Daugiau

3.6: Šilumos biudžetas žemės paviršiuje - geomokslai

3.6: Šilumos biudžetas žemės paviršiuje - geomokslai


Iki šiol jūs ištyrėte šilumos tūrį, tenkantį oro tūriui, kur tūris buvo fiksuotas (Eulerian) arba judantis (Lagrangian). Grynasis šilumos srauto disbalansas sukėlė oro tūrio atšilimą ar atvėsimą.

Bet kas nutinka Žemės paviršiuje, kuris yra be galo plonas ir todėl turi nulinį tūrį? Šiame sluoksnyje negalima laikyti šilumos. Taigi visų įeinančių ir išeinančių šilumos srautų suma turi tiksliai subalansuoti. Grynasis srautas paviršiuje turi būti lygus nuliui.

Primename, kad srautai yra teigiami, kai šiluma juda aukštyn, neatsižvelgiant į tai, ar šie srautai yra dirvožemyje, ar atmosferoje.

Atitinkami srautai ant paviršiaus apima:

F * = grynoji spinduliuotė tarp sfc. & atmos. (2 skyrius)

FH = efektyvus paviršiaus turbulentinis šilumos srautas (jautrus šilumos srautas)

FE = efektyvus paviršiaus latentinis šilumos srautas, kurį sukelia garavimas arba kondensacija (rasos susidarymas)

FG = molekulinis šilumos laidumas gilyn / žemiau paviršiaus (pvz., gruntas, vandenynai).

Dinaminių šilumos srautų paviršiaus balansas (W m vienetais)–2) yra:

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

Jei padalysite iš ρoro· Cp gauti balansą kinematine forma (K m s vienetais)–1), rezultatas yra:

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

Pirmieji 3 terminai dešinėje yra srautai tarp paviršiaus ir oro aukščiau. Paskutinis terminas yra tarp paviršiaus ir Žemės žemiau (taigi - ženklas).

Šių srautų ir jų ženklų pavyzdžiai pateikti skirtingų paviršių ir dienos bei nakties 3.9 paveiksle. Drėkinamai vejai ar pasėliui būdinga paros ciklas paviršiaus srautų (dienos evoliucija) pavaizduota 3.10 paveiksle. Iš esmės grynoji spinduliuotė F * yra išorinė jėga, valdanti kitus srautus.

Neapdorotas, pirmojo laipsnio apytikslis dinaminio šilumos srauto į dirvožemį dydis yra

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

su atitinkamu kinematiniu šilumos srautu:

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

su faktoriumi X = (0,1, 0,5) (dienai, nakčiai).

Yra įvairių variantų, kaip įvertinti kitus terminus ekvivalentais. (3.52 arba 3.53). Efektyviam paviršiaus protingam šilumos srautui naudoti galite naudoti jau aptartus masinio perdavimo santykius (t. Y. 3,34–3,37). Latentiniam šilumos srautui paviršiuje panašios masės perkėlimo lygtys bus pateiktos skyriuje „Vandens garai“. Kitas latentinio ir protingo šilumos srauto paviršiaus įvertinimo variantas yra naudoti Boweno santykį, aprašytą toliau.

Apibrėžkite a Boweno santykis, B, kaip jautrus paviršiaus šilumos srautas, padalytas iš paviršiaus latentinio šilumos srauto:

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

Tipiškos vertės yra: 10 sausų vietų, 5 pusiau sausų vietų, 0,5 sausesnės savanos, 0,2 drėgnos dirbamos žemės ir 0,1 virš vandenynų ir ežerų.

Atmosferoje paviršiaus sluoksnis (nuo apatinės 10–25 m troposferos) paviršiaus efektyvus protingas šilumos srautas priklauso nuo ∆θ / ∆z - potencialo ir temperatūros gradiento. Būtent, FH = –KH· ∆θ / ∆z, kur KH yra sūkurinė difuzija šilumai (žr. skyrių „Atmos. Ribinis sluoksnis“), z yra aukštis virš žemės, o neigiamas ženklas sako, kad šilumos srautas teka vietiniu gradientu (nuo karšto link šalto oro).

