Ćwiczenia 2. Promieniowanie Podstawowe pojęcia i jednostki

Transkrypt

1 Ćwiczenia 2. Promieniowanie Podstawowe pojęcia i jednostki Prawa opisujące promieniowanie elektromagnetyczne Prawo Plancka wyraża zależność energii niesionej przez fale promieniowania ciała doskonale czarnego do jego temperatury (dość skomplikowany wzór określający tę funkcję jest do znalezienia w podanej literaturze) Energia promieniowania Ryc. 1. Widmo ciała doskonale czarnego dla temperatur,, i 6 K; λ długość fali Prawo Stefana-Boltzmana mówi, że energia promieniowania jest proporcjonalna do czwartej potęgi temperatury bezwzględnej: E = σ * T 4 gdzie σ to stała Stefana-Boltzmana i wynosi 5,67 * 1-8 J*m -2 *K -4 *s -1 Prawo przesunięć Wiena mówi, że długość fali odpowiadająca największej zdolności emisyjnej zmienia się proporcjonalnie do 1/T (T temperatura emitera), co oznacza, że λ max przyjmuje coraz mniejsze wartości w miarę jak temperatura emitera rośnie: λ max =(1/T)*2899 μm*k -1 gdzie T temperatura bezwzględna emitera (w K) Prawo Kirchoffa mówi, że stosunek zdolności emisyjnej E λt do zdolności absorpcyjnej A λt dla każdej długości fali i temperatury jest jednakowy dla wszystkich ciał i równa się zdolności emisyjnej ciała doskonale czarnego ε λt = E λt /A λt gdzie: E λt zdolność emisyjna ciała w temperaturze T i dla długości fali λ; A λt zdolność absorpcyjna ciała w temperaturze T i dla długości fali λ; ε λt zdolność emisyjna ciała doskonale czarnego w temperaturze T i dla długości fali λ. Promieniowanie zjawisko polegające na wysyłaniu fal elektromagnetycznych, jest formą przekazywania energii od jednego ciała do drugiego Tab. 1. Kategorie i długości fal promieniowania elektromagnetycznego Rodzaj fali Długość fali Fale radiowe 1- m Mikrofale µm cm Podczerwień daleka właściwa bliska µm nm µm 7 nm Światło widzialne 7 nm Promieniowanie ultrafioletowe 1 nm Promieniowanie X nm Promieniowanie gamma < 1-3 Tab. 2. Długość fal świetlnych w obrębie widzialnej części widma Barwa Długość fali [nm] fiołkowa błękitna niebieska zielona żółta pomarańczowa czerwona Promieniowanie słoneczne podstawowe źródło energii dla wszelkiego rodzaju procesów (fizycznych, chemicznych i biologicznych) zachodzących na Ziemi. Do powierzchni Ziemi dociera tylko jego wąski zakres, tj.,29-3, µm Natężenie promieniowania ilość ciepła dostarczanego w ciągu jednej minuty do zaczernionej powierzchni jednostkowej; w jednostkach układu SI jest to W/m 2 (dawniej cal/cm 2 *min). Zależność między jednostkami jest następująca: 1 cal/cm 2 *min = 697,8 W/m 2 Stała słoneczna (I ) ilość energii słonecznej dopływająca do górnej granicy atmosfery na płaszczyznę jednostkową prostopadłą do promieni słonecznych w ciągu jednej minuty. Wynosi ona: 1381,6 W/m 2 = 1,98 cal/cm 2 *min W ciągu roku wielkość ta ulega wahaniom o około 4% (zależy od odległości Ziemi od Słońca) Promieniowanie bezpośrednie (I B ) promieniowanie dochodzące do punktu pomiarowego w postaci strumienia energii idącej bezpośrednio od tarczy słonecznej. Ilość energii, jaką otrzymuje powierzchnia pozioma, zależy od kąta padania promieni słonecznych i jest określana wzorem I B = I B * sinα gdzie: I B natężenie promieniowania bezpośredniego padającego na powierzchnię poziomą (W/m 2 ); I B - natężenie promieniowania bezpośredniego na powierzchnię