Viac

3.6: Rozpočet tepla na povrchu Zeme - geovedy

3.6: Rozpočet tepla na povrchu Zeme - geovedy


Doteraz ste skúmali rozpočet na teplo pre objem vzduchu, kde bol objem fixný (Eulerian) alebo pohyblivý (Lagrangeov). Čistá nerovnováha tepelného toku spôsobila oteplenie alebo ochladenie vzduchu v danom objeme.

Čo sa však stane na zemskom povrchu, ktorý je nekonečne tenký a má teda nulový objem? V tejto vrstve nemôže byť uložené žiadne teplo. Preto musí byť súčet všetkých prichádzajúcich a odchádzajúcich tepelných tokov presne vyvážený. Čistý tok na povrchu musí byť nulový.

Pripomeňme, že toky sú definované ako pozitívne pre teplo pohybujúce sa nahor, bez ohľadu na to, či sú tieto toky v pôde alebo v atmosfére.

Relevantné toky na povrchu zahŕňajú:

F * = čisté žiarenie medzi sfc. & atmos. (Kapitola 2)

FH = efektívny povrchový turbulentný tepelný tok (citeľný tepelný tok)

FE = efektívny povrchový tok latentného tepla spôsobený odparovaním alebo kondenzáciou (tvorba rosy)

FG = molekulárne vedenie tepla do / z hlbšej pod povrchom (napr. zem, oceány).

Povrchová bilancia pre dynamické tepelné toky (v jednotkách W m–2) je:

( begin {align} 0 = mathbb {F} ^ {*} + mathbb {F} _ {H} + mathbb {F} _ {E} - mathbb {F} _ {G} značka {3.52} end {align} )

Ak vydelíte ρvzduch· C.p získať rovnováhu v kinematickej forme (v jednotkách K m s–1), výsledkom je:

( begin {align} 0 = F ^ {*} + F_ {H} + F_ {E} -F_ {G} tag {3.53} end {align} )

Prvé 3 členy vpravo sú toky medzi povrchom a vzduchom vyššie. Posledný člen je medzi povrchom a Zemou nižšie (odtiaľ znak -).

Príklady týchto tokov a ich znakov sú načrtnuté na obrázku 3.9 pre rôzne povrchy a pre deň vs. noc. Pre zavlažovaný trávnik alebo plodinu typický denný cyklus (denný vývoj) povrchových tokov je načrtnutý na obrázku 3.10. Čisté žiarenie F * je v podstate externá sila, ktorá poháňa ďalšie toky.

Surová aproximácia prvého rádu pre dynamický tok tepla dole do pôdy je

( begin {align} mathbb {F} _ {G} cca X cdot mathbb {F} ^ {*} tag {3.54} end {align} )

so zodpovedajúcim kinematickým tepelným tokom:

( begin {align} F_ {G} cca X cdot F ^ {*} tag {3.55} end {align} )

s faktorom X = (0,1; 0,5) pre (denná, nočná).

Existujú rôzne možnosti odhadu ostatných výrazov v ekv. (3,52 alebo 3,53). Pre efektívny povrchový citeľný tepelný tok môžete použiť už diskutované vzťahy hromadného prenosu (rovnice 3.34 až 3.37). Pre tok latentného tepla na povrchu budú podobné rovnice hromadného prenosu uvedené v kapitole Voda-para. Ďalšou možnosťou na odhad latentných a citeľných tokov tepla na povrchu je použitie Bowenovho pomeru, ktorý je opísaný ďalej.

Definujte a Bowenov pomer, B, ako povrchový tok citeľného tepla vydelený povrchovým tokom latentného tepla:

( begin {align} B = frac { mathbb {F} _ {H}} { mathbb {F} _ {E}} = frac {F_ {H}} {F_ {E}} značka {3.56} end {align} )

Typické hodnoty sú: 10 pre suché polohy, 5 pre polosuché polohy, 0,5 na suchej savane, 0,2 na vlhkej poľnohospodárskej pôde a 0,1 na oceánoch a jazerách.

V atmosférickom povrchová vrstva (dno 10 až 25 m troposféry), povrchový efektívny citeľný tepelný tok závisí od ∆θ / ∆z - gradientu potenciálu a teploty. Menovite FH = –KH· Θ / ∆z, kde KH je vírivá difúznosť pre teplo (pozri kapitolu Atmos. hraničná vrstva), z je výška nad zemou, a záporné znamienko hovorí, že tepelný tok steká po lokálnom gradiente (od horúceho po studený vzduch).

Ukážka aplikácie

Ak je čisté žiarenie –800 W · m–2 na povrchu nad púšťou, potom nájdite rozumné, latentné a pozemné toky.

Nájdite odpoveď

Dané: F * = –800 W · m–2 B = 10 pre suché oblasti

Nájsť: FH, FE a FG =? W · m–2

Pretože záporné F * znamená deň, použite X = 0,1 v ekv. (3,54): F.G = 0,1 · F * = 0,1 · (–800 W · m–2 ) = –80 W · m–2

Rov. (3.52 a 3.56) možno manipulovať tak, aby poskytovali:

FE = (F.G - F *) / (1 + B)

FH = B · (F.G - F *) / (1 + B)

Teda

FE= (–80 + 800 W · m–2) / (1 + 10) = 65,5 W · m–2

FH= 10 · (–80 + 800 W · m–2) / (1 + 10) = 654,5 W · m–2

Kontrola: Fyzika a jednotky sú rozumné. Mali by sme tiež potvrdiť, že výsledok dáva vyvážený rozpočet na energiu. Aplikujte teda ekv. (3,52):

0 = F * + FH + FE - FG ???