Paraiškos pavyzdys

Jei grynoji spinduliuotė –800 W · m–2 paviršiuje virš dykumos, tada suraskite protingus, latentinius ir antžeminius srautus.

Raskite atsakymą

Duota: F * = –800 W · m–2 B = 10 sausringiems regionams

Rask: FH, FE ir FG =? W · m–2

Kadangi neigiamas F * reiškia dieną, X = 0,1 naudokite ekvivalentu. (3.54): FG = 0,1 · F * = 0,1 · (–800 W · m–2 ) = –80 W · m–2

Eqs. (3.52 ir 3.56) galima manipuliuoti taip:

FE = (FG - F *) / (1 + B)

FH = B · (FG - F *) / (1 + B)

Taigi,

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

Patikrinti: Fizika ir vienetai yra pagrįsti. Be to, turėtume patvirtinti, kad rezultatas suteikia subalansuotą energijos biudžetą. Taigi taikykite ekv. (3.52):

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

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

Ekspozicija: Nors tipinės Boweno santykio vertės buvo nurodytos ankstesniame puslapyje, faktinė bet kokio tipo paviršiaus vertė priklauso nuo tiek daug veiksnių, kad bandant naudoti Boweno santykio metodą, tai beveik nenaudinga. numatyti paviršiaus srautai. Tačiau lauko matavimo metodas, parodytas paveikslėlyje žemiau ir ekvivalentais. (3,58–3,63) nereikia a priori Boweno santykio įvertinimo. Taigi šis lauko metodas yra gana tikslus matavimas paviršiaus srautai, išskyrus šalia saulėtekio ir saulėlydžio.

Analogiška efektyvaus paviršiaus drėgmės srauto išraiška yra Fvandens = –KE· ∆r / ∆z, kur maišymo santykis r kitame skyriuje apibrėžiamas kaip vandens garų masė, esanti kiekviename kg sauso oro. Jei apytiksliai apskaičiuosite sūkurinės difuzijos drėgmę, K.E, lygus šilumos ir, jei vertikalūs nuolydžiai matuojami tame pačiame oro sluoksnyje ∆z, Boweno santykį galite parašyti taip:

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

dėl psichrometrinė konstanta apibrėžta kaip γ = Cp/ Lv = 0,4 (gvandens garai/kilogramasoro) · K–1.

Eq. (3.57) yra patrauklu naudoti lauko darbuose, nes sunkiai pamatuojamus srautus pakeitė lengvai pamatuojami vidutinės temperatūros ir drėgmės skirtumai. Būtent, jei paviršiaus sluoksnyje pastatysite trumpą bokštą ir išsiskleisite termometrai dviem skirtingais aukščiais ir kalno higrometrai (drėgmės matavimui) tuo pačiu dviem aukščiais (3.11 pav.), tada galite apskaičiuoti B. Nepamirškite temperatūros skirtumo paversti potencialų ir temperatūrų skirtumu: ∆θ = T2 - T.1 + (0,0098 K m–1) · (Z2 - z1).

Naudodami šiek tiek algebros galite derinti ekvivalentus. (3.57, 3.56, 3.54 ir 3.52), kad gautų efektyvų paviršiaus jautrų šilumos srautą dinaminiais vienetais (W m–2) kaip grynosios spinduliuotės funkcija:

( begin {align} mathbb {F} _ {H} = frac {-0.9 cdot mathbb {F} ^ {*}} { frac { Delta r} { gamma cdot Delta theta} +1} tag {3.58} end {lygiuoti} )

arba kinematiniai vienetai (K m s–1):

( begin {align} F_ {H} = frac {-0.9 cdot F ^ {*}} { frac { Delta r} { gamma cdot Delta theta} +1} tag { 3.59} end {align} )

Šiek tiek daugiau algebros duoda latentinį šilumos srautą (W m–2), kurį sukelia vandens garų judėjimas į paviršių arba iš jo:

( begin {align} mathbb {F} _ {E} = frac {-0.9 cdot mathbb {F} ^ {*}} { frac { gamma cdot Delta theta} { Delta r} +1} tag {3.60} end {align} )

arba kinematiniais vienetais (K m s–1):

( begin {align} F_ {E} = frac {-0.9 cdot F ^ {*}} { frac { gamma cdot Delta theta} { Delta r} +1} tag { 3.61} end {align} )

Kitame skyriuje parodyta, kaip paversti latentinio šilumos srauto vertes į bangų garų srautus.

