnia? 

Zadanie 10 

W jaki sposób strumienie promieniowania wyjaśniają dlaczego temperatura powietrza przy powierzchni ziemi 
jest wyższa niż na wysokości 2m?
 

Promieniowanie i chmury 

Poniższa figura pokazuje wartośd strumieni promieniowania na powierzchni ziemi  w Barnwell w ciągu okresu 4 
dniowego od 9-12 listopada 1983. Zmiany każdego strumienia promieniowania można wyjaśnid  poprzez 
rozpatrzenie praw promieniowania, normalnego cyklu dobowego oraz zmiany zachmurzenia. 

Zadanie 11 

Na podstawie dobowego promieniowania krótkofalowego wskaż, w których z rozpatrywanych dni były 
bezchmurne, a w których pojawiło się zachmurzenie?
 

Zadanie 12 

Na podstawie wartości promieniowania długofalowego oszacuj, w których dniach temperatura powietrza przy 
powierzchni ziemi była najwyższa, a kiedy najniższa. W jaki sposób to oszacowałeś?
 

Zadanie 13 

Którego dnia i w jakich godzinach, długofalowe promieniowanie dochodzące do powierzchni ziemi od atmosfery 
zmieniło się radykalnie. 

W jaki sposób te nagłe zmiany mogą nawiązywad do zmian zachmurzenia w tym okresie.  

 

 

 

 

 

 

background image

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Zadanie 14 

Na podstawie danych sporządź wykresy obrazujące zależnośd pomiędzy zachmurzeniem oraz strumieniem 
promieniowania długofalowego i krótkofalowego. 

Promieniowanie krótkofalowe: 8 grudzień, godz. 12.00, albedo 30% (promieniowanie w Wm

-2

Stopieo 

zachmurzenia 

chmurami L 

10 

SW↓ 

275 

264 

253 

242 

231 

220 

209 

198 

187 

176 

165 

SW↑ 

83 

79 

76 

73 

69 

66 

63 

59 

56 

53 

50 

 

Stopieo 

zachmurzenia 

chmurami M 

10 

SW↓ 

275 

256 

237 

218 

198 

179 

160 

140 

121 

102 

83 

SW↑ 

83 

77 

71 

65 

59 

54 

48 

42 

36 

31 

25 

 

Stopieo 

zachmurzenia 

chmurami M, przy 

zachmurzeniu L=5 

10 

SW↓ 

275 

205 

189 

174 

159 

143 

128 

112 

97 

82 

66 

SW↑ 

83 

61 

57 

52 

48 

43 

38 

34 

29 

24 

20 

background image

Promieniowanie krótkofalowe: 24 lipiec, godz. 12.00, albedo 30% (promieniowanie w Wm

-2

Stopieo 

zachmurzenia 

chmurami L 

10 

SW↓ 

890 

854 

818 

783 

747 

712 

676 

640 

605 

569 

534 

SW↑ 

267 

256 

246 

235 

224 

213 

203 

192 

181 

171 

160 

 

Stopieo 

zachmurzenia 

chmurami M 

10 

SW↓ 

890 

827 

765 

703 

640 

578 

516 

454 

391 

329 

267 

SW↑ 

267 

248 

230 

211 

192 

173 

155 

136 

117 

99 

80 

 

Stopieo 

zachmurzenia 

chmurami M, przy 

zachmurzeniu L=5 

10 

SW↓ 

890 

662 

612 

562 

512 

463 

413 

363 

312 

263 

213 

SW↑ 

267 

199 

184 

169 

154 

139 

124 

109 

94 

79 

64 

 

Promieniowanie długofalowe dla T=15°C 

Stopieo 

zachmurzenia  

 

10 

Chmury pietra L 

LW↓  290,0  296,4  302,8  309,1  315,5  321,9  328,3  334,7  341,0  347,4  353,8 

LW↑  370,6  370,6  370,6  370,6  370,6  370,6  370,6  370,6  370,6  370,6  370,6 

Chmury pietra M 

LW↓  290,0  295,2  300,4  305,7  310,9  316,1  321,3  326,5  331,8  337,0  342,2 

LW↑  370,6  370,6  370,6  370,6  370,6  370,6  370,6  370,6  370,6  370,6  370,6 

 

Stopieo 

zachmurzenia  

 

10 

Chmury pietra M, 

dla chmur L=5 

LW↓  290,0  327,1  332,3  337,6  342,8  348,0  353,2  358,4  363,7  368,9  374,1 

LW↑  370,6  370,6  370,6  370,6  370,6  370,6  370,6  370,6  370,6  370,6  370,6