0 = –800 + 654,5 + 65,5 + 80 W · m–2 Pravdaže.

Expozícia: Aj keď typické hodnoty Bowenovho pomeru boli uvedené na predchádzajúcej stránke, skutočná hodnota pre akýkoľvek daný typ povrchu závisí od toľkých faktorov, že je prakticky zbytočná pri pokuse použiť metódu Bowenovho pomeru na predvídať povrchové toky. Prístup merania v teréne je však znázornený na obrázku nižšie a v ekv. (3,58 - 3,63) nevyžaduje apriórny odhad Bowenovho pomeru. Preto je tento poľný prístup dosť presný pre meranie povrchové toky, s výnimkou blízkeho východu a západu slnka.

Analogickým výrazom pre efektívny tok povrchovej vlhkosti je Fvoda = –KE· ∆r / ∆z, kde zmiešavací pomer r je v nasledujúcej kapitole definovaný ako hmotnosť vodnej pary obsiahnutá v každom kg suchého vzduchu. Ak sa priblížite vírivej difúznosti pre vlhkosť, KE, čo sa rovná tomu pre teplo a ak sa vertikálne gradienty merajú cez tú istú vrstvu vzduchu ∆z, môžete zapísať Bowenov pomer ako:

( begin {align} B = gamma cdot frac { Delta theta} { Delta r} tag {3.57} end {align} )

pre psychrometrická konštanta definované ako γ = Cp/ L.v = 0,4 (gvodná para/ kgvzduch) · K.–1.

Rov. (3.57) je príťažlivý na použitie v teréne, pretože ťažko merateľné toky boli nahradené ľahko merateľnými rozdielmi priemernej teploty a vlhkosti. Totiž, ak postavíte krátku vežu v ​​povrchovej vrstve a nasadíte teplomery v dvoch rôznych výškach a namontovať vlhkomery (na meranie vlhkosti) v rovnakých dvoch výškach (obrázok 3.11), potom môžete vypočítať B. Nezabudnite previesť teplotný rozdiel na rozdiel potenciálu a teploty: ∆θ = T2 - T1 + (0,0098 km–1) · (Z2 - z1).

S trochou algebry môžete kombinovať ekv. (3,57, 3,56, 3,54 a 3,52) na získanie účinného povrchovo citlivého tepelného toku v dynamických jednotkách (W m–2) ako funkcia sieťového žiarenia:

( begin {align} mathbb {F} _ {H} = frac {-0,9 cdot mathbb {F} ^ {*}} { frac { Delta r} { gamma cdot Delta theta} +1} značka {3.58} end {align} )

alebo kinematické jednotky (K m s–1):

( begin {align} F_ {H} = frac {-0,9 cdot F ^ {*}} { frac { Delta r} { gamma cdot Delta theta} +1} značka { 3,59} end {zarovnať} )

O niečo viac algebry vedie k latentnému tepelnému toku (W m–2) spôsobené pohybom vodnej pary z alebo z povrchu:

( begin {align} mathbb {F} _ {E} = frac {-0,9 cdot mathbb {F} ^ {*}} { frac { gamma cdot Delta theta} { Delta r} +1} značka {3.60} end {align} )

alebo v kinematických jednotkách (K m s–1):

( begin {align} F_ {E} = frac {-0,9 cdot F ^ {*}} { frac { gamma cdot Delta theta} { Delta r} +1} značka { 3,61} end {zarovnať} )

Ďalšia kapitola ukazuje, ako prevádzať hodnoty latentného toku tepla na toky vlnovej pary.

Ak ste našli citeľný tepelný tok z ekv. (3,58 alebo 3,59), potom je tok latentného tepla ľahko zistiteľný z:

( begin {align} mathbb {F} _ {E} = - 0,9 cdot mathbb {F} ^ {*} - mathbb {F} _ {H} tag {3.62} end {align } )

alebo

( begin {align} F_ {E} = - 0,9 cdot F ^ {*} - F_ {H} tag {3.63} end {align} )

Ukážka aplikácie

Lokalita s Bowenovým pomerom sleduje nasledujúce skutočnosti:

indexz (m)T (° C)r (naprpary/ kgvzduch)
215167
112012

s, F * = –650 W · m–2 . Nájdite všetky povrchové toky.

Nájdite odpoveď

Dané: informácie vyššie.

Nájsť: povrchové dynamické toky (W · m–2) FE , FH , FG = ?

Prvým krokom je nájsť ∆θ:

Θ = T2 - T1 + (0,0098 km–1) · (Z2 - z1) = 16 K - 20 K + (0,0098 K m.)–1) · (15 m - 1 m) = –4 K + 0,137 K = -3,86 K

Použiť ekv. (3,58)

( mathbb {F} _ {H} = frac {-0,9 cdot doľava (-650 mathrm {W} cdot mathrm {m} ^ {- 2} doprava)} { frac { dolava (-5 mathrm {g} _ { mathrm {vap}} / mathrm {kg} _ { mathrm {air}} doprava)} { dolava [0,4 dolava ( mathrm {g} _ { mathrm {vap}} / mathrm {kg} _ { mathrm {air}} vpravo) cdot mathrm {K} ^ {- 1} vpravo] cdot (-3,86 mathrm {K})} +1} )

FH = 138 W · m–2.

Ďalej použite ekv. (3,62):

FE = –0,9 · F * - FH = –0,9 · (–650 W · m–2) - 138. W · m–2 = 447 W · m–2

Nakoniec použite ekv. (3,54): F.G = 0,1 · F * = –65 W m–2.

