Sterrekunde

Hoe om die verwagte oppervlaktemperatuur van 'n planeet te bereken

Hoe om die verwagte oppervlaktemperatuur van 'n planeet te bereken


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Ek skryf 'n program om sonstelsels op te wek, maar ek sukkel om die verwagte temperatuur van 'n planeet te bereken. Ek het 'n formule gevind om dit te bereken, maar ek kon nie 'n afstand korrekte antwoord daaruit kry nie, want dit dui nie duidelik aan watter eenhede u moet gebruik nie.

Hierdie formule het ek gevind:

$$ 4 pi R ^ 2 ơ T ^ 4 = frac { pi R ^ 2 L _ { odot} (1 - a)} {(4 pi d ^ 2)} $$

waar $ R $ die radius van die planeet is (nie seker watter eenhede nie), $ d $ die afstand van die son is (dit noem AU), $ a $ is die albedo, $ L _ { odot} $ is die helderheid van die son (wat ek aanneem kan vervang word met die helderheid van enige ster), $ T $ is die temperatuur van die planeet (kelvin, dit is wat ek probeer kry), en $ ơ $ is die Stefan-Boltzmann-konstante.

Die webwerf waarop ek dit gevind het, is aantekeninge vir 'n astronomie-kollege-kursus. Hier is die skakel:

http://www.astronomynotes.com/solarsys/s3c.htm#

Enige hulp sal baie waardeer word.


Die formule

$$ 4 pi R ^ 2 ơ T ^ 4 = frac { pi R ^ 2 L _ { odot} (1 - a)} {4 pi d ^ 2} $$

is korrek as u die stralingsewewigtemperatuur wil bereken. U hoef slegs die regte eenhede te gebruik. Ons kan die formule verder vereenvoudig tot

$$ T ^ 4 = frac {L _ { odot} (1 - a)} {16 pi d ^ 2 ơ} ;. $$

U moet die helderheid in watt invoer, die afstand tot die ster in meter en die Stefan-Boltzmann-konstante as

$$ σ = 5.670373 × 10 ^ {- 8} ; mathrm {W} ; mathrm {m} ^ {- 2} ; mathrm {K} ^ {- 4}. $$

Die albedo is dimensieloos. Die gevolglike temperatuur sal in Kelvins wees. Laat ek 'n voorbeeld vir die aarde maak:

$ d = 149,000,000,000 ; mathrm {m} $

$ L = 3.846 × 10 ^ {26} ; mathrm {W} $

Albedo van die aarde is 0,29. (Die Bond-albedo moet gebruik word.) U sal dit kry

$$ T ^ 4 = frac {3.846 × 10 ^ {26} (1 - 0.29)} {16 pi times (149.000.000.000) ^ 2 times (5.670373 × 10 ^ {- 8})} = 4.315.325.985 ; mathrm {K} ^ 4 ;. $$

Nadat ons hierdie getal op 1/4 aangeskakel het, verkry ons die temperatuur 256 K, wat -17 ° C is. Dit lyk redelik. Die werklike gemiddelde temperatuur op aarde is nader aan 15 ° C, maar die kweekhuiseffek is verantwoordelik vir die verskil.


Lesing 10 - Planetêre temperature (15/10/98)

Dit is welbekend dat dit gloei as jy goed verhit! As u die brander op u elektriese stoof na hoog draai, begin dit rooi gloei. 'N Vlam is helder en brandende kole gloei rooi. As u al ooit gesien het hoe yster of staal in 'n oond verhit word, weet u dat dit rooi, geel, blou, dan witwarm en terselfdertyd helderder en helderder word as u dit tot hoër en hoër temperature verhit.

Daar is natuurlik 'n verband met temperatuur en ligemissie. Hoe warmer iets is, hoe helderder gloei dit, en hoe "blouer" is die kleur wat die lig uitstraal.

Die temperatuur van 'n liggaam is 'n maatstaf vir hoe vinnig die atome en molekules daarin kronkel. Hoër temperatuur beteken hoër gemiddelde snelheid (eintlik gemiddelde kwadraat-snelheid). In die fisika word die temperatuur gemeet aan die hand van 'n skaal genaamd die Kelvin-skaal (K). Dit is dieselfde grade in die celsius- of Celsius-skaal (C) ('n verandering van 1 K = 1 C), maar gemeet vanaf absolute nul (nul snelheid, 0 K = -273 C = -460 F) in plaas van vanaf die vriespunt water (0 Celsius = 273 Kelvin = 32 F). Dus kook water op 373 K (100 C = 212 F).

Die kinetiese energie van 'n deeltjie is eweredig aan die kwadraat van die snelheid:

As u die verspreiding van kinetiese energieë van atome in 'n gas by 'n temperatuur T is, vind u 'n verspreiding met 'n hoogtepunt van 'n kenmerkende kinetiese energie, met min atome teen lae energie (snelhede) en min atome teen hoë energie. (snelhede). Die gemiddelde kinetiese energie (ons dui 'n gemiddelde hoeveelheid X aan by & lt X & gt):

waar k Boltzmann se konstante is (k = 8,6 x 10 ^ -5 eV / K).

