Toplotno zraenje Zraenje crnog tijela Kvantna svojstva elektromagnetnog

Toplotno zračenje Zračenje crnog tijela

Kvantna svojstva elektromagnetnog zračenja. "Ultravioletna katastrofa". § Sva tijela, na bilo kojoj temperaturi, stalno emituju energiju u obliku elektromagnetnih talasa - to je tzv. termičko (toplotno) zračenje. § Na datoj temperaturi T intenzitet elektromagnetnih zračenja koje emituje tijelo zavisi od talasne dužine λ (vidljivi dio spektra, IC, …). § Apsolutno crno tijelo je savršeni apsorber energije elektromagnetnih talasa koju istovremeno i reemituje nazad u prostor oko sebe. §Sa porastom temperature, maksimum intenziteta zračenja se pomijera u oblast manjih talasnih dužina λ većih frekvencija ν). Intenzitet emitovane energije apsolutno crnog tijela

Funkcija spektralne gustine zračenja apsolutno crnog tijela Stefan Boltzmann-ov zakon: E = T 4 Wien’ov zakon Pomijeranja: max· T(K) 3000 m

Osnovni zakoni toplotnog zračenja 1) Sva tijela emituju toplotno zračenje na račun svoje unutrašnje energije. 2) To zračenje se emituje na svakoj temperaturi T 3) Toplija tijela emituju više energije od hladnijih 4) Količina koju emituje tijelo proporcionalna je četvrtom stepenu njegove apsolutne temperature. To je Stefan Boltzmann-ov zakon E = T 4 E = flux energije (W/m 2) T = temperature (K) = 5. 67 x 10 -8 W/m 2 K 4 (S-B konstanta)

Osnovni zakoni toplotnog zračenja 1) Sva tijela emituju toplotno zračenje. 2) Toplija tijela emituju više energije od hladnijih. Količina emitovane energije zavisi od temperature na kojoj se tijelo nalazi. 3) Što je tijelo toplije to je kraća talasna dužina najviše (maksimalno) emitovatog zračenja To je Wien’ov zakon max 3000 m T(K)

Stefan-Boltzmann-ov zakon E = T 4 E = fluks energije (W/m 2) T = temperatura (K) = 5. 67 x 10 -8 W/m 2 K 4 (konstanta) Wien’ov zakon max 3000 m T(K)

Koristeći ove zakone možemo izračunati karakteristike toplotnog zračenja koje dolazi sa Sunca i od Zemlje 6, 000 K 300 K

T (K) Sunce 6000 Zemlja 300 max ( m) Region u spektru E (W/m 2)

T (K) max ( m) Sunce 6000 0. 5 Zemlja 300 10 Region u spektru E (W/m 2)

Electromagnetni spektar infracrveni mikrotalasi 1000 Niska Energija vidljiva svjetlost ultravioletna x-zraci 100 10 ( m) 1 0. 01 Visoka Energija

T (K) max ( m) Region u spektru Sunce 6000 0. 5 Vidljiva (žuta? ) Zemlja 300 10 Infra crvena F (W/m 2)

• Plava svjetlost sa Sunca je uklonjena iz snopa Rayleigh-jevim rasijanjem, tako da Sunce izgleda žuto kad se gleda sa Zemljine površine iako je maksimum njegovog zračenja u zelenom.

Sunce T (K) max ( m) Region u spektru 6000 0. 5 vidljiva (zelena) Zemlja 300 10 Infra crvena E (W/m 2)

Stefan-Boltzman’ ov zakon E = T 4 E = fluks energije (W/m 2) T = temperatura (K) = 5. 67 x 10 -8 W/m 2/K 4 (konstanta)

Sunce T (K) max ( m) 6000 0. 5 Region u spektru E (W/m 2) vidljiva 7 x 107 (zelena) Zemlja 300 10 Infra crvena 460

Sunčevo zračenje i Zemljin energetski bilans

Planetarna energetska ravnoteža • Možemo iskoristiti ove zakone kako bismo izračunali ravnotežu zračenja na Zemlji.

Neke osnovne formule: Površina kruga = r 2 Površina kugle = 4 r 2

Energetska ravnoteža: Energija koju dobije Zemlja jednaka je onoj koju Zemlja izgubi. Da nije tako, temperatura Zemlje bi stalno rasla ili opadala.