Jei radote protingą šilumos srautą iš ekv. (3.58 arba 3.59), tada latentinis šilumos srautas lengvai randamas iš:

( begin {align} mathbb {F} _ {E} = - 0.9 cdot mathbb {F} ^ {*} - mathbb {F} _ {H} tag {3.62} end {align } )

arba

( begin {align} F_ {E} = - 0.9 cdot F ^ {*} - F_ {H} tag {3.63} end {align} )

Paraiškos pavyzdys

Boweno santykio lauko aikštelėje pastebima:

indeksasz (m)T (° C)r (ggarai/kilogramasoro)
215167
112012

su, F * = –650 W · m–2 . Raskite visus paviršiaus srautus.

Raskite atsakymą

Duota: aukščiau pateikta informacija.

Raskite: paviršiaus dinaminius srautus (W · m–2) FE , FH , FG = ?

Pirmas žingsnis yra surasti ∆θ:

∆θ = T.2 - T.1 + (0,0098 K m–1) · (Z2 - z1= 16 K - 20 K + (0,0098 K m–1) · (15m - 1m) = –4 K + 0,137 K = –3,86 K

Taikyti ekv. (3.58)

( mathbb {F} _ {H} = frac {-0.9 cdot left (-650 mathrm {W} cdot mathrm {m} ^ {- 2} right)} { frac { kairė (-5 mathrm {g} _ { mathrm {vap}} / mathrm {kg} _ { mathrm {air}} dešinė)} { kairė [0,4 kairė ( mathrm {g} _ { mathrm {vap}} / mathrm {kg} _ { mathrm {air}} right) cdot mathrm {K} ^ {- 1} right] cdot (-3,86 mathrm {K})} +1} )

FH = 138 W · m–2.

Tada pritaikykite ekv. (3.62):

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

Galiausiai pritaikykite ekv. (3.54): FG = 0,1 · F * = –65 W m–2.

Patikrinti: Fizika ir vienetai yra pagrįsti. Be to, visi srauto terminai lygi nuliui, patvirtinant pusiausvyrą.

Ekspozicija: Gautas Boweno santykis yra B = 138/447 = 0,31, o tai rodo, kad vieta yra drėkinama dirbama žemė.


Kas yra Žemės ir # 039s energijos biudžetas?

Žemės energijos balansas priklauso nuo saulės gaunamos ir išeinančios energijos.

Sąvoka „žemės energijos biudžetas“ buvo sukurta siekiant nurodyti energiją, kurią planeta gauna iš saulės, panaudoja visoje žemėje, o vėliau siunčia atgal į kosmosą. Saulė teikia visą energiją, kuri naudojama žemėje, nors didžioji saulės energijos dalis niekada nepasiekia planetos paviršiaus. Žemė gauna šilumą į penkis skirtingus aplinkos komponentus: gyvus daiktus, tokius kaip augalai ir gyvūnai, žemės plutą, žemės vandens telkinius, atmosferą ir ledą. Dėl planetos formos energijos, patenkančios į žemės paviršių, kiekis yra labai nevienodas, kai kuriose srityse gaunama žymiai daugiau šilumos nei kitose. Žemės forma taip pat daro, kad poliariniai plotai gauna žymiai mažiau šilumos nei arčiau pusiaujo esantys regionai. Moksliniai tyrimai parodė, kad kiekvienas žemės paviršiaus kvadratinis metras gauna ir atiduoda maždaug 240 vatų saulės energijos. Žemės gaunamos ir atgal į kosmosą išspinduliuojamos šilumos energijos kiekis yra beveik subalansuotas žemei beveik artėjant radiacinės pusiausvyros būsenai.


Tiriamasis klausimas: kas šildo žemę ir # 039 šerdį?

Nors mes, plutos gyventojai, vaikštome ant gražios vėsios žemės, po kojomis Žemė yra gana karšta vieta. Iš planetos interjero sklinda pakankamai šilumos, kad kiekvienam iš 6,2 milijardo Žemės gyventojų būtų galima paruošti 200 puodelių karštos kavos per valandą, sako Chrisas Marone'as, Penn State geomokslų profesorius. Manoma, kad pačiame centre temperatūra viršija 11 000 laipsnių pagal Celsijų, karščiau nei saulės paviršius.