Kontrola: Fyzika a jednotky sú rozumné. Všetky termíny toku sa tiež rovnajú nule a overuje sa zostatok.

Expozícia: Výsledný Bowenov pomer je B = 138/447 = 0,31, čo naznačuje, že miesto je zavlažovanou poľnohospodárskou pôdou.


Čo je rozpočet na Zem a # 039s?

Energetická rovnováha Zeme a # 039s závisí od prichádzajúcej a odchádzajúcej energie zo slnka.

Pojem „rozpočet na zemskú energiu“ vznikol tak, aby sa vzťahoval na energiu, ktorú planéta prijíma zo slnka, využije sa na celej Zemi a potom ju vysiela späť do vesmíru. Slnko poskytuje všetku energiu, ktorá sa využíva v zemi, aj keď väčšina slnečnej energie sa nikdy nedostane na povrch planéty. Teplo, ktoré Zem prijíma, prechádza do piatich odlišných zložiek životného prostredia: živých vecí, ako sú rastliny a živočíchy, zemskej kôry, vodných útvarov Zeme, atmosféry a ľadu. Kvôli tvaru planéty je množstvo energie, ktoré zasahuje zemský povrch, výrazne nerovnomerné, pričom niektoré oblasti prijímajú podstatne väčšie množstvo tepla ako iné. Tvar Zeme tiež umožňuje, aby polárne oblasti prijímali podstatne menej tepla ako oblasti bližšie k rovníku. Vedecké výskumy preukázali, že každý meter štvorcový na zemskom povrchu prijíma a vracia zo slnka približne 240 wattov energie. Množstvo tepelnej energie prijatej zemou a vyžarovanej späť do vesmíru sa blíži k rovnováhe s tým, že sa zem takmer blíži k stavu radiačnej rovnováhy.


Sondovacia otázka: Čo ohrieva jadro Zeme a # 039s?

Aj keď my, obyvatelia kôry, kráčame po peknej chladnej zemi, pod našimi nohami je Zem pekne horúce miesto. Chris Marone, profesor geológie z Penn State, vyzařuje z interiéru planéty dostatok tepla na to, aby sa dalo vyrobiť 200 šálok horúcej kávy za hodinu pre každého zo 6,2 miliardy obyvateľov Zeme. V samom strede sa predpokladá, že teploty presahujú 11 000 stupňov Fahrenheita, čo je horúcejšie ako povrch slnka.

Prierez Zeme odhaľuje tri sústredné vrstvy. Z vonkajšej strany tenká tvrdá kôra s hrúbkou od 10 do 100 kilometrov. Pod tým plášť v tvare šišky s hrúbkou 2 900 kilometrov. Namiesto cesta sa skladá z viskóznej roztavenej horniny, ktorá tečie veľmi pomaly, v geologickom časovom meradle. „Pohybuje sa asi tak rýchlo, ako vám rastú nechty,“ vysvetľuje Marone.

V strede Zeme leží dvojdielne jadro. „Vnútorná časť je veľká asi ako náš mesiac,“ hovorí Marone, „a má hustotu v podstate z ocele.“ Vonkajšie jadro, ktoré ho obklopuje, je oceán tekutého kovu hrubý 2 300 kilometrov. Rotácia Zeme spôsobuje, že tento oceán prúdi a víri a pohybujúci sa kov generuje magnetické pole planéty.

Väčšina zemského tepla je uložená v plášti, hovorí Marone, a existujú štyri zdroje, ktoré ho udržiavajú horúce. Najprv zostáva teplo, keď gravitácia najskôr skondenzovala planétu z oblaku horúcich plynov a častíc v predzemskom vesmíre. Keď sa roztavená guľa ochladila, asi pred 4 miliardami rokov, vonkajšia strana tvrdla a vytvorila kôru. Plášť sa stále ochladzuje.

„Nemyslíme si však, že toto pôvodné teplo je hlavnou súčasťou tepla Zeme,“ hovorí Marone. Prispieva iba 5 až 10 percentami z celkového množstva, „približne v rovnakom množstve ako gravitačné teplo“.

Na vysvetlenie gravitačného tepla Marone opäť evokuje obraz horúcej, čerstvo vytvorenej Zeme, ktorá nemala konzistentnú hustotu. V gravitačnom triediacom procese zvanom diferenciácia sa hustejšie a ťažšie časti vtiahli do stredu a menej husté oblasti sa vytesnili smerom von. Trenie vytvorené týmto procesom generovalo značné teplo, ktoré sa rovnako ako pôvodné teplo stále úplne nerozptyľovalo.

Potom je tu latentné teplo, hovorí Marone. Tento typ vzniká rozšírením jadra, keď sa Zem ochladzuje zvnútra. Rovnako ako sa mrznúca voda mení na ľad, tento tekutý kov sa stáva tuhým - a zvyšuje objem. „Vnútorné jadro sa každých tisíc rokov zväčšuje asi o centimeter,“ hovorí Marone. Teplo uvoľnené touto expanziou presakuje do plášťa.

Marone hovorí, že za toto všetko je však veľká väčšina tepla vo vnútri Zeme - až 90 percent - poháňaná rozpadom rádioaktívnych izotopov ako Draslík 40, Urán 238, 235 a Tórium 232 obsiahnutých v plášti. Tieto izotopy vyžarujú teplo, pretože vylučujú prebytočnú energiu a pohybujú sa smerom k stabilite. „Množstvo tepla spôsobeného týmto žiarením je takmer rovnaké ako celkové merané teplo vychádzajúce zo Zeme.“

Rádioaktivita sa vyskytuje nielen v plášti, ale aj v horninách zemskej kôry. Napríklad Marone vysvetľuje, že 1 kilogramový blok žuly na povrchu vyžaruje rádioaktívnym rozpadom malé, ale merateľné množstvo tepla (asi toľko ako žiarovka 0,000000001 W).