Omdat die elektriese krag deur fotone oorgedra word, blyk dit dat wanneer u 'n krag op 'n elektron uitoefen en dit versnel, dit 'n foton sal uitstraal. Die feit dat versnellende elektrone altyd straling uitstraal, is 'n belangrike aspek in astonomie, en ons sal meer as een keer daarna terugkeer. Op hierdie punt is dit belangrik dat botsings tussen atome die elektrone in die buitenste skulpe kan laat versnel en sodoende straling kan uitstraal. Die spektrum van hierdie "termiese" bestraling hang af van die termiese verspreiding van snelhede en dus kinetiese energieë van die atome in die materiaal.

As 'n materiaal ondeursigtig is, dit wil sê as byna al die fotone wat deur 'n atoom in die stof uitgestraal word, geabsorbeer en weer uitgestraal word deur ander atome in die stof voordat dit deur die oppervlak ontsnap, dan sal die energie van die straling in ewewig kom met die energie in die termiese bewegings van die opgewekte elektrone. Dus, ondeursigtige materie by 'n temperatuur T (in Kelvin) straal 'n deurlopende spektrum uit waarvan die piekverskuiwing na korter golflengte en totale energie styg met die temperatuur:

Die piekgolflengte van die swartliggaamstraling is omgekeerd eweredig aan die temperatuur en die totale krag wat uitgestraal word per vierkante meter oppervlak is eweredig aan die vierde krag van die temperatuur:

Dus kan ons die waargenome spektra en stralingsvloei in verband bring met die temperatuur van 'n swartliggaam. Die meeste voorwerpe (sterre, planete, ens.) Het 'n swart spektrum. Daarom is dit een van die belangrikste konsepte in astrofisika.

Voorbeeld Probleem: temperatuur van Mercurius

'N Voorbeeld van die gebruik van termiese ewewig met swartliggaamstraling is die berekening van die gemiddelde temperatuur van die planeet Mercurius, wat 'n halfas-hoofas het. a= 0,39 AU, en 'n albedo van A= 0,06 (soortgelyk aan die maan). Aangesien Mercurius geen atmosfeer het om oor te praat nie, is daar geen kweekhuisfaktor nie G= 0 aangesien dit net kaal rots is!

Eerstens bereken ons die subsolêre temperatuur by 0,39 AU:

Tss = [L.son / (4 r 2)] 1/4
= 394 K [r / 1 AU] -1/2 = 631 K

en dus is die ewewigtemperatuur gemiddeld oor Mercurius se sfeer

Tvgl = Tss 2 -1/2 [ (1-A) / (1-G) ] 1/4
= 631 K 2 -1/2 [0.94] 1/4 = 439 K.

Dit moet die gemiddelde temperatuur voorstel, maar aangesien Mercurius geen atmosfeer het om die hitte te versprei nie, en die rots van die planeet 'n (relatiewe) swak geleier is, moet dit tot by die onder-sontemperatuur van 631 K by die onder-sonpunt waar die son op die hoogtepunt is. In werklikheid, aangesien die eksentrisiteit van die wentelbaan van Mercurius is e= 0,206, en dus is die periheliumafstand

rbl = a ( 1 - e ) = 0.39 (1-0.206) = 0.31 AU

en die onder-son temperatuur by perihelium moet wees

Tss, bl = 394 K [0.31] -1/2 = 708 K.

Die gemete temperature (vanaf die Mariner-missies) wissel van 100 K aan die donker kant tot 700 K aan die helder kant, presies in lyn met wat ons met behulp van hierdie eenvoudige berekeninge vind!


'N Heelal van die wetenskap

(Lees my vorige berig oor Bond Albedo, gepubliseer in 22 Julie 2014, voordat u hierdie berig lees)

Die effektiewe temperatuur van 'n planeet word in die onderstaande vergelyking gegee:

L is die helderheid van die ster waarna die planeet wentel (in watt), vir die son is dit altyd 3.846 × 10 26 watt. A is die band albedo van die planeet. π is 3.141592654 en dit is 'n irrasionele getal wat vir ewig voortduur, maar die waarde daarvan verander nooit omdat dit 'n wiskundige konstante is. σ is 5.6704 × 10-8 (0.000000056704) en dit is 'n irrasionale getal wat vir ewig voortduur, maar die waarde daarvan verander nooit omdat dit ook 'n wiskundige konstante is (wat in termiese fisika gebruik word). D is die afstand tussen die planeet en die ster en dit is altyd vierkantig wanneer die effektiewe temperatuur bereken word. Die hele vergelyking word dan met die krag van 1/4 gestel (dieselfde as om dit met die vierde wortel te plaas) en die antwoord verskyn in Kelvin.

As u die effektiewe temperatuur van die planete bereken, kan u iets vreemds opmerk. Die antwoorde vir Mercurius, Venus, Aarde en Jupiter is nie eens naby aan die werklike oppervlaktemperatuur nie (alhoewel die aarde nie te ver is nie), pas die antwoord vir Mars ook perfek, so ook Saturnus. Neptunus is effens af en Uranus is naby, maar vreemd (ek sal in 'n ander pos oor Uranus praat). Die effektiewe temperatuur vir die aarde is 254,33 Kelvin (-18,82 Celsius, -1,88 Fahrenheit), maar die gemiddelde temperatuur van die planeet is 288,15 Kelvin (15 Celsius, 59 Fahrenheit), wat 'n verskil van 33,82 Kelvin (33,82 Celsius, 60,88 Fahrenheit) laat. Intussen is die effektiewe temperatuur van Venus 178,72 Kelvin (-94,43 Celsius, -137,97 Fahrenheit). Maar die gemiddelde temperatuur van Venus is 737 Kelvin (463,85 Celsius, 867,7 Fahrenheit), wat 'n verskil van 558,28 Kelvin (558,28 Celsius, 1 005,67 Fahrenheit) laat. Die rede waarom Aarde en Venus warmer is as wat dit moet wees, is om twee redes:

1- Interne verwarming: Venus en Aarde het planeetkern wat die planeet van binne verwarm. Dit word nie in berekening gebring nie. Tektoniese plate laat die aarde van sy hitte van die kern na die omgewing verloor, maar Venus het geen tektoniese plate nie, wat beteken dat die kern nie hitte vir die omgewing verloor nie en eerder die planeet oorverhit.