Žemės skerspjūvis atskleidžia tris koncentrinius sluoksnius. Aplink išorę plona, ​​kieta pluta, svyruojanti nuo 10 iki 100 kilometrų. Pagal tai - 2900 kilometrų storio spurgos formos mantija. Vietoj tešlos jis susideda iš klampios išlydytos uolienos, tekančios labai lėtai, geologine laiko skale. „Juda maždaug taip greitai, kaip auga tavo nagai“, - paaiškina Marone.

Žemės centre yra dviejų dalių šerdis. „Vidinė dalis yra maždaug mūsų mėnulio dydžio, - sako Marone, - jos tankis iš esmės yra plienas. Jį supanti išorinė šerdis yra 2300 kilometrų storio skysto metalo vandenynas. Žemės sukimasis priverčia šį vandenyną tekėti ir suktis, o judantis metalas sukuria planetos magnetinį lauką.

Pasak Marone, didžioji dalis Žemės šilumos yra sukaupta mantijoje, o ją palaikyti yra keturi šaltiniai. Pirma, ten lieka šiluma, kai gravitacija pirmą kartą kondensavo planetą iš karštų dujų ir dalelių debesies prieš Žemę esančioje erdvėje. Atvėsus išlydytam rutuliui, maždaug prieš 4 milijardus metų išorė sukietėjo ir susidarė pluta. Mantija vis dar vėsta.

„Vis dėlto nemanome, kad ši pirminė šiluma yra pagrindinė Žemės šilumos dalis“, - sako Marone. Tai sudaro tik 5–10 procentų visos sumos, „maždaug tiek pat, kiek gravitacinė šiluma“.

Norėdami paaiškinti gravitacinę šilumą, Marone vėl sukelia karštos, ką tik suformuotos Žemės vaizdą, kuris nebuvo pastovaus tankio. Vykstant gravitaciniam rūšiavimo procesui, vadinamam diferenciacija, tankesnės, sunkesnės dalys buvo pritrauktos į centrą, o mažiau tankios vietos buvo išstumtos į išorę. Šio proceso sukelta trintis sukėlė didelę šilumą, kuri, kaip ir pradinė šiluma, vis dar nėra visiškai išsisklaidžiusi.

Tada yra latentinis karštis, sako Marone. Šis tipas atsiranda dėl to, kad šerdis plečiasi, kai Žemė atvėsta iš vidaus. Lygiai taip pat, kaip užšalęs vanduo virsta ledu, tas skystas metalas tampa kietas ir tuo pačiu padidina tūrį. „Vidinė šerdis kas tūkstantį metų tampa maždaug centimetru didesnė“, - sako Marone. Šiluma, išsiskirianti dėl šio išsiplėtimo, prasiskverbia į mantiją.

Tačiau visa tai, pasak Marone'o, didžiąją dalį šilumos Žemės viduje - iki 90 proc. - skatina skilime esančių radioaktyviųjų izotopų, tokių kaip Kalis 40, Uranas 238, 235 ir Toris 232, skilimas. Šie izotopai skleidžia šilumą, nes jie išskiria energijos perteklių ir juda stabilumo link. "Šios spinduliuotės sukeliamas šilumos kiekis yra beveik toks pat kaip visas išmatuotas šilumos sklindantis iš Žemės."

Radioaktyvumas yra ne tik mantijoje, bet ir Žemės plutos uolose. Pavyzdžiui, Marone paaiškina, kad 1 kilogramo granito luitas ant paviršiaus per radioaktyvų skilimą skleidžia mažą, bet išmatuojamą šilumos kiekį (maždaug tiek, kiek .000000001 vatų elektros lemputė).

Tai gali atrodyti nedaug. Tačiau atsižvelgiant į mantijos platumą, ji padidėja, sako Marone.

Jis prognozuoja, kad ateityje milijardai metų ateityje šerdis ir apvalkalas gali pakankamai atvėsti ir sutvirtėti, kad atitiktų plutą. Jei taip atsitiks, Žemė taps šalta, negyva planeta kaip mėnulis.