To sa nemusí zdať veľa. Ale vzhľadom na rozsiahlosť plášťa sa to zvyšuje, hovorí Marone.

Predpovedá, že niekedy miliardy rokov v budúcnosti by sa jadro a plášť mohli dostatočne ochladiť a stuhnúť, aby sa vyrovnali s kôrou. Ak sa tak stane, Zem sa stane chladnou, mŕtvou planétou ako Mesiac.

Dlho pred takýmto výskytom sa však Slnko pravdepodobne vyvinulo v hviezdu červeného obra a vyrastie dostatočne veľké na to, aby pohltilo našu spravodlivú planétu. V tom okamihu bude akékoľvek teplo, ktoré zostane v plášti, sotva dôležité.


Vykurovacie nerovnováhy

Tristo štyridsať wattov na meter štvorcový prichádzajúcej solárnej energie je globálne priemerné solárne osvetlenie sa líši v priestore a čase. Ročné množstvo prichádzajúcej slnečnej energie sa značne líši od tropických polárnych šírok (popísané na strane 2). V stredných a vysokých zemepisných šírkach sa tiež výrazne líši podľa sezóny.

The vrchol energia prijímaná v rôznych zemepisných šírkach sa v priebehu roka mení. Tento graf ukazuje, ako sa slnečná energia prijímaná o poludní každý deň v roku mení so zemepisnou šírkou. Na rovníku (šedá čiara) sa špičková energia mení počas roka veľmi málo. Vo vysokých severných (modré čiary) a južných (zelená) zemepisných šírkach je sezónna zmena extrémna. (Ilustrácia NASA, Robert Simmon.)

Ak by bola os rotácie Zeme & # 8217s vertikálna vzhľadom na dráhu jej obežnej dráhy okolo Slnka, bola by veľkosť nerovnováhy vykurovania medzi rovníkom a pólmi rovnaká po celý rok a ročné obdobia, ktoré zažívame, by sa nevyskytovali. Namiesto toho je os Zeme & # 8217s naklonená zvisle o približne 23 stupňov. Keď Zem obieha okolo Slnka, náklon spôsobuje, že jedna pologuľa a potom druhá dostáva viac priameho slnečného žiarenia a má dlhšie dni.

The Celkom energia prijatá každý deň na vrchole atmosféry závisí od zemepisnej šírky. Najvyššie denné množstvo prichádzajúcej energie (bledoružová) sa vyskytuje vo vysokých zemepisných šírkach v lete, keď sú dni skôr, ako na rovníku. V zime niektoré polárne šírky nedostávajú vôbec žiadne svetlo (čierne). Južná pologuľa prijíma počas decembra (južné leto) viac energie ako severná pologuľa v júni (severné leto), pretože obežná dráha Zem a rsquos nie je dokonalým kruhom a Zem je počas tejto časti svojej dráhy o niečo bližšie k Slnku. Celková prijatá energia sa pohybuje od 0 (počas polárnej zimy) do približne 50 (počas polárneho leta) megajoulov na meter štvorcový za deň.

Na & ldquosummerovej pologuli & rdquo kombinácia priameho slnečného žiarenia a dlhších dní znamená, že pól môže prijímať viac prichádzajúceho slnečného žiarenia ako trópy, ale na zimnej pologuli ho nedostáva. Aj keď sa v lete na póloch zvyšuje osvetlenie, jasne biely sneh a morský ľad odrážajú značnú časť prichádzajúceho svetla, čo znižuje potenciálne solárne ohrev.

Množstvo slnečného žiarenia, ktoré Zem absorbuje, závisí od odrazivosti atmosféry a povrchu zeme. Táto satelitná mapa zobrazuje množstvo slnečného žiarenia (wattov na meter štvorcový) odrazeného v priebehu septembra 2008. Mraky pozdĺž rovníka odrážali veľkú časť slnečného žiarenia, zatiaľ čo bledé piesky Sahary spôsobovali vysokú odrazivosť v severnej Afrike. Ani jeden pól v tomto ročnom období neprijíma veľa prichádzajúceho slnečného žiarenia, takže odrážajú málo energie, aj keď sú oba pokryté ľadom. (Mapa NASA, Robert Simmon, na základe údajov CERES.)

Rozdiely v odrazivosti (albedo) a slnečnom osvetlení v rôznych zemepisných šírkach vedú k nerovnováhe čistého vykurovania v celom systéme Zeme. Na ktoromkoľvek mieste na Zemi je čistý ohrev rozdiel medzi množstvom prichádzajúceho slnečného žiarenia a množstvom tepla vyžarovaného Zemou späť do vesmíru (ďalšie informácie o tejto výmene energie nájdete na strane 4). V trópoch je čistý energetický prebytok, pretože množstvo absorbovaného slnečného žiarenia je väčšie ako množstvo vyžarovaného tepla. V polárnych oblastiach však existuje ročný energetický deficit, pretože množstvo tepla vyžarovaného do vesmíru je väčšie ako množstvo absorbovaného slnečného žiarenia.

Táto mapa čistého žiarenia (prichádzajúce slnečné svetlo mínus odrazené svetlo a odchádzajúce teplo) ukazuje globálnu energetickú nerovnováhu v septembri 2008, mesiaci rovnodennosti. Plochy okolo rovníka absorbovali v priemere asi o 200 wattov na meter štvorcový viac (oranžové a červené), ako sa odrážali alebo vyžarovali. Oblasti v blízkosti pólov odrážali a / alebo vyžarovali asi o 200 wattov na meter štvorcový (zelené a modré), ako absorbovali. Stredné šírky boli zhruba v rovnováhe. (Mapa NASA, Robert Simmon, na základe údajov CERES.)