Energetska ravnoteža: Upadna energija = izlazna energija Ein = Eout Ein

Koliko Sunčeve energije stigne na Zemlju?

Koliko Sunčeve energije stigne na Zemlju? Kako se energija rasipa dalje od Sunca, ona se širi preko veće i veće površine.

Koliko Sunčeve energije stigne na Zemlju? Kako se energija rasipa dalje od Sunca, ona se širi preko veće i veće površine. To je zakon inverznog kvadrata

So = L / površina sfere

So = L / (4 rs-e 2) = 3. 9 x 1026 W 4 x x (1. 5 x 1011 m)2 = 1370 So je solarna konstanta za Zemlju W/m 2

So = L / (4 rs-e 2) = 3. 9 x 1026 W 4 x x (1. 5 x 1011 m)2 = 1370 W/m 2 So je solarna konstanta za Zemlju Određena je rastojanjem između zemlje (rs-e) i Sunca i Sunčevom luminoznošću.

Svaka planeta ima svoju solarnu konstantu. . .

Koliko solarne energije stigne na Zemlju? Ako pretpostavimo da Sunčevo zračenje pokriva krug definiran radijusom Zemlje (re) Ein re

Koliko solarne energije stigne na Zemlju? Ako pretpostavimo da Sunčevo zračenje pokriva krug definiran radijusom Zemlje (re) Ein = So (W/m 2) x re 2 (m 2) Ein re

Koliko energije emituje Zemlja? 300 K

Koliko energije emituje Zemlja? Eout = E x (površina Zemlje)

Koliko energije emituje Zemlja? Eout = E x (površina Zemlje) E = T 4 Površina = 4 re 2

Koliko energije emituje Zemlja? Eout = E x (površina Zemlje) E = T 4 Površina = 4 re 2 Eout = ( T 4) x (4 re 2)

Sunce Zemlja 1000 10 ( m) 1 0. 01 Toplija tijela emituju Više energije od hladnijih F = T 4

Toplija tijela emituju na kraćoj talasnoj dužini. max = 3000/T 1000 100 Sun Earth 10 ( m) 1 0. 01 Toplija tijela emituju Više energije od hladnijih E = T 4

Koliko energije emituje Zemlja? Eout = E x (površina Zemlje) Eout

Koliko energije emituje Zemlja? Eout = E x (površina Zemlje) E = T 4 Površina = 4 re 2 Eout = ( T 4) x (4 re 2) Eout

Koliko solarne energije dolazi na Zemlju? Ein

Koliko solarne energije dolazi na Zemlju? Možemo da pretpostavimo da solarno zračenje pokriva površinu kruga koji je definiran Zemljinim radijusom (re). Ein re

Koliko solarne energije dolazi na Zemlju? Možemo da pretpostavimo da solarno zračenje pokriva površinu kruga koji je definiran Zemljinim radijusom (re). Ein = So x (površina kruga) Ein re

Ako se prisjetimo. . . So = L / (4 rs-e 2) = 3. 9 x 1026 W 4 x x (1. 5 x 1011 m)2 = 1370 W/m 2 So je solarna konstanta za Zemlju Određena je rastojanjem između zemlje (rs-e) i Sunca i Sunčevom luminoznošću.

Koliko solarne energije dolazi na Zemlju? Možemo da pretpostavimo da solarno zračenje pokriva površinu kruga koji je definiran Zemljinim radijusom (re). Ein = So x (area of circle) Ein = So (W/m 2) x re 2 (m 2) Ein re

Koliko solarne energije dolazi na Zemlju? Ein = So re 2 ALI OVO NIJE SASVIM TAČNO! **Nešto energije se reflektuje** Ein re

Koliko solarne energije dolazi na Zemlju? Albedo (A) = % energije koja se reflektuje Ein = So re 2 (1 -A) Ein re

Koliko solarne energije dolazi na Zemlju? Albedo (A) = % energije koja se reflektuje A= 0. 3 today Ein = So re 2 (1 -A) Ein = So re 2 (0. 7) Ein re