Vis dėlto dar ilgai iki tokio įvykio Saulė greičiausiai išsivystė į raudonos milžinės žvaigždę ir išaugo pakankamai didelė, kad apsemtų mūsų tikrąją planetą. Tuo metu vargu ar bus svarbu, kokia šiluma liktų mantijoje.


Šildymo disbalansas

Trys šimtai keturiasdešimt vatų į kvadratinį metrą gaunamos saulės energijos yra vidutinis saulės apšvietimas, kuris kinta erdvėje ir laike. Metinis gaunamos saulės energijos kiekis labai skiriasi nuo tropinių platumų iki polinių platumų (aprašyta 2 puslapyje). Vidutinėse ir didelėse platumose jis taip pat labai skiriasi priklausomai nuo sezono.

The pikas skirtingose ​​platumose gaunama energija kinta ištisus metus. Ši diagrama parodo, kaip kiekvienos metų dienos vietos vidurdienį gaunama saulės energija kinta priklausomai nuo platumos. Ties pusiauju (pilka linija) piko energija ištisus metus kinta labai nedaug. Aukštose šiaurinėse (mėlynosios linijos) ir pietų (žaliosiose) platumose sezoniniai pokyčiai yra ekstremalūs. (Roberto Simmono NASA iliustracija.)

Jei Žemės sukimosi ašis būtų vertikali, atsižvelgiant į jos orbitos kelią aplink Saulę, pusiaujo ir ašigalių pusiausvyros tarp pusiausvyros dydis būtų tas pats ištisus metus, o mūsų patiriami metų laikai neįvyks. Vietoj to, Žemės & # 8217s ašis pasvirusi nuo vertikalės maždaug 23 laipsniais. Žemei skriejant aplink Saulę, pasvirus vienas pusrutulis, o paskui kitas gauna daugiau tiesioginių saulės spindulių ir turi ilgesnes dienas.

The viso kiekvieną dieną atmosferos viršuje gaunama energija priklauso nuo platumos. Didžiausias gaunamos energijos kiekis (šviesiai rožinis) būna didelėje vasaros platumoje, kai ilgos dienos, o ne ties pusiauju. Žiemą kai kurios polinės platumos apskritai negauna šviesos (juodos). Pietų pusrutulis gruodžio (pietų vasaros) metu gauna daugiau energijos, nei Šiaurės pusrutulis birželį (šiaurinė vasara), nes Žemės ir rsquos orbita nėra tobulas apskritimas, o toje savo orbitos dalyje Žemė yra šiek tiek arčiau Saulės. Bendra gaunama energija svyruoja nuo 0 (poliarinės žiemos metu) iki maždaug 50 (poliarinės vasaros metu) megadžaulių kvadratiniam metrui per dieną.

& Ldquosummer pusrutulyje & rdquo tiesioginių saulės spindulių ir ilgesnių dienų derinys reiškia, kad ašigalis gali priimti daugiau įeinančių saulės spindulių nei tropikai, tačiau žiemos pusrutulyje jo nėra. Nors vasarą apšvietimas stulpuose didėja, ryškus baltas sniegas ir jūros ledas atspindi didelę dalį įeinančios šviesos ir sumažina galimą saulės kaitinimą.

Saulės saulės absorbuojamas kiekis priklauso nuo atmosferos ir žemės paviršiaus atspindėjimo. Šis palydovinis žemėlapis rodo saulės spinduliuotės kiekį (vatus kvadratiniam metrui), atsispindėjusį 2008 m. Rugsėjį. Išilgai pusiaujo debesys atspindėjo didelę saulės šviesos dalį, o išbalęs Sacharos smėlis sukėlė didelį atspindį Šiaurės Afrikoje. Šiuo metų laiku nė vienas stulpas negauna daug saulės spindulių, todėl jie atspindi mažai energijos, nors abu yra ledu. (Roberto Simmono NASA žemėlapis, pagrįstas CERES duomenimis.)