Čistá nerovnováha vykurovania medzi rovníkom a pólmi poháňa atmosférickú a oceánsku cirkuláciu, ktorú vedci v oblasti klímy označujú ako & # 8220heat engine. & # 8221 (V našej každodennej skúsenosti si slovo motor spájame s automobilmi, ale s vedcom, motorom je akékoľvek zariadenie alebo systém, ktorý premieňa energiu na pohyb.) Podnebie je motor, ktorý využíva tepelnú energiu na udržanie pohybu atmosféry a oceánu. Odparovanie, prúdenie, dažde, vetry a oceánske prúdy sú súčasťou tepelného motora Zeme # 8217.


2 Odhad variácií tepelných strát plášťa

V súčasnosti sa odhaduje, že celkové tepelné straty Zeme sú 46 TW. Z toho sa 29 TW pripisuje ochladeniu oceánskej kôry (ďalej len „oceánske tepelné straty“), 3 TW sa dodávajú na povrch prostredníctvom oblakov a 14 TW predstavuje tepelné straty z kontinentov (Jaupart et al., 2015). Kontinentálna zložka 14 TW obsahuje 8 TW rádiogénneho tepla produkovaného v kontinentálnej kôre a litosfére. Odhadujeme tu zmeny v tepelnom toku vedenom z plášťa oceánskou a kontinentálnou litosférou (v súčasnosti 35 TW je tepelný tok 3 TW oblakov spracovávaný osobitne podľa popisu v časti s rozšírenými metódami, podporná informácia Text S1). Zameriavame sa najmä na oceánske tepelné straty, pretože je to najväčšia zložka, vykazuje veľké rozdiely v priestore a čase a dá sa odhadnúť priamo z tektonických rekonštrukcií minulého morského dna.

Vypočítame oceánske tepelné straty (Qoceán) z plášťa uplatnením vzťahu veku a tepla (pozri text S1) Hasteroka (2013) na vekové mriežky paleo-morského dna, ktoré siahajú späť do 400 Ma, generované metódou Karlsena a kol. (2020). Rekonštrukcia platní, ktorá bola použitá na generovanie týchto vekových mriežok, bola aktualizovaná verzia Matthews a kol. (2016), ktorá obsahuje opravy pre Tichý oceán po Torsvik et al. (2019). Strata tepla plášťom cez kontinentálnu litosféru (Qpokr) sa považuje za 6 TW, rovnomerne rozložených v kontinentálnej oblasti. Toto vylučuje 8 TW produkcie rádiogénneho tepla v kôre a litosférickom plášti (Jaupart et al., 2015). Aj keď sa tepelné straty plášťa cez kontinenty (- 6 TW) môžu časom meniť, sú amplitúdy jeho variácií pravdepodobne malé v porovnaní s viac ako štvornásobne väčším oceánskym tepelným tokom (- 29 TW v súčasnosti). Snímky výsledných globálnych mriežok tepelných strát pokrývajúcich posledných 400 Myr sú zobrazené na obrázku 1a. Všimnite si silnú časovú závislosť a že súčasné tepelné straty z plášťa Zeme predstavujú absolútne minimá pre časové obdobie 400–0 Ma, ktoré boli v minulosti až o ~ 15 TW vyššie (obrázok 1b). Tieto variácie sú riadené zmenami v rozdelení vekových oblastí morského dna (obrázok 1c), ktoré sú spôsobené kolísaním rýchlosti šírenia a subdukcie morského dna počas cyklu superkontinentov (napr. East et al., 2020 Karlsen et al. , 2019 a). To zdôrazňuje potrebu dlhého časového radu (ideálne pokrývajúceho jeden úplný cyklus superkontinentu) toku tepla, aby sa mohli spoľahlivo odvodiť dlhodobé priemerné hodnoty. Na základe 400 Myr rekonštrukcie vekov morského dna odhadujeme časovo spriemerovanú hodnotu tepelných strát oceánu na 36,6 TW (obrázok 1b), čo je o 25% viac ako súčasná hodnota ∼29 TW (obrázok 1b) . Súčasné minimum oceánskeho tepelného toku bolo tiež zaznamenané predtým, aj keď na základe podstatne kratšej časovej histórie (Crameri et al., 2019 Loyd et al., 2007).

Aby sme preskúmali priestorové zmeny časovo integrovaných povrchových tepelných strát, vypočítali sme celkové tepelné straty akumulované za posledných 400 Myr (obrázky 2a a 2b). Naše výsledky ukazujú, že ani v časovom meradle niekoľkých stoviek miliónov rokov nie sú tepelné straty z plášťa ani zďaleka rovnomerné. Napríklad oblasť Tichého oceánu ležiaca nad veľkou provinciou „Jason“ s nízkou strihovou rýchlosťou (LLSVP) stratila 2–3 krát viac tepla ako oblasť nad africkým LLSVP nad „Tuzo“ (obrázok 2b). Je to čiastočne kvôli časovo závislému rozloženiu kontinentálnych hmôt a zhromaždeniu Pangea nad Tuzom, ktoré izolovalo plášť pod Pangea, ale ponechalo Pacifik „vystavený“ rýchlejšiemu ochladeniu cyklovaním oceánskej litosféry, a čiastočne pretrvávaním rýchlo sa šíriacich hrebeňových systémov (teraz východný Tichý oceán) umiestnených nad Jasonom. Upozorňujeme však, že poloha hrebeňov v tichomorsko-pantalašskom oceáne je úplne odvodená pred rokom 150 Ma (Torsvik et al., 2019), k tomuto obmedzeniu sa vrátime neskôr.