prostopadłą (W/m 2 ); α kąt utworzony przez promienie z powierzchnią poziomą, tzw. wysokość Słońca nad horyzontem. I B zależy od wysokości Słońca na niebie, zachmurzenia, aktywności słonecznej, odległości Ziemi od Słońca i stanu fizycznego atmosfery. Natężenie I B docierającego do powierzchni Ziemi oblicza się ze wzoru Bouguera-Lamberta: I B = I *p m gdzie: I wielkość stałej słonecznej; p współczynnik przezroczystości atmosfery (dla idealnie czystego powietrza p=,9; zazwyczaj waha się w granicach,7-,85); m masa optyczna atmosfery. Tab. 3. Liczby mas optycznych atmosfery (m) w zależności od wysokości Słońca ( h) h m h m h m h m , ,4 8 1,2 1,3 2 2,9 1 29,96 7 1,6 4 1,55 1 5,6 35 Promieniowanie rozproszone (I D ) powstaje w wyniku odbijania, załamywania i uginania się promieni słonecznych w atmosferze. Przy całkowitym pokryciu nieba chmurami jest ono głównym źródłem energii. Promieniowanie całkowite (I T ) jest sumą promieniowania bezpośredniego i rozproszonego. W przebiegu dobowym największe wielkości osiąga w godzinach okołopołudniowych, a w rocznym latem. I T dzielimy na promieniowanie rzeczywiste (I T ; promieniowanie zmierzone, faktycznie docierające do powierzchni) i potencjalne (I P ; teoretyczna ilość promieniowania, jaką w danym miejscu może otrzymać powierzchnia pozioma) Promieniowanie pochłonięte (I A ) - promieniowanie, które po dotarciu do powierzchni jakiegoś ośrodka (grunt, woda, droga itd.) przeniknęło do jego wnętrza co skutkuje wzrostem temperatury tego ośrodka; prom. pochłonięte wyznacza się odejmując od prom. całkowitego promieniowanie odbite. Promieniowanie odbite (I R ) - promieniowanie ulegające odbiciu od powierzchni, na którą pada. Albedo (A) stosunek promieniowania odbitego do promieniowania całkowitego: A = (I R / I T ) * % Tab. 4. Albedo wybranych powierzchni Powierzchnia Albedo (%) Powierzchnia Albedo (%) Świeży śnieg 8-95 Las iglasty 1-15 Stary śnieg 42-7 Wysoka trawa 16 Suchy piasek Uprawy zbożowe 15-3 Wilgotny piasek 2-3 Wrzosowisko 1 Gleba jasna Cegła 2-4 Gleba ciemna 1-15 Asfalt 5-2 Las liściasty 15-2 Morze 4 Promieniowanie Ziemi nagrzana przez Słońce powierzchnia Ziemi staje się źródłem promieniowania długofalowego Promieniowanie zwrotne atmosfery (E Z ) jest generowane przez atmosferę, która pochłania promieniowanie słoneczne i ziemskie; część tego promieniowania skierowana w kierunku Ziemi to p.z.a. (długofalowe) Promieniowanie efektywne (E E ) jest różnicą między promieniowaniem Ziemi a promieniowaniem zwrotnym atmosfery; silnie zależy od zachmurzenia wzrost zachmurzenia obniża jego wartość (E E jest prom. długofalowym) Bilans promieniowania (R N ) różnica pomiędzy pochłoniętym promieniowaniem całkowitym Słońca, a promieniowaniem efektywnym Ziemi; w dzień jest on dodatni a nocą ujemny (równy promieniowaniu efektywnemu) R N = (I B * sinα + I D )*(1 A) + E Z - E W gdzie: E W promieniowanie własne podłoża Bilans promieniowania systemu Ziemia atmosfera (R) to algebraiczna suma strumieni promieniowania przychodzącego do atmosfery ziemskiej i wychodzącego z niej. Usłonecznienie to czas dopływu bezpośredniego promieniowania słonecznego do określonego punktu na powierzchni Ziemi. Wyróżnia się usłonecznienie teoretyczne (możliwe) i usłonecznienie rzeczywiste. Stosunek obu tych wielkości daje usłonecznienie względne.