2-kweekhuiseffek: die atmosfeer van die aarde en sy atmosfeer is slegs 0,039% koolstofdioksied, so daar maak die kweekhuiseffek min veranderinge aan die oppervlaktemperatuur. Aan die ander kant is Venus se atmosfeer 96,5% koolstofdioksied en sy atmosfeer is baie keer digter as die aarde. Dit beteken dat, alhoewel die wolke van Venus 10% van die lig van die son blokkeer, die kweekhuiseffek die planeet in staat stel om groot hoeveelhede hitte te versamel sonder om dit aan die omgewing te verloor.


Hoe om die verwagte oppervlaktemperatuur van 'n planeet te bereken - Sterrekunde

JunkScience.com
20 MEI 2008
24 Mei 2008 uitgebrei

Tensy u sedert 1987 in 'n bomskuiling verseël is, sal u ongetwyfeld van aardverwarming gehoor het. Soms word dit versier met wysigers soos & quotcatastrophic & quot en word daar baie name gegee, bv. & quotklimaatverandering & quot of & quotclimate inmenging & quot maar hoor jy amper nooit verwarming nie relatief tot wat?

Volgens Hansen: Vir die wêreldgemiddelde lewer die betroubaarste modelle 'n waarde van ongeveer 14 Celsius, dit wil sê 57,2 F, maar dit kan maklik tussen 56 en 58 F wees en in die streek, laat staan ​​nog plaaslik, is die situasie nog erger.

NCDC stel voor dat u die gemiddelde 1901-2000 van 13,9 ° C gebruik, en albei stel voor dat ons die anomalie moet byvoeg om die huidige gemiddelde temperatuur af te lei.

Die & quottrusted model & quot en die 20ste eeu beteken egter nie identies aan berekende verwagte waardes (of mekaar, vir die saak). Daarbenewens word ramings van die aarde se gemiddelde temperatuurverandering deur die jaar as gevolg van kontinentale konfigurasie:

Let daarop dat slegs jaarliks geskatte afwykings en jaarlikse middele word deur hierdie groepe voorgestel om die geskatte aardtemperatuur af te lei.

Om u te help om 'n verwysingspunt te kry, het ons 'n klein wêreldwye energiebalansmodel opgestel met net drie verstelbare parameters (gemerk (o) om 'n kwakswakbare skakelaar & quot) aan te dui. Die standaard is die beste raai-huidige waardes, maar laat aansienlike aanpassings toe met TOA W / m 2 wat geldig is vanaf 1350-1380, albedo vanaf 20-40% Inkomende sonstraling en GHE 20-60% van die uitgaande langgolfstraling.

Moenie te opgewonde raak oor die berekening van die aarde se presiese gemiddelde temperatuur nie, aangesien die stralingsbalans nog nie binne 'n presisie van ± gemeet moet word nie

2 Watt per meter vierkante en berekeninge in IPCC se AR4 WG1 is intern teenstrydig. Geskatte albedo kan maklik met 1-2% wees, en & quotkweekhuiseffek & quot is 'n rubberagtige figuur wat gebruik word om die verwagte temperatuur naby die swart liggaam aan te pas by wat ons dink ons ​​gemeet het.

Kyk, u het nog geen enkele berekening gedoen nie en u het reeds 'n idee waarom ons nie beïndruk word deur bewerings van n duisendstes van een graad warm in 'n gegewe jaar.

Terwyl u die effek van geringe aannames verander op die verwagte temperatuur van die planeet, toets u die bewerings om die aarde se temperatuur binne 0,5 K akkuraatheid te rekonstrueer gedurende die afgelope 500 of 1000 jaar.

Die uiteinde is dat ons nie weet wat die huidige temperatuur van die planeet is nie, alhoewel satellietgemonteerde instrumente en Argo-outonome vlotters ons 'n beter prentjie gee as wat ons voorheen gehad het.

Ons weet nie wat die planeet se temperatuur 100 jaar gelede met enige betekenisvolle presisie was nie.

Ons het geen manier om te vertel of die aarde warmer of koeler gaan wees aan die begin van Solar Cycle 25 nie (SC24 spartel nou net aan die begin en dit is redelik om te raai dat die aarde effens warmer sal wees te midde van die ongeveer 11 jaar siklus, hoewel daar geen waarborg is nie).

Speel gerus met die planeet se temperatuur deur die parameters in ons klein globale energiebalansmodel hieronder aan te pas. Daar is 'n paar voorgestelde hipotesetoetse onder die vorm.

Dus, watter waarde is 'n eenvoudige model soos hierdie? GCM's het immers tientalle, honderde aanpasbare parameters, so wat is die waarde van hierdie eenvoudige ding? Eintlik is die eenvoud daarvan deel van die waarde daarvan. U sal oplet wanneer u die beskikbare parameters aanpas, dat u die planeet gelukkig kan vries of gaarmaak sonder dat daar 'n menigte knoppies nodig is om te draai (laat sak net die planetêre albedo tot 0.2 (20%) om die hele planeet tropies te maak, verhoog dit tot 0,4 (40%) ) om 'n ystydperk te skep).