Tichomorská oblasť plášťa stratila za posledných 400 Myr podstatne viac tepla ako africká. a) Akumulované tepelné straty plášťa (oceánske + kontinentálne) za posledných 400 Myr. Regióny nad tichomorskými a africkými LLSVP (Jason a Tuzo), s hranami vymedzenými podľa Torsvik a kol. (2010), sú zobrazené pomocou modrých a oranžových čiar. Prerušované svetlé poludníky naznačujú oddelenie tichomorskej a africkej pologule. (b) Rovníkový rez (purpurová čiara) ukazuje pozdĺžne zmeny tepelných strát a stredné hodnoty (čierna čiara) z oblasti do 30 ° od rovníka ukazujú jemnejšie variácie. Pruhy označujú približné súčasné polohy LLSVP Jasona a Tuza a minulú pozíciu Pangea.


Obsah

Napriek enormným prenosom energie do a zo Zeme udržuje relatívne konštantnú teplotu, pretože ako celok existuje len malý čistý zisk alebo strata: Zem vyžaruje prostredníctvom atmosférického a pozemského žiarenia (posunutého na dlhšie elektromagnetické vlnové dĺžky) do vesmíru. približne rovnaké množstvo energie, aké prijíma slnečným žiarením (všetky formy elektromagnetického žiarenia).

Kvantifikovať zemské rozpočet na teplo alebo tepelná bilancia, nech je slnečné žiarenie prijaté na vrchole atmosféry 100 jednotiek (100 jednotiek = asi 1 360 wattov na meter štvorcový otočený k slnku), ako je znázornené na priloženom obrázku. Nazvané albedo Zeme, asi 35 jednotiek sa odráža späť do vesmíru: 27 z vrcholu oblakov, 2 zo snehu a ľadom pokrytých oblastí a 6 inými časťami atmosféry. Zvyšných 65 jednotiek je absorbovaných: 14 v atmosfére a 51 na povrchu Zeme. Týchto 51 jednotiek je vyžarovaných do vesmíru vo forme pozemského žiarenia: 17 priamo vyžarovaných do vesmíru a 34 absorbovaných atmosférou (19 prostredníctvom latentného kondenzačného tepla, 9 konvekciou a turbulenciou a 6 priamo absorbovaných). 48 jednotiek absorbovaných atmosférou (34 jednotiek z pozemského žiarenia a 14 z slnečného žiarenia) je nakoniec vyžarovaných späť do vesmíru. Týchto 65 jednotiek (17 zo zeme a 48 z atmosféry) vyvažuje 65 jednotiek absorbovaných zo slnka, aby udržala nulový čistý prírastok energie Zemou. [6]

Prichádzajúca žiarivá energia (krátkovlnná) Upraviť

Celkové množstvo energie prijatej za sekundu na vrchole zemskej atmosféry (TOA) sa meria vo wattoch a je dané slnečnou konštantou krát, ktorou plocha prierezu Zeme zodpovedala radiácii. Pretože povrchová plocha gule je štvornásobkom plochy prierezu gule (t. J. Plocha kruhu), je priemerný tok TOA štvrtinou slnečnej konštanty, a teda približne 340 W / m 2. [1] [7] Pretože absorpcia sa líši podľa polohy, ako aj podľa denných, sezónnych a ročných zmien, sú uvedené čísla dlhodobými priemermi, ktoré sú zvyčajne priemerné z viacerých satelitných meraní. [1]

340 W / m 2 slnečného žiarenia prijatého Zemou, v priemere

77 W / m 2 sa odráža späť do vesmíru mrakmi a atmosférou a

23 W / m 2 sa odráža od povrchu albedo a odchádza

240 W / m 2 slnečnej energie vstupujúcej do energetického rozpočtu Zeme. To dáva Zemi priemerné čisté albedo (konkrétne jej albedo Bond) 0,306. [1]

Vnútorné teplo Zeme a ďalšie malé efekty Upraviť

Geotermálny tok tepla z vnútra Zeme sa odhaduje na 47 terawattov [8] a rozdelí sa približne rovnako medzi rádiogénne teplo a zvyšky tepla zo zemského formovania. To predstavuje 0,087 wattu / meter štvorcový, čo predstavuje iba 0,027% z celkového energetického rozpočtu Zeme na povrchu, ktorému dominuje 173 000 terawattov prichádzajúceho slnečného žiarenia. [9]

Ľudská výroba energie je ešte nižšia, odhadom 18 TW. [ potrebná citácia ]

Fotosyntéza má väčší efekt: fotosyntetická účinnosť premení až 2% slnečného žiarenia rastlín na biomasu. 100 až 140 [10] TW (alebo približne 0,08%) počiatočnej energie sa zachytí fotosyntézou a dodá energiu rastlinám. [ je potrebné objasnenie ]

Ostatné menšie zdroje energie sú pri týchto výpočtoch zvyčajne ignorované, vrátane narastania medziplanetárneho prachu a slnečného vetra, svetla z iných hviezd ako Slnka a tepelného žiarenia z vesmíru. Joseph Fourier už skôr tvrdil, že hlboké vesmírne žiarenie bolo významné v článku, ktorý sa často uvádza ako prvý o skleníkovom efekte. [11]

Dlhovlnné žiarenie Edit

Dlhovlnné žiarenie sa zvyčajne definuje ako odchádzajúca infračervená energia opúšťajúca planétu. Atmosféra však spočiatku časti pohlcuje, alebo oblačnosť môže odrážať žiarenie. Všeobecne sa tepelná energia prenáša medzi povrchovými vrstvami planéty (pevninou a oceánom) do atmosféry a prenáša sa prostredníctvom evapotranspirácie a latentných tepelných tokov alebo procesov vedenia / konvekcie. [1] Nakoniec je energia vyžarovaná vo forme dlhovlnného infračerveného žiarenia späť do vesmíru.