2 Aktynometria dział meteorologii zajmujący się pomiarami promieniowania. Jako czujniki stosowane są termostosy czyli połączone szeregowo termopary. Stosuje się następujące przyrządy: - Aktynometr: pomiar promieniowania bezpośredniego; pomiar na powierzchni zorientowanej prostopadle do kierunku padania promieni słonecznych; - Pyranometr: pomiar promieniowania całkowitego (wykonywany na powierzchni zorientowanej poziomo), rozproszonego (wykonywany na powierzchni poziomej, po ograniczeniu dopływu promieniowania bezpośredniego) i odbitego (pomiar na powierzchni poziomej, lecz czujnik skierowany w dół); - Bilansomierz: pomiar bilansu promieniowania na powierzchni zorientowanej poziomo (czujniki skierowane do góry i na dół) - Heliograf: przyrząd do pomiaru usłonecznienia; najczęściej stosowany jest heliograf Campbella-Stokesa, gdzie główną częścią jest szklana kula pełniąca rolę soczewki, która skupia promienie słoneczne na umieszczonym w odległości ogniskowej cienkim tekturowym pasku. Umieszczany jest w miejscu gdzie zasłonięcie horyzontu na wschodzie i zachodzie nie może być większe niż 3% Materiał do opanowania na następne zajęcia: Przyrządy do pomiaru temperatury Skale termometryczne Prawa Fouriera Ciekawe linki Inne pojęcia: aktynometr albedo albedomierz bilans promieniowania bilansomierz błękit nieba deklinacja słoneczna efekt cieplarniany ekstynkcja atmosferyczna gazy cieplarniane heliograf insolacja, nasłonecznienie masa optyczna atmosfery okna atmosferyczne osłabianie promieniowania prawo Stefana-Boltzmana prawo Wien a prawo Bouguer a promieniowania odbicie, rozpraszanie, ugięcie, pochłanianie promieniowanie promieniowanie atmosfery promieniowanie bezpośrednie promieniowanie cieplne promieniowanie długofalowe promieniowanie efektywne promieniowanie krótkofalowe promieniowanie pochłonięte promieniowanie podczerwone promieniowanie potencjalne promieniowanie rozproszone promieniowanie słoneczne promieniowanie ultrafioletowe (UV) promieniowanie widzialne promieniowanie własne (Ziemi) promieniowanie zwrotne pyranometr stała słoneczna ugięcie promieniowania usłonecznienie widmo promieniowania Pojęcia astronomiczne: Deklinacja słoneczna Rektascencja Równik niebieski Aphelium Peryhelium Płaszczyzna ekliptyki Równonoc Przesilenie letnie Przesilenie zimowe Ekstynkcja Promień wodzący Zenit Nadir Zmierzch i świt cywilny występuje, gdy kąt zanurzenia (depresji) środka Słońca sięga 6 Zmierzch i świt nawigacyjny - występuje, gdy kąt zanurzenia (depresji) środka Słońca sięga 12 Zmierzch i świt astronomiczny - występuje, gdy kąt zanurzenia (depresji) środka Słońca sięga 18 Rozkład przestrzenny promieniowania na świecie Tab. 5. Promieniowanie całkowite dla wybranych stacji położonych w pobliżu równoleżnika N (W/m 2 ) Szerokość Długość Wysokość Nazwa stacji Styczeń Lipiec Rok geogr. geogr. n.p.m. w m Valentia 51 36' 1 15'W 14 35,8 178,8 11, Wrocław 51 7' 17 5'E ,1 213,2 111,5 Kijów 24' 3 24'E 17 33,6 223,3 126,5 Semipałatyńsk 21' 8 15'E 49,3 227, 128,9 Czyta 21' 113 2'E ,6 284,9 162,4 Chabarowsk 48 31' 135 1'E 72 66,1 224,4 14, Lethbridge 49 38' 'W 92 51,9 278,2 167,7 Goose Bay 53 19' 6 25'W ,4 24,6 112, Zadanie 1. Posiadając współrzędne geograficzne wybranych stacji dopasuj do nich wykresy rocznych przebiegów promieniowania całkowitego rzeczywistego i potencjalnego stacja Resolute Bay Wrocław Phoenix Akra Kisangani Durban Amundsen-Scott szerokość 74 43'N 51 7'N 33 26'N 5 36'N 31'N 29 'S 9 'S długość 95 W 17E 112W W 25E 31E E wysokość n.p.m % % 7% 7% 6% 6% prom.rzeczywiste It prom. potencjalne Ip % 4% 3% 2% 1% % prom.rzeczywiste It prom. potencjalnel Ip % 4% 3% 2% 1% %