Redelik genoeg, watter hipoteses kan ons toets? Probeer hierdie een vir 'n begin:

Volgens die Solar Irradiance Reconstruction of Lean et al, 2000, het die TOA TSI van ongeveer 1663 tot 1690 tot ongeveer 1363,5 W / m 2 gedaal. Was hierdie verandering voldoende om die aardbol af te koel en die Klein Ystydperk te veroorsaak? Nie volgens ons klein energiebalansrekenaar nie.

Nou, as die vermindering in TSI onvoldoende is, wat kon die LIA veroorsaak het? Dit is moontlik dat Svensmark die antwoord gee. tesame met die verminderde sonverwarming, dien 'n effense toename in helder wolk en albedo as 'n vermenigvuldigingseffek, wat die volharding van sneeuvelde toelaat om albedo verder te verhoog, ensovoorts. Probeer net 0,5% albedo (.315) byvoeg van verhoogde wolk- en sneeuveldings ('n geringe hoeveelheid gegewe skatting van albedo kan maklik met 'n persent of twee wees).

Interessante resultaat, is dit nie? Dit is omtrent wat die IPCC-voorspelling is vir nettoverandering in gemiddelde temperatuur sedert, ag, ongeveer 1750. Ondersteun beslis die stelling TSI is ver van die hele verhaal in die koppeling van sonklimaat.

Oorweeg ook dat sodanige verkoeling die uitstoot van die oseaan sal verminder, die ysbedekking sal verhoog om die oordrag van die atmosfeer verder te verminder en die produksie van biologiese metaan te onderdruk, en die natuurlike kweekhuiseffek kan dus ook 'n paar tien persent verminder (skielik is dit maklik om die planeet te verkoel ?).

OK, deur 'n paar knoppies te draai, het ons daarin geslaag om die LIA te herskep. Wat kan ons nog toets? Wat van die:

Daar word beweer dat koolstofdioksied verantwoordelik is vir 35% [!] Van die wêreldwye kweekhuiseffek (wat dus 13,9% OLR terugbring na die aarde). Koolstofdioksied het vermoedelik toegeneem van 280 tot 385 ppm (37,5%) sedert die Industriële Revolusie. As alles gelyk is, moet dit 4,9% tot die netto kweekhuiseffek bydra, of hoe? Behalwe om kweekhuis te maak .446 en die res van die waardes by verstek te laat, sê die aarde moes tot 294,32 K (21,17 ° C) warm geword het.

Die beste raaiskote van NCDC en GISTEMP stel die 2007-planetêre gemiddelde temperatuur ongeveer 287,6 / 7 K of ongeveer 14,5 ° C.

'N Vinnige toets van CO2Die effek dui daarop dat 35% GHE 'n oorskatting van die verwarming met 'n faktor van minstens 7 oorskat en dat S.M. Freidenreich en V. Ramaswamy, “Sonstralingabsorpsie deur koolstofdioksied, oorvleueling met water, en 'n parameterisering vir algemene sirkulasiemodelle,” Tydskrif vir geofisiese navorsing 98 (1993): 7255-7264 was waarskynlik redelik naby aan die punt met vermelding van & quotGegewe die huidige samestelling van die atmosfeer, is die bydrae tot die totale verhittingstempo in die troposfeer ongeveer 5 persent van koolstofdioksied en ongeveer 95 persent van waterdamp.& quot

Natuurlik, selfs met 5% van die 39,7% teruggekeerde OLR, wat toegeneem het sedert die IR, sal die netto kas 40,4% wees (indien dit lineêr ophoop) en die planeet se temperatuur hoër maak as wat dit het. Raai dit moet die darn logaritmiese effek wees, wat beteken dat die toename in koolstofdioksied in die atmosfeer, ja, amper niks so ver as wat die planetêre temperatuur strek nie.

Albedo is nou 'n fassinerende faktor wat die planetêre temperatuur grotendeels oor die hoof sien, let op hoe klein aanpassings in die parameter opvallende verskille in die wêreldgemiddelde temperatuur maak. U sal 'n reaksie vind wat selfs 0,01% (0,0001) aanpas. Ons weet dat die huidige albedo-beramings met 'n persent of twee kan wees, en ons weet dat Svensmark et al 'n laboratoriumdemonstrasie van 'n meganisme vir soneffekte het wat sterk versterk word deur GCR-manipulasie van lae, helder wolkontwikkeling en lae, helder wolke. beduidende effek op albedo. Waarvan ons nie bewyse het nie, is dat atmosferiese koolstofdioksied 'n besonder sterk invloed het op die globale planetêre gemiddelde temperatuur. Om die waarheid te sê, berekende 'verwagte' wêreldgemiddelde temperature is hoër as die huidige beraamde planetêre middele, dus kan ons nie seker wees dat die planeet eintlik warm is nie (dit kan eintlik & minder as verkoeling & quot) wees.

Nietemin, ons eenvoudige model is hier om mee te speel. Stuur gerus vir ons die hipoteses wat u toets om interessante resultate te lewer.


