Opakovn matka moudrosti efektivn teplota Slunce promnlivost slunen

Opakování matka moudrosti • • • efektivní teplota Slunce proměnlivost sluneční činnosti rozložení energie ve spektru slunečního záření solární konstanta solární klima – rovník, polární oblasti

pěkné ilustrativní schéma

Průchod slunečního záření atmosférou

Lambert-Beerův zákon extinkce jak zní? co extinkci způsobuje? (složky koeficientu extinkce)

Lambert-Beerův zákon extinkce

Absolutně suchá a čistá atmosféra (Rayleighova atmosféra) • Idealizace, kdy není v atmosféře přítomna žádná vodní pára, oblačnost, srážky, aerosoly a znečišťující příměsi. Předpokládá se přitom, že extinkce je redukována pouze na molekulový (Rayleighův) rozptyl (absorpce nulová).

Zákalový faktor (turbidity factor) • Koeficient udávající kolikrát je koeficient extinkce v reálné atmosféře větší než pro absolutně suchou a čistou atmosféru.

Linke turbidity faktor Linkeho zákalový faktor http: //www. helioclim. org/linke_helioserve. html Cell size is 5' (that is approximately 10 km at mid-latitude). Within the project So. Da (funded by the European Commission), we have created maps of the TL for each cell of 5 minutes of arc angle world-wide. For each month, we combined TL extracted from radiation data and TL extracted from the SRB gridded data from NASA. In order to cope with the large differences in spatial resolution, we also used water vapour maps and orography maps in the fusion methodology. The errors were assessed by cross-checking, that is removing one station (out of approx. 220), making calculation for this site (using the elevation database and not the actual elevation) and computing the discrepancy. The bias was found to be 0. 01 and the rmse 0. 73 as an annual average with slight deviations from month to month.

Lambert-Beerův zákon extinkce integrace ve směru šíření paprsku

Matematický popis extinkce •

Optická tloušťka - ilustrace

Optická hmota Meteorologický slovník: • • hmota optická absolutní — geometrická délka dráhy paprsku (například slunečního) při průchodu atmosférou Země hmota optická relativní — poměr absolutní optické hmoty při poloze nebeského tělesa (nejčastěji Slunce) ve výšce nad obzorem dané úhlem h k absolutní optické hmotě při poloze tělesa v zenitu. jak určíme kvantitativně? co komplikuje?

Optická hmota •

Bouguerovy vzorce I. a II. typu koeficient propustnosti atmosféry Teoretická hodnota p pro suchou a čistou atmosféru je asi 0, 9, v reálné atmosféře se pohybuje zpravidla mezi 0, 7 a 0, 85. Obecně závisí na optické hmotě, souvisí i s množstvím aerosolů, vodní páry a oblačnosti Pro zjednodušení se zavádí např. : pefektivní =pzenit + konstanta, pzenit=I/I 0 nebo p=p’f(m), kde p’ je nezávislé na optické hmotě a funkce f(m) se hledá empiricky Závislost p na vlnové délce – viz nákres

koeficient propustnosti atmosféry Geografický průběh: Zjednodušeně roste propustnost atmosféry od rovníku směrem k pólu (0. 7 na rovníku, 0. 85 u pólů). Denní chod: maximum ráno – největší propustnost atmosféry (nízké koncentrace aerosolů a vodní páry) Minimum po poledni, poté nárůst Roční chod: Maximum v zimě Minimum v létě V důsledku denního chodu p je maximum intenzity slunečního záření předsunuto před kulminaci Slunce. (platí analogicky pro roční chod – maximum intenzity v květnu)

Spektrum slunečního záření na horní hranici atmosféry a u povrchu

Složení atmosféry (připomenutí) mixing ratio – směšovací poměr

Obsah vodní páry Zdroj: Peixoto a Oort, Physics of Climate. Obrázek označený písmenem b tu není uveden.

Rozptyl slunečního záření v atmosféře

Rozptyl slunečního záření v atmosféře • změna směru šíření slunečních paprsků, následkem interakce přímých slunečních paprsků s molekulami plynných složek vzduchu, s aerosolovými částicemi nebo s oblačností

Terminologie dopředný a zpětný rozptyl

Molekulový rozptyl •

Rozptylu slunečního záření na aerosolových částicích a na oblačnosti •

Jaké charakteristiky slunečního záření měříme na meteorologických stanicích

Jaké charakteristiky slunečního záření měříme na meteorologických stanicích • sluneční záření přímé, rozptýlené, globální (viz Meteorologický slovník) • K zemskému povrchu díky atmosférickému rozptylu přichází nejen přímé sluneční záření, ale i rozptýlené. Dohromady tyto dvě složky tvoří globální záření. • Pyranometr – měření globálního slunečního záření • Pyrheliometr – měření přímého slunečního záření – úzký otvor pro vstup záření pouze ze směru od Slunce, pohyblivé během dne • Difúzometr – měření rozptýleného slunečního záření – lze použít pyranometr se stínítkem pro odstínění přímého slunečního záření • slunoměr (heliograf) — přístroj zaznamenávající trvání slunečního svitu, tj. dobu, po kterou je intenzita přímého slunečního záření dopadající na plochu kolmou k paprskům větší, než 120 Wm– 2

Rozptýlená radiace • Denní chod rozptýlené radiace: maximum v poledne. Oblačnost přispívá velkou měrou k množství rozptýlené radiace. Nejvíce rozptylují vertikálně vyvinuté oblaky (Cu, Cb), které způsobují nárůst rozptýlené radiace až desetkrát oproti situaci za jasného počasí. • Roční chod: • v mírných šířkách maximum v zimě. • Planetární rozložení – největší množství rozptýlené radiace (relativně k přímému slunečnímu záření v dané oblasti) je v polárních oblastech. • Vliv oblačnosti; Kastenův vzorec • Odhad pro suchou a čistou atmosféru