3 % % 95% 7% 6% % 85% 4% 3% prom.rzeczywiste It prom. potencjalne Ip 75% % 7% 6% prom.rzeczywiste It prom. potencjalne Ip 2% 1% % % 7% 6% % 4% % 4% 3% 3% 2% 2% 1% 1% prom.rzeczywiste It prom. potencjalne Ip % prom.rzeczywiste It prom. potencjalne Ip % % 7% 6% % 4% 3% 2% 1% prom.rzeczywiste It prom. potencjalne Ip % Zadanie 2. Na podstawie wiedzy uzyskanej o promieniowaniu rozwiąż następujące zadania (w przypadku braku informacji niezbędnych do obliczeń patrz podana na I zajęciach literatura). Rozwiązane zadania proszę przynieść na osobnych kartkach. A1. Oblicz natężenie I B gdy współczynnik przeźroczystości atmosfery wynosi,81 a kąt padania promieni słonecznych: a) 8 º, b) 6º. A2. Jaka jest wielkość promieniowania pochłoniętego (I A ) w przykładzie a z poprzedniego zadania zakładając, że A3. W jakiej długości fali powierzchnia gruntu wysyła promieniowanie o największym natężeniu gdy jego temperatura wynosi: a) -18 ºC, b) 18 ºC. B1. Oblicz natężenie I B gdy współczynnik przeźroczystości atmosfery wynosi,81 a kąt padania promieni słonecznych: a) 12 º, b) º. B2. Jaka jest wielkość promieniowania pochłoniętego (I A ) w przykładzie a z poprzedniego zadania zakładając, że B3. W jakiej długości fali powierzchnia gruntu wysyła promieniowanie o największym natężeniu gdy jego temperatura wynosi: a) -4 ºC, b) 4 ºC. C1. Oblicz natężenie I B gdy współczynnik przeźroczystości atmosfery wynosi,81 a kąt padania promieni słonecznych: a) 15 º, b) 9º. C2. Jaka jest wielkość promieniowania pochłoniętego (I A ) w przykładzie a z poprzedniego zadania zakładając, że C3. W jakiej długości fali powierzchnia gruntu wysyła promieniowanie o największym natężeniu gdy jego temperatura wynosi: a) -2 ºC, b) 4 ºC.

4 D1. Oblicz natężenie I B gdy współczynnik przeźroczystości atmosfery wynosi,81 a kąt padania promieni słonecznych: a) 55 º, b) 1º. D2. Jaka jest wielkość promieniowania pochłoniętego (I A ) w przykładzie a z poprzedniego zadania zakładając, że D3. W jakiej długości fali powierzchnia gruntu wysyła promieniowanie o największym natężeniu gdy jego temperatura wynosi: a) -1 ºC, b) 11 ºC. E1. Oblicz natężenie I B gdy współczynnik przeźroczystości atmosfery wynosi,81 a kąt padania promieni słonecznych: a) 45 º, b) 5º. E2. Jaka jest wielkość promieniowania pochłoniętego (I A ) w przykładzie a z poprzedniego zadania zakładając, że E3. W jakiej długości fali powierzchnia gruntu wysyła promieniowanie o największym natężeniu gdy jego temperatura wynosi: a) ºC, b) ºC. F1. Oblicz natężenie I B gdy współczynnik przeźroczystości atmosfery wynosi,81 a kąt padania promieni słonecznych: a) 16 º, b) 66º. F2. Jaka jest wielkość promieniowania pochłoniętego (I A ) w przykładzie a z poprzedniego zadania zakładając, że F3. W jakiej długości fali powierzchnia gruntu wysyła promieniowanie o największym natężeniu gdy jego temperatura wynosi: a) - ºC, b) ºC. G1. Oblicz natężenie I B gdy współczynnik przeźroczystości atmosfery wynosi,81 a kąt padania promieni słonecznych: a) 65 º, b) 1º. G2. Jaka jest wielkość promieniowania pochłoniętego (I A ) w przykładzie a z poprzedniego zadania zakładając, że G3. W jakiej długości fali powierzchnia gruntu wysyła promieniowanie o największym natężeniu gdy jego temperatura wynosi: a) -3 ºC, b) 3 ºC. H1. Oblicz natężenie I B gdy współczynnik przeźroczystości atmosfery wynosi,81 a kąt padania promieni słonecznych: a) 9 º, b) º. H2. Jaka jest wielkość promieniowania pochłoniętego (I A ) w przykładzie a z poprzedniego zadania zakładając, że H3. W jakiej długości fali powierzchnia gruntu wysyła promieniowanie o największym natężeniu gdy jego temperatura wynosi: a) -22 ºC, b) 22 ºC. I1. Oblicz natężenie I B gdy współczynnik przeźroczystości atmosfery wynosi,81 a kąt padania promieni słonecznych: a) 3 º, b) º. I2. Jaka jest wielkość promieniowania pochłoniętego (I A ) w przykładzie a z poprzedniego zadania zakładając, że I3. W jakiej długości fali powierzchnia gruntu wysyła promieniowanie o największym natężeniu gdy jego temperatura wynosi: a) -15 ºC, b) 38 ºC. J1. Oblicz natężenie I B gdy współczynnik przeźroczystości atmosfery wynosi,81 a kąt padania promieni słonecznych: a) 9 º, b) 2º. J2. Jaka jest wielkość promieniowania pochłoniętego (I A ) w przykładzie a z poprzedniego zadania zakładając, że J3. W jakiej długości fali powierzchnia gruntu wysyła promieniowanie o największym natężeniu gdy jego temperatura wynosi: a) -14 ºC, b) 4 ºC.