Posledné satelitné pozorovania naznačujú ďalšie zrážky, ktoré sú udržované zvýšenou energiou opúšťajúcou povrch odparovaním (latentný tepelný tok), kompenzujúc nárast dlhovlnného toku na povrch. [12]

Ak sa tok prichádzajúcej energie nerovná toku odchádzajúcej energie, čisté teplo sa dodáva alebo stráca na planéte (ak je tok prichádzajúci väčší alebo menší ako odchádzajúci). Štúdia prijatá na zverejnenie v Listy o geofyzikálnom výskume (Jún 2021) uviedol, že satelit a in situ pozorovania nezávisle na sebe ukazujú približné zdvojnásobenie energetickej nerovnováhy Zeme]] od polovice roku 2005 do polovice roku 2019. [13]

Nepriame meranie Edit

Nerovnováha v rozpočte na žiarenie Zeme si vyžaduje, aby komponenty klimatického systému časom menili teplotu. Oceán účinne absorbuje slnečnú energiu a má oveľa väčšiu tepelnú kapacitu ako atmosféra. Meranie zmeny teploty je veľmi ťažké, pretože zodpovedá milidegrámom v krátkom časovom rámci meraní ARGO. Zmena obsahu tepla v oceáne (OHC) v priebehu času je rovnaké meranie ako teplotná anomália v čase.

Energetickú bilanciu Zeme možno merať pomocou plavákov Argo meraním anomálie teploty alebo ekvivalentným spôsobom akumulácie tepelného obsahu oceánu. Obsah oceánu sa v časovom rámci 2005 - 2014 nezmenil v severnom extrotropickom oceáne a v tropickom oceáne. Oceánsky tepelný obsah sa zvyšoval iba v extrotropickom južnom oceáne. [ potrebná citácia ] Nie je známy žiadny dôvod, že v extrotropickom južnom oceáne dôjde k zvýšeniu obsahu tepla v oceáne, zatiaľ čo obsah tepla v oceáne zostáva konštantný na väčšine meraného oceánu. Meranie si urgentne vyžaduje potvrdenie dlhodobejšími meraniami aj alternatívnou metódou. Je užitočné poznamenať, že anomália obsahu tepla v oceánoch pri meraní plaváka Argo je približne 3 x 10 22 joulov, čo je približne tri dni nadmerného slnečného žiarenia počas deväťročného obdobia, alebo menej ako

0,1% variácia slnečného žiarenia počas deviatich rokov. [ potrebná citácia ]

Priame meranie Edit

Niekoľko satelitov priamo meria energiu absorbovanú a vyžarovanú Zemou, a tým odvodzuje energetickú nerovnováhu. Projekt NASA Earth Radiation Budget Experiment (ERBE) zahŕňa tri také satelity: Earth Radiation Budget Satellite (ERBS), vypustený v októbri 1984 NOAA-9, vypustený v decembri 1984 a NOAA-10, vypustený v septembri 1986. [14]

Prístroje typu Clouds and the Earth's Radiant Energy System (CERES) sú súčasťou systému NASA na pozorovanie Zeme (EOS) od roku 1998. CERES je navrhnutý na meranie ako slnečného žiarenia (krátka vlnová dĺžka), tak aj žiarenia emitovaného Zemou (veľká vlnová dĺžka). [15] Vedci použili údaje z CERES, AIRS, CloudSat, LandSat a ďalších prístrojov EOS na hľadanie trendov antropogénneho radiačného pôsobenia zabudovaných do pozorovaných energetických nerovnováh. Predstavili model, ktorý ukazuje nárast o +0,53 W m −2 (+/- 0,11 W m −2) v rokoch 2003 až 2018 s približne 20% poklesom odrazeného krátkovlnného žiarenia a zvyšok poklesom odchádzajúce žiarenie dlhej vlnovej dĺžky. [16] [17] [18]

Hlavné atmosférické plyny (kyslík a dusík) sú priehľadné pre prichádzajúce slnečné svetlo, ale sú priehľadné aj pre odchádzajúce tepelné (infračervené) žiarenie. Vodná para, oxid uhličitý, metán a ďalšie stopové plyny sú však nepriehľadné pre mnohé vlnové dĺžky tepelného žiarenia. Zemský povrch vyžaruje čistý ekvivalent 17 percent prichádzajúcej slnečnej energie vo forme tepelného infračerveného žiarenia. Avšak množstvo, ktoré priamo unikne do vesmíru, je len asi 12 percent prichádzajúcej slnečnej energie. Zvyšná frakcia, 5 až 6 percent, je absorbovaná atmosférou molekulami skleníkových plynov. [19]

Keď molekuly skleníkových plynov absorbujú tepelnú infračervenú energiu, ich teplota stúpa. Tieto plyny potom vyžarujú zvýšené množstvo tepelnej infračervenej energie do všetkých smerov. Teplo vyžarované nahor sa naďalej stretáva s molekulami skleníkových plynov, tieto molekuly tiež absorbujú teplo a ich teplota stúpa a zvyšuje sa množstvo tepla, ktoré vyžarujú. Atmosféra sa riedi nadmorskou výškou a na zhruba 5–6 kilometroch je koncentrácia skleníkových plynov v nadložnej atmosfére taká slabá, že teplo môže unikať do vesmíru. [19]