Aarde:

Die aarde is die derde planeet van die son af en is tot dusver die enigste planeet waarvan ons weet wat die lewe kan ondersteun. Die gemiddelde oppervlaktemperatuur hier is ongeveer 14 ° C, maar dit wissel as gevolg van 'n aantal faktore. Vir die een is ons wêreld se as gekantel, wat beteken dat die een halfrond gedurende sekere tye van die jaar skuins na die son toe is, terwyl die ander skuins weg is.

Dit veroorsaak nie net seisoenale veranderinge nie, maar verseker dat plekke nader aan die ewenaar warmer is, terwyl die plekke aan die pole kouer is. Dit is dan ook geen wonder waarom die warmste temperatuur ooit op aarde in die woestyne van Iran (70,7 ° C) was nie, terwyl die laagste in Antarktika (-89,2 ° C) aangeteken is.

Mars se dun atmosfeer, sigbaar aan die horison, is te swak om hitte te behou. Krediet: NASA

Die gemiddelde oppervlaktemperatuur van Mars en # is -55 ° C, maar die Rooi Planeet ervaar ook 'n mate van wisselvalligheid, met 'n temperatuur van so hoog as 20 ° C tydens die ewenaar gedurende die middag, tot so laag as -153 ° C aan die pole. Gemiddeld is dit egter baie kouer as die aarde, omdat dit net aan die buitekant van die bewoonbare sone is, en vanweë die dun atmosfeer wat nie voldoende is om hitte te behou nie.

Daarbenewens kan die oppervlaktemperatuur met soveel as 20 ° C wissel as gevolg van Mars & # 8217 eksentrieke wentelbaan om die son (wat beteken dat dit op sekere punte in sy baan nader aan die son is as by ander).


Atmosfere en planetêre temperature

Die rotsagtige innerlike planete van ons sonnestelsel wissel in groottes, atmosfeer en temperature. Mercurius, die kleinste en naaste aan die son, het geen atmosfeer en ekstreme temperatuur nie, wat gemiddeld ongeveer so is soos voorspel deur ons eenvoudige swart lyf model. Mars, die naasgrootste en verste van die son, het 'n baie sagte atmosfeer wat meestal CO is2 en 'n gemiddelde temperatuur naby of net 'n bietjie hoër as wat die eenvoudige swart liggaamsmodel voorspel. Venus is die naaste aan die aarde, maar het 'n atmosfeer wat baie digter is as die aarde. Venus word deurlopend in wolke gehul wat dit onmoontlik maak om sy oppervlak op sigbare golflengtes van buite die atmosfeer waar te neem en is verantwoordelik vir die planeet se baie hoë albedo. Hierdie tabel bied 'n vergelyking van die waargenome en voorspelde oppervlaktemperature van die planete en die samestelling van hul atmosfeer.

Die tabel lewer bewys dat 'n atmosfeer 'n duidelike uitwerking op die temperatuur op die planeetoppervlak het, wat veroorsaak dat dit warmer word as wat die eenvoudige swart liggaamsmodel voorspel. Venus, met 'n dik atmosfeer, het 'n oppervlaktemperatuur van ongeveer 500 K bo die voorspelling. Die aarde, met 'n dunner atmosfeer, het 'n sagte 33 K-opwarming. Hierdie opwarming van die aarde bo die vriespunt van water (273 K) het egter ingrypende gevolge, want lewe, soos ons dit ken, sou nie moontlik wees op 'n planeet waar die water permanent gevries is nie - die sneeubal Aarde in plaas van die ' blou marmer ”in die figuur getoon.

Die N2/ O2/ Die samestelling van die aarde se atmosfeer is vir droë lug. Daar kan 'n beduidende persentasie water wees,

4%, oor warm tropiese waters, terwyl die persentasie baie laag is as yskoue Arktiese yspakke.

'N Algemene maar misleidende analogie met die atmosferiese verwarmingseffek is 'n kweekhuis. Die helder glas- of plastiekmure en dak van 'n kweekhuis laat die son se stralingsenergie in die sigbare deel van die spektrum toe om die oppervlaktes binne-in die omhulsel te binnedring en te verhit. Die warm oppervlaktes verhit die lug binne die kas deur geleiding en konveksie. Die warm lug bereik die koel muur en dak, verloor sy ekstra energie en sirkuleer na die warm oppervlaktes, en skep sodoende 'n bestendige toestand van vasgekeerde warm lug waarin die oppervlak van die grond en plante en die gemiddelde lugtemperatuur hoër is as die temperatuur buite.

Die analogie van die atmosfeer met 'n kweekhuis is misleidend. Planetêre atmosfeerverwarming hang veral af van hoe infrarooi bestraling in wisselwerking is met molekules in die atmosfeer genoem kweekhuisgasse, nie op vasgevange warm lug nie. Alhoewel die eenvoudige swart liggaamsmodel nie heeltemal voldoende is om die temperatuur van planete met 'n atmosfeer te verklaar nie, bly die basiese idee dat die energie wat deur 'n planeet geabsorbeer word, gelyk is aan die energie wat dit uitstraal, selfs met die atmosferiese verwarmingseffek. Hierdie figuur wys hoe die energiebegroting vir die aarde gebalanseer word as die atmosferiese verwarmingseffek as gevolg van kweekhuisgasse ingesluit word.

Die kweekhuis kry sy naam omdat plante (groen) daarin kan groei as die omstandighede daar buite te koud is.