5 K1. Oblicz natężenie I B gdy współczynnik przeźroczystości atmosfery wynosi,81 a kąt padania promieni słonecznych: a) 7 º, b) 1º. K2. Jaka jest wielkość promieniowania pochłoniętego (I A ) w przykładzie a z poprzedniego zadania zakładając, że K3. W jakiej długości fali powierzchnia gruntu wysyła promieniowanie o największym natężeniu gdy jego temperatura wynosi: a) -13 ºC, b) 42 ºC. L1. Oblicz natężenie I B gdy współczynnik przeźroczystości atmosfery wynosi,81 a kąt padania promieni słonecznych: a) º, b) 5º. L2. Jaka jest wielkość promieniowania pochłoniętego (I A ) w przykładzie a z poprzedniego zadania zakładając, że L3. W jakiej długości fali powierzchnia gruntu wysyła promieniowanie o największym natężeniu gdy jego temperatura wynosi: a) -12 ºC, b) 44 ºC. M1. Oblicz natężenie I B gdy współczynnik przeźroczystości atmosfery wynosi,81 a kąt padania promieni słonecznych: a) 9 º, b) 2º. M2. Jaka jest wielkość promieniowania pochłoniętego (I A ) w przykładzie a z poprzedniego zadania zakładając, że M3. W jakiej długości fali powierzchnia gruntu wysyła promieniowanie o największym natężeniu gdy jego temperatura wynosi: a) -25 ºC, b) ºC. N1. Oblicz natężenie I B gdy współczynnik przeźroczystości atmosfery wynosi,81 a kąt padania promieni słonecznych: a) 3 º, b) 75º. N2. Jaka jest wielkość promieniowania pochłoniętego (I A ) w przykładzie a z poprzedniego zadania zakładając, że N3. W jakiej długości fali powierzchnia gruntu wysyła promieniowanie o największym natężeniu gdy jego temperatura wynosi: a) -1 ºC, b) 2 ºC. O1. Oblicz natężenie I B gdy współczynnik przeźroczystości atmosfery wynosi,81 a kąt padania promieni słonecznych: a) 6 º, b) º. O2. Jaka jest wielkość promieniowania pochłoniętego (I A ) w przykładzie a z poprzedniego zadania zakładając, że O3. W jakiej długości fali powierzchnia gruntu wysyła promieniowanie o największym natężeniu gdy jego temperatura wynosi: a) -35 ºC, b) 35 ºC. P1. Oblicz natężenie I B gdy współczynnik przeźroczystości atmosfery wynosi,81 a kąt padania promieni słonecznych: a) 1 º, b) 4º. P2. Jaka jest wielkość promieniowania pochłoniętego (I A ) w przykładzie a z poprzedniego zadania zakładając, że P3. W jakiej długości fali powierzchnia gruntu wysyła promieniowanie o największym natężeniu gdy jego temperatura wynosi: a) -5 ºC, b) 55 ºC. R1. Oblicz natężenie I B gdy współczynnik przeźroczystości atmosfery wynosi,81 a kąt padania promieni słonecznych: a) 65 º, b) 9º. R2. Jaka jest wielkość promieniowania pochłoniętego (I A ) w przykładzie a z poprzedniego zadania zakładając, że R3. W jakiej długości fali powierzchnia gruntu wysyła promieniowanie o największym natężeniu gdy jego temperatura wynosi: a) -11 ºC, b) 22 ºC.