Pretože molekuly skleníkových plynov vyžarujú infračervenú energiu do všetkých smerov, časť sa šíri smerom nadol a nakoniec sa vracia na povrch Zeme, kde je absorbovaná. Teplota povrchu Zeme je tak vyššia, ako by bola, keby sa ohrievala iba priamym solárnym ohrevom. Toto doplnkové kúrenie je prirodzeným skleníkovým efektom. [19] It is as if the Earth is covered by a blanket that allows high frequency radiation (sunlight) to enter, but slows the rate at which the low frequency infrared radiant energy emitted by the Earth leaves.

A change in the incident radiated portion of the energy budget is referred to as a radiative forcing.

Climate sensitivity is the steady state change in the equilibrium temperature as a result of changes in the energy budget.

Climate forcings and global warming Edit

Climate forcings are changes that cause temperatures to rise or fall, disrupting the energy balance. Natural climate forcings include changes in the Sun's brightness, Milankovitch cycles (small variations in the shape of Earth's orbit and its axis of rotation that occur over thousands of years) and volcanic eruptions that inject light-reflecting particles as high as the stratosphere. Man-made forcings include particle pollution (aerosols) that absorb and reflect incoming sunlight deforestation, which changes how the surface reflects and absorbs sunlight and the rising concentration of atmospheric carbon dioxide and other greenhouse gases, which decreases the rate at which heat is radiated to space.

A forcing can trigger feedbacks that intensify (positive feedback) or weaken (negative feedback) the original forcing. For example, loss of ice at the poles, which makes them less reflective, causes greater absorption of energy and so increases the rate at which the ice melts, is an example of a positive feedback. [20]

The observed planetary energy imbalance during the recent solar minimum shows that solar forcing of climate, although natural and significant, is overwhelmed by anthropogenic climate forcing. [21]

In 2012, NASA scientists reported that to stop global warming atmospheric CO2 content would have to be reduced to 350 ppm or less, assuming all other climate forcings were fixed. The impact of anthropogenic aerosols has not been quantified, but individual aerosol types are thought to have substantial heating and cooling effects. [21]


Lesser Sources

Ordinary hot water is useful for energy even if it isn't suitable for generating electricity. The heat itself is useful in factory processes or just for heating buildings. The entire nation of Iceland is almost completely self-sufficient in energy thanks to geothermal sources, both hot and warm, that do everything from driving turbines to heating greenhouses.

Geothermal possibilities of all these kinds are shown in a national map of geothermal potential issued on Google Earth in 2011. The study that created this map estimated that America has ten times as much geothermal potential as the energy in all of its coal beds.

Useful energy can be obtained even in shallow holes, where the ground isn't hot. Heat pumps can cool a building during summer and warm it during winter, just by moving heat from whichever place is warmer. Similar schemes work in lakes, where dense, cold water lies on the lake bottom. Cornell University's lake source cooling system is a notable example.


3.6: Heat Budget at Earth's Surface - Geosciences

All articles published by MDPI are made immediately available worldwide under an open access license. No special permission is required to reuse all or part of the article published by MDPI, including figures and tables. For articles published under an open access Creative Common CC BY license, any part of the article may be reused without permission provided that the original article is clearly cited.

Feature Papers represent the most advanced research with significant potential for high impact in the field. Feature Papers are submitted upon individual invitation or recommendation by the scientific editors and undergo peer review prior to publication.

The Feature Paper can be either an original research article, a substantial novel research study that often involves several techniques or approaches, or a comprehensive review paper with concise and precise updates on the latest progress in the field that systematically reviews the most exciting advances in scientific literature. This type of paper provides an outlook on future directions of research or possible applications.

Editor’s Choice articles are based on recommendations by the scientific editors of MDPI journals from around the world. Editors select a small number of articles recently published in the journal that they believe will be particularly interesting to authors, or important in this field. The aim is to provide a snapshot of some of the most exciting work published in the various research areas of the journal.


Heat must be added to liquid water to make it evaporate, and when water vapor is formed, that heat is removed from the ocean and transferred to the atmosphere along with the water vapor.

When water vapor condenses into rain, that heat is then returned to the oceans.

The latent heat is normally expressed as the amount of heat (in units of joules or calories) per mole or unit mass of the substance undergoing a change of state.

For example, when a pot of water is kept boiling, the temperature remains at 100 °C (212 °F) until the last drop evaporates, because all the heat being added to the liquid is absorbed as latent heat of vaporization and carried away by the escaping vapour molecules. Similarly, while ice melts, it remains at 0 °C (32 °F), and the liquid water that is formed with the latent heat of fusion is also at 0 °C. The heat of fusion for water at 0 °C is approximately 334 joules (79.7 calories) per gram, and the heat of vaporization at 100 °C is about 2,230 joules (533 calories) per gram.


Open Research

All the data and software necessary to reproduce our results, obtained as described in Section 2, are publicly available. The plate model used can be downloaded from https://www.earthbyte.org/global-plate-boundary-evolution-and-kinematics-since-the-late-paleozoic/and the code used to calculate the seafloor age grids (Karlsen et al., 2019b ) can be downloaded from http://doi.org/10.5281/zenodo.3687548. This research was funded by the Research Council of Norway's (RCN) Centers of Excellence Project 223272 and RCN project 250111.

Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.


Pozri si video: Kruhový děj a práce vykonaná plynem