Energetski balans: Upadna energija = izlaznoj energiji Ein = Eout Ein

Energetski balans: Ein = Eout Ein = So re 2 (1 -A) Eout Ein

Energetski balans: Ein = Eout Ein = So re 2 (1 -A) Eout = T 4(4 re 2) Eout Ein

Energetski balans: Ein = Eout So re 2 (1 -A) = T 4 (4 re 2) Eout Ein

Energetski balans: Ein = Eout So re 2 (1 -A) = T 4 (4 re 2) Eout Ein

Energetski balans: Ein = Eout So (1 -A) = T 4 (4) Eout Ein

Energetski balans: Ein = Eout So (1 -A) = T 4 (4) T 4 = So(1 -A) 4 Eout Ein

T 4 = So(1 -A) 4 Ako poznajemo So i A, možemo izračunati temperaturu Zemlje. To zovemo očekivana temperatura (Texp). To je temperatura koju bi očekivali kada bi se Zemlja ponašala kao crno tijelo. Ovaj proračun se može napraviti za svaku planetu ako znamo njenu solarnu konstantu i njen albedo.

T 4 = So(1 -A) 4 Za Zemlju je: So = 1370 W/m 2 A = 0. 3 = 5. 67 x 10 -8 W/m 2 K 4

T 4 = So(1 -A) 4 Za Zemlju je: So = 1370 W/m 2 A = 0. 3 = 5. 67 x 10 -8 T 4 = (1370 W/m 2)(1 -0. 3) 4 (5. 67 x 10 -8 W/m 2 K 4)

T 4 = So(1 -A) 4 Za Zemlju je: So = 1370 W/m 2 A = 0. 3 = 5. 67 x 10 -8 T 4 = (1370 W/m 2)(1 -0. 3) 4 (5. 67 x 10 -8 W/m 2 K 4) T 4 = 4. 23 x 109 (K 4) T = 255 K

Očekivana temperatura: Texp = 255 K (o. C) = (K) - 273

Očekivana temperatura: Texp = 255 K (o. C) = (K) - 273 Texp = (255 - 273) = -18 o. C

Da li je temperatura Zemljine površine zaista -18 o. C?

Da li je temperatura Zemljine površine zaista -18 o. C? NE. Stvarna temperatura je viša! Mjerena temperatura (Tobs) je 15 o. C.

Da li je temperatura Zemljine površine zaista -18 o. C? NE. Stvarna temperatura je viša! Mjerena temperatura (Tobs) je 15 o. C. Razlika između mjerene i očekivane temperature je ( T): T = Tobs - Texp T = 15 - (-18) T = + 33 o. C

T = + 33 o. C Drugim riječima, Zemlja je za 33 o. C toplija nego što se očekuje prema proračunu za crno tijelo i prema poznatom imputu solarne energije.

T = + 33 o. C Drugim riječima, Zemlja je za 33 o. C toplija nego što se očekuje prema proračunu za crno tijelo i prema poznatom imputu solarne energije. Ova dodatna toplina je ono što mi zovemo GREENHOUSE EFFECT (efekat staklenika).

T = + 33 o. C Drugim riječima, Zemlja je za 33 o. C toplija nego što se očekuje prema proračunu za crno tijelo i prema poznatom imputu solarne energije. Ova dodatna toplina je ono što mi zovemo GREENHOUSE EFFECT (efekat staklenika). To je rezultat zagrijavanja Zemljine površine usljed apsorpcije zračenja u atmosferi.

Efekat staklenika: Toplota se apsorbuje ili “je zarobe” gasovi u atmosferi. Zemlja prirodno ima efekat staklenika od +33 o. C.

Postoji bojazan da će iznos stakleničkog zagrijavanja rasti sa porastom količine CO 2 u atmosferi uzrokovanog ljudskim aktivnostima.

Da bismo zadržali ugodnu temperaturu na Zemlji mi trebamo efekat staklenika ! Kompliciranost globalnog zagrijavanja sastoji se u tome što povećanje količine CO 2 (i drugih “stakleničkih” gasova) u atmosferi utječe na povećanje Zemljine srednje temperature, ali isto tako može povećati oblačnost, koja je snižava. Jedno je ipak jasno: pošto je klima značajno uslovljena toplotnom ravnotežom u atmosferi, sve što mijenja atmosfersku apsorpciju mora imati klimatske posljedice.

Zadatak Spektar sunčevog zračenja je blizak zračenju crnog tijela sa maksimumom zračenja na = 0. 5 m. Naći gubitak mase Sunca u jednoj sekundi. Koliko vremena treba da Sunce izgubi 1% svoje mase usljed zračenja? Radijus Sunca je: 7· 108 m, a njegova masa 2 · 1030 kg.