Die inkomende sonenergie, 341 W · m -2, is wat ons bereken op grond van die son se emissie van swart liggaam. Die weerkaatsde straling, 102 W · m -2, word heel links getoon vir die Aarde se albedo, 0,30. Van die oorblywende nie-gereflekteerde stralingsenergie in die nabye ultraviolet, sigbare en kort golflengte infrarooi, word ongeveer 30% (78 W · m -2 van 239 W · m -2) deur gasse in die atmosfeer geabsorbeer (hoofsaaklik O3, O2, H2O, en CO2) en maak die atmosfeer warm. Die oorblywende stralingsenergie, 161 W · m -2, bereik die oppervlak en verwarm dit.

In die middel van die diagram stel “termiese” lug voor wat deur kontak met die warm oppervlak verwarm word. Die lug brei uit en word opgegooi in die atmosfeer waar dit energie in die koeler omgewing op hoër hoogtes lewer. Net so word energie wat deur water opgeneem word as dit verdamp of as gas uitgestraal word deur die transpirasie van plante, as 'n gas na die atmosfeer gevoer, waar dit energie na die omgewing vrystel wanneer dit kondenseer om wolke te vorm.

Die belangrikste spelers in die energiebalans word regs van die diagram getoon waar die emissie en absorpsie van energie as infrarooi straling voorgestel word. Die uitstraling van die oppervlakstraling, 396 W · m –2, is die energievloei bereken uit die Stefan-Boltzmann-vergelyking vir 'n swart liggaam by 'n temperatuur van 288 K, die waargenome gemiddelde oppervlaktemperatuur van die Aarde. 'N Klein fraksie van hierdie energie gaan direk in die ruimte verlore, maar die grootste meerderheid word deur gasse en wolke in die atmosfeer opgeneem en in alle rigtings weer uitgestraal, insluitend afwaarts na die oppervlak, 333 W · m –2 wat die oppervlak opwarm heel regs van die diagram. Die resultaat is 'n groter verwarming van die oppervlak as deur die inkomende sonstraling alleen.

Die afgeronde waardes bo-aan die figuur toon totale inkomende sonstralingsvloei, 341 W · m –2, gelyk aan die totale uitgaande vloed, die kombinasie van die gereflekteerde kort golflengte-straling, 102 W · m –2. en die lang golflengte bestraling, 239 W · m –2,

(inkomend) 341 W · m –2 = 102 W · m –2 + 239 W · m –2 (uitgaande)

Die uitgaande infrarooi stralingsstroom, 239 W · m –2, van die atmosfeer, wolke en 'n klein hoeveelheid vanaf die oppervlak, is in wese die berekening van die Stefan-Boltzmann-vergelyking vir 'n swart liggaam by 'n temperatuur van 255 K, die voorspelde temperatuur van die Aarde in die afwesigheid van 'n atmosferiese verwarmingseffek.

Let egter daarop dat die meer presiese waardes vir die inkomende en uitgaande energiestrome nie presies balanseer nie.

(inkomend) 341,3 W · m –2 & gt 101,9 W · m –2 + 238,5 W · m –2 = 340,4 W · m –2 (uitgaande)

Die Die aarde word warm en die enigste manier waarop dit kan gebeur, is dat die inkomende energie die uitgaande energie oorskry. Hierdie analise dui aan dat die opwarmingsplaneet die ekwivalent van 0,9 W · m –2 behou (heel onder in die figuur). Vir meer inligting oor die atmosferiese verwarmingseffek op molekulêre vlak, sien Hoe Atmosferiese Opwarming werk, en om uit te vind oor die gevolge van die toevoeging van meer kweekhuisgasse aan die atmosfeer, sien Kweekhuisgasse.

Die figuur is afkomstig van Trenberth, K. E., Fasullo, J. T., en Kiehl, J. T., “Earth’s Global Energy Budget,” Bul. Amer. Meteor. Soc., 2009, 90, 311-323. Die data wat in die analise gebruik is, sluit satellietmetings van inkomende en uitgaande straling buite die atmosfeer in, grondgebaseerde metings van straling wat die oppervlak bereik, en modelle van stralingsinteraksie met atmosferiese spesies. Hierdie artikel en figuur is opdaterings oor Kiehl, J. T. en Trenberth, K. E., “Aarde se jaarlikse globale gemiddelde energie-begroting,” Bul. Amer. Meteor. Soc., 1997, 78, 197-208.


1 Antwoord 1

'N Maklike berekening is om te begin met die sonkonstante, die krag (energie per tydseenheid) wat deur sonstraling op 'n afstand van een astronomiese eenheid geproduseer word. Dit is 1,361 kilowatt per vierkante meter. Die oppervlak van die aarde is $ 4 pi R ^ 2 $, waar $ R $ die radius van die aarde is, terwyl die dwarsdeursnee van die aarde tot sonstraling $ pi R ^ 2 $ is. Dus ontvang die aarde as geheel 1/4 van daardie sonkonstante.

Veronderstel 'n planeet met 'n atmosfeer wat deursigtig is in die termiese infrarooi, met dieselfde albedo as die aarde (0,306), wat vinnig soos die aarde draai, en op dieselfde afstand van die son as die aarde wentel. Die effektiewe temperatuur van hierdie planeet word gegee deur die Stefan Boltzmann-wet: $ T = left ( frac <(1- alpha) , I_ text> <4 sigma> regs) ^ <1/4> $ waar


Temperatuur van Pluto

[/ onderskrif]
Met so 'n groot afstand van die son af is Pluto ongelooflik koud. Maar hierdie temperatuur kan genoeg wissel om die dwergplaneet aansienlik te verander. Op sy naaste punt word dit genoeg warm sodat Pluto se stikstofatmosfeer sublimiseer en 'n diffuse wolk rondom dit vorm. Namate Pluto verder van die son af kom, vries hierdie atmosfeer en val soos sneeu op die oppervlak van Pluto.