Absorpce záření v atmosféře

Absorpce záření v atmosféře princip platí nejen pro sluneční záření, ale i pro dlouhovlnné záření • Energie kvantovaná – změna diskrétního stavu molekuly • kinetická energie nekvantovaná – rozšíření absorpčních čar

přechody elektronů mezi orbitaly • Energie kvantovaná ilustrace pro Bohrův model atomu vodíku: • elektronové přechody – nejkratší vlnové délky (krátké UV záření) – motor pro fotochemické reakce

rotační energie • Energie kvantovaná • rotační energie - změna stavu pouze u molekul s nenulovým dipólovým momentem (náboj nerovnoměrně rozložen) • absorpce pro vlnové délky víc než 20 µm

vibrační energie • Energie kvantovaná • „bending a stretching“ – vlnové délky kratší než 20 µm • rotačně-vibrační stavy – okamžitý dipólový moment Illustrative potential energy curves for two electronic states of a diatomic molecule. The horizontal lines in the potential well represent vibrational energy levels.

Rozšíření absorpční čáry Teoreticky je absorpce „čárová“ – spektrální čáry ve skutečnosti absorpce pro určitý konečný interval vlnových délek Důvody pro rozšíření: kolizní rozšíření (collision, pressure broadening) – Srážky molekul mohou dodat nebo ubrat určité množství energie - vede k Lorentzovskému profilu spektrální čáry • Dopplerův efekt (Doppler broadening) – Pohyb fotonu relativně vůči molekule – Dopplerovský posun frekvence fotonu. Vede k Dopplerovskému tvaru spektrální čáry. • •

Absorpce slunečního UV záření v atmosféře • molekulární dusík N 2: – absorpční pás okolo 120 nm – fotodisociace v nejvyšších vrstvách atmosféry (nad 100 km)

Absorpce slunečního UV záření v atmosféře • molekulární kyslík a ozón

Výška nad povrchem kam může projít UV záření Lyman alfa je významná emisní čára vodíku – pozorovatelná ve slunečním spektru – pomocí absorpce této vlnové délky se mj. měří koncentrace O 2 v horní atmosféře

Solar irradiance curve at the top of the atmosphere and at the surface for a solar zenith angle of 60◦ in an atmosphere without aerosols or clouds. Absorption and scattering regions are indicated.

Atmosférické aerosoly

Interakce slunečního záření s atmosférickými aerosoly • Oblast současného výzkumu – není zcela objasněný vliv aerosolů na klima, velká neurčitost. • Stratosférický aerosol: vulkanický původ – nízká míra absorpce ve VIS části spektra, ale významný odraz slunečního záření. Aerosolové částice mohou setrvávat ve stratosféře i mnoho měsíců, a díky atmosférické cirkulaci se mohou „rozprostřít“ po velké části glóbu. Výsledkem může být výrazný vliv na počasí a zvýšený odraz slunečního záření (snížení radiační bilance). • Troposférický aerosol: přirozený i antropogenní původ, koncentrace významné do 2 km výšky nad povrchem zejména v blízkosti zdrojů (např. pouště, velká průmyslová centra). Antropogenní aerosoly s obsahem síry přispívají zejména k odrazu slunečního záření. Antropogenní aerosoly s obsahem uhlíku a sazí mohou naopak významně přispívat k absorpci. • Kromě toho mohou aerosolové částice fungovat jako kondenzační jádra při tvorbě oblačnosti. • http: //earthobservatory. nasa. gov/Global. Maps/view. php? d 1=MODAL 2_ M_AER_OD

Domácí úkol • Wild, M. , 2012: ENLIGHTENING GLOBAL DIMMING AND BRIGHTENING, Bulletin of American Meteorological Society, Vol. 93, p. 27– 37, doi: http: //dx. doi. org/10. 1175/BAMS-D-11 -00074. 1 • přečíst první část „WHAT OBSERVATIONS TELL“, příp. i druhou část o možných příčinách • příště prodiskutujeme

Ozonosféra

Nejvíce ozónu vzniká nad rovníkem, odkud je atmosférickou cirkulací transportován do vyšších zeměpisných šířek. Antropogenní emise halogenovaných uhlovodíků měly za následek zvýšenou míru destrukce stratosférického ozónu nad Antarktidou a vznik tzv. ozonové díry. viz např. : https: //www. ucar. edu/learn/1_6_1. htm - podívejte se sami

Dobsonovy jednotky [DU] nebo [DBU]: 1 DU odpovídá množství ozónu, které by vytvořilo sloupec o výšce 0, 01 mm převedením na tlak 1000 h. Pa a teplotu 0 ºC. Aktuální vývoj v severní i jižní polární stratosféře – domácí úkol

březen 2011 – rekordní úbytek

Domácí úkol: Aktuální vývoj v severní i jižní polární stratosféře - spolehlivé zdroje, zejména NASA, NOAA

Určení hodnoty solární konstanty na základě pozemních pozorování tzv. dlouhá metoda určení solární konstanty. Tato metoda vychází z Lamber-Beerova zákona: • Během jednoho dne měření Iλ pro různé zenitové úhly, optickou hmotu odhadnout na základě zenitového úhlu • Závislost Iλ na m lze pak extrapolovat do bodu m=0, který odpovídá Iλ 0, předpokládáme přitom konstantní hodnotu koeficientu propustnosti

Hlavní body k zapamatování • • Lambert-Beerův zákon a jeho integrace Optická hmota, optická tloušťka Zákalový faktor; propustnost atmosféry rozptyl slunečního záření v atmosféře Absropce slunečního záření v atmosféře Interakce slunečního záření s aerosoly Domácí úkoly