Laat ons eers 'n paar metings definieer. Kamertemperatuur word beskou as 21 grade Celsius of 70 grade Fahrenheit. Die vriespunt van water is 0 grade Celsius of 32 grade Fahrenheit. Maar as u temperature op Pluto meet, wil u regtig Kelvin gebruik.

Zero Kelvin is die absolute nul temperatuur, 'n teoretiese maksimum punt waar geen energie meer uit 'n stelsel onttrek kan word nie. 0-grade Kelvin stem ooreen met -273 grade Celsius.

Die oppervlak van Pluto kan, in vergelyking, wissel van 'n lae temperatuur van 33 Kelvin (-240 grade Celsius of -400 grade Fahrenheit) en 55 Kelvin (-218 grade Celsius of -360 grade Fahrenheit). Die gemiddelde oppervlaktemperatuur op Pluto is 44 Kelvin (-229 Celsius of -380 Fahrenheit).

In die dae toe Pluto nog 'n planeet was, was dit die koudste planeet in die sonnestelsel. Maar nou is dit net 'n gewone dwergplant en # 8211 arme Pluto. Neptunus is nou die koudste planeet.


Hoe om die verwagte oppervlaktemperatuur van 'n planeet te bereken - Sterrekunde

Hierdie bladsy bied 'n eenvoudige fisiese model van die kweekhuiseffek aan wat demonstreer hoe die dekking van kweekhuisgasse in die atmosfeer die oppervlaktetemperatuur van 'n planeet kan verhoog. Die model is 'n instruksionele '' speelgoedmodel '', wat beteken dat dit die proses tot sy noodsaaklike elemente strook, sodat die basiese idees maklik oorgedra kan word. Modelle wat deur klimaatsdeskundiges gebruik word om voorspellings te maak, is aansienlik meer gesofistikeerd, maar in die grondslag is die fisika soortgelyk aan wat hieronder beskryf word.

Die eerste belangrike idee is dat warm voorwerpe vinniger hitte verloor as koue voorwerpe. Dit is duidelik uit die alledaagse ervaring (jy kan voel dat die hitte van 'n vuur af kom). Gedetailleerde waarnemings toon dat die tempo van hitteverlies is baie sensitief temperatuur - spesifiek, as die temperatuur verdubbel word (op absolute skaal), is die tempo van hitteverlies nie twee keer so hoog nie - dit is sestien keer so hoog.

Die tweede sleutelidee is dat planete naby 'n ewewig is waar die hitte wat in die ruimte verlore gaan, amper presies gelyk is aan die sonlig. Omdat warm voorwerpe vinnig hitte verloor, is dit geneig om af te koel as hulle geen energiebron het om hul temperatuur te handhaaf nie. Aan die ander kant, omdat koue voorwerpe net stadig hitte verloor, is dit geneig om op te warm in die teenwoordigheid van energiebronne. In beide gevalle konvergeer die voorwerpe in 'n toestand waarin hulle hitte verloor teen presies dieselfde tempo as wat dit deur energiebronne voorsien word. In die geval van planete is die sonbron die energiebron.

Kom ons kyk hoe dit werk vir 'n planeet sonder atmosfeer. Op die aarde se posisie is die geabsorbeerde sonlig 240 Watt / meter 2. In ewewig beteken dit dat die planeet hitte na die ruimte sou verloor - as infrarooi bestraling - ook teen 240 Watt / meter 2. Hoe kan ons die temperatuur hieruit bereken? Gedetailleerde metings toon dat die verband tussen hitteverlies en temperatuur wiskundig beskryf kan word deur die vergelyking F = & sigma T 4, waar F die tempo van hitteverlies (die "warmtevloei") is en & sigma 'n fundamentele fisiese konstante is (genoem Stephan-Boltzmann-konstante) met 'n waarde van 5,67 x 10 -8 Watt / meter 2 Kelvin 4. Ons kan hierdie vergelyking herrangskik om te sê dat, vir 'n planeet sonder atmosfeer,

As ons F = 240 Watt / meter 2 en & sigma = 5,67 x 10 -8 Watt / meter 2 Kelvin 4 inprop, vind ons dat T = 255 K, wat ooreenstem met 'n temperatuur van -18 o C of 0 o F.

As die aarde dus geen kweekhuiseffek gehad het nie, sou die gemiddelde oppervlaktemperatuur 0 ° F wees - ver onder die vriespunt! Die oseane sou heeltemal bevries wees en lewe sou nie op aarde bestaan ​​nie.

Hoe beïnvloed die atmosfeer met kweekhuisgasse hierdie situasie? Die kweekhuiseffek werk slegs as die atmosfeer deursigtig is vir sonlig, maar ondeursigtig is vir infrarooi (hitte) golflengtes. Baie gasse - CO2, waterdamp, metaan - tree net so op. Dit is die kweekhuisgasse.

In hierdie geval kry die aarde nog steeds 240 Watt / meter 2 van die son. Dit verloor steeds 240 Watt / meter 2 aan die ruimte. Omdat die atmosfeer egter ondeursigtig is vir infrarooi lig, kan die oppervlak nie direk na die ruimte uitstraal soos op 'n planeet sonder kweekhuisgasse nie. In plaas daarvan kom hierdie straling na die ruimte uit die atmosfeer.

Atmosfere straal egter op en af ​​(net soos 'n vuur hitte in alle rigtings uitstraal). Alhoewel die atmosfeer 240 Watt / meter 2 na die ruimte uitstraal, straal dit ook 240 Watt / meter 2 na die grond! Daarom ontvang die oppervlak meer energie sonder atmosfeer: dit word 240 watt / meter 2 van sonlig en dit word nog een 240 Watts/meter 2 from the atmosphere -- for a total of 480 Watts/meter 2 in this simple model.

Now like the atmosphere, the Earth's surface is near an equilibrium where it gains and loses energy at almost the same rate. Because the surface gains 480 Watts/meter 2 (half from sunlight and half from the atmosphere), it also must radiate 480 Watts/meter 2 . Unlike the atmosphere, however, the ground can only radiate in one direction -- upward. Thus, the surface radiates 480 Watts/meter 2 upward, and because the atmosphere is opaque to this infrared light, it is absorbed by the atmosphere rather than escaping to space. Notice that the atmosphere, the surface, and the planet as a whole each gain energy at exactly the same rate it is lost.

We can again use the simple expression T = (F/&sigma) 1/4 to calculate the temperature of the surface. Using F = 480 Watts/meter 2 and &sigma=5.67 x 10 -8 Watts/meter 2 Kelvin 4 , we find that T=303 K, which corresponds to 30 o C or 86 o F.

&diams Without greenhouse gases, we calculated that the surface temperature would be 255 K (0 o F), whereas with greenhouse gases we calculated the surface temperature would be 303 K (86 o F). Therefore, the blanketing effect of atmospheric greenhouse gases has caused an elevation of the surface temperature. This is the greenhouse effect!

&diams The greenhouse effect is NOT a situation where "heat is trapped and can't escape." The above calculation makes clear that the opposite is true: the greenhouse effect is how the atmosphere adjusts so that it CAN lose heat when greenhouse gases are present in the atmosphere. About the same amount of heat escapes to space regardless of whether a greenhouse effect exists.

&diams In our simple model, we predicted an elevation in surface temperature of 48 o C (86 o F). This is an overestimate. On the real Earth, the current average surface temperature is 288 K (59 o F), not 303 K, so the actual greenhouse effect causes a warming of only 33 o C (59 o F) relative to an atmosphere without a greenhouse effect. Thus, the crude model presented here overestimates the strength of the greenhouse effect by 50%. This discrepancy is caused by several factors that we neglected. For example, some sunlight is absorbed in the atmosphere rather than at the surface, and some infrared radiation from Earth's surface can escape to space rather than being absorbed in the atmosphere. These effects are all included in real climate models. Properly taking these effects into account would lead to a predicted temperature much closer to the actual temperature.

&diams An increase in the abundance of CO2, water vapor, methane, and other greenhouse gases causes a decrease in the fraction of infrared radiation from the surface that can escape to space. This forces the surface temperature to increase as the Earth strives to reach the new equilibrium. More greenhouse gases mean a stronger greenhouse effect and a hotter planet.

&diams When the greenhouse gas abundance is increased, it takes time for the system to warm to the new equilibrium temperature. During these times, the Earth absorbs slightly more sunlight than it loses heat, which is what allows the warming. Thus, during these times, the Earth is slightly out of equilibrium. What this means is that even if the abundances of greenhouse gases became constant right now, the Earth would continue to warm by another 0.5-1 o C (1-2 o F) over the next 50-100 years as it reached the new equilibrium temperature. This delayed warming has already been caused and is unavoidable. Of course, additional warming will occur if greenhouse gas abundances continue to increase.


How can we calculate the temperature of the atmosphere, including the greenhouse effect?

I've been struggling to find equations that express how many degrees of warming greenhouse gases contribute, given the composition of an atmosphere (and solar insolation).

What I did find was the Stefan–Boltzmann Law, and that wiki article has good equations about black body radiation. It shows how to get a value of $279 K = 6 °C = 43 F$ for the plain Earth with no atmosphere. Then to account for the albedo of Earth, the effective temperature is calculated at $255 K = −18 °C = -0.4 F$.

Then the article basically states what the real values are without presenting any more equations or explaining how to calculate it.

However, long-wave radiation from the surface of the earth is partially absorbed and re-radiated back down by greenhouse gases, namely water vapor, carbon dioxide and methane. Since the emissivity with greenhouse effect (weighted more in the longer wavelengths where the Earth radiates) is reduced more than the absorptivity (weighted more in the shorter wavelengths of the Sun's radiation) is reduced, the equilibrium temperature is higher than the simple black-body calculation estimates. As a result, the Earth's actual average surface temperature is about 288 K (15 °C), which is higher than the 255 K effective temperature, and even higher than the 279 K temperature that a black body would have.

And there were only 2 cites that only cited the fact that H2O, CO2, and CH4 are greenhouse gases.

I've been searching for how to calculate the warming due to GHGs, but no luck. I'm really hoping someone can shed some light on this. I'm looking for an equation that takes into account atmospheric composition and probably the rotation rate of Earth (or whatever body), and of course the solar insolation.

Please note I'm not really asking about climate change calculations. Climate change is more about how the atmospheric composition is changing (namely GHG increases). I'm simply looking for equations that dictate the temperature based on a given/constant composition of the atmosphere.