Atspindžio (albedo) ir saulės apšvietimo skirtingose ​​platumose skirtumai lemia grynąjį šilumos disbalansą visoje Žemės sistemoje. Bet kurioje Žemės vietoje grynasis šildymas yra skirtumas tarp gaunamų saulės spindulių ir šilumos, kurią Žemė skleidžia atgal į kosmosą, kiekio (daugiau apie šią energijos mainą žr. 4 psl.). Tropikuose yra grynasis energijos perteklius, nes absorbuojamas saulės kiekis yra didesnis nei spinduliuojamos šilumos kiekis. Tačiau poliariniuose regionuose yra metinis energijos deficitas, nes į kosmosą skleidžiamas šilumos kiekis yra didesnis už sugertos saulės šviesos kiekį.

Šis grynosios spinduliuotės žemėlapis (įeinanti saulės šviesa atėmus atspindėtą šviesą ir išeinančią šilumą) rodo pasaulinį energijos disbalansą 2008 m. Rugsėjo mėn., Lygiadienio mėnesį. Sritys aplink pusiaują vidutiniškai absorbavo apie 200 vatų kvadratiniam metrui daugiau (oranžinė ir raudona), nei atspindėjo ar spinduliavo. Teritorijos šalia polių atsispindėjo ir (arba) spinduliavo apie 200 vatų kvadratiniame metre (žalia ir mėlyna), nei sugėrė. Vidutinės platumos buvo maždaug pusiausvyros. (Roberto Simmono NASA žemėlapis, pagrįstas CERES duomenimis.)

Grynasis pusiausvyros ir ašigalių pusiausvyros sutrikimas lemia atmosferos ir vandenyno cirkuliaciją, kurią klimato mokslininkai apibūdina kaip & # 8220šilumos variklį. yra bet kuris prietaisas ar sistema, paverčianti energiją judesiu.) Klimatas yra variklis, kuris naudoja šilumos energiją, kad atmosfera ir vandenynas judėtų. Garavimas, konvekcija, krituliai, vėjai ir vandenyno srovės yra Žemės šilumos variklio dalis.


2 Mantijos šilumos nuostolių pokyčių įvertinimas

Apskaičiuota, kad dabartiniai Žemės paviršiaus paviršiaus nuostoliai yra 46 TW. Iš jų 29 TW priskiriama vandenyno plutos aušinimui (toliau - vandenyno šilumos nuostoliai), 3 TW į paviršių tiekiama plunksnomis ir 14 TW reiškia šilumos nuostolius iš žemynų (Jaupart et al., 2015). 14 TW kontinentinis komponentas apima 8 TW radiogeninės šilumos, gaunamos žemyninėje plutoje ir litosferoje. Čia mes apskaičiuojame šilumos srauto, vykstančio iš mantijos per vandenyno ir žemyninę litosferą, pokyčius (šiuo metu 35 TW 3 TW slyvų šilumos srautas yra apdorojamas atskirai pagal išplėstinių metodų skyriuje pateiktą aprašymą, pagrindžiančią informaciją Tekstas S1). Mes ypatingą dėmesį skiriame vandenyno šilumos nuostoliams, nes jis yra didžiausias komponentas, jo erdvė ir laikas labai skiriasi, ir tai galima įvertinti tiesiogiai iš praeities jūros dugno tektoninių rekonstrukcijų.

Apskaičiuojame vandenyno šilumos nuostolius (Klausimasvandenynas) iš mantijos pritaikius Hasteroko (2013) amžiaus ir šilumos srauto santykį (žr. tekstą S1) paleo-jūros dugno amžiaus tinkleliams, kurie tęsiasi iki 400 mln., sukurtų naudojant Karlsen ir kt. metodą. (2020 m.). Plokščių rekonstrukcija, kuri buvo naudojama šiems amžiaus tinkleliams sukurti, buvo atnaujinta Matthewso ir kt. Versija. (2016), kuris apima Ramiojo vandenyno korekcijas po Torsvik ir kt. (2019). Mantijos šilumos nuostoliai per žemyninę litosferą (Klausimastęsinys) laikoma 6 TW, tolygiai paskirstyta žemyninėje srityje. Atkreipkite dėmesį, kad tai neįtraukia 8 TW radiogeninės šilumos gamybos plutoje ir litosferinėje mantijoje (Jaupart et al., 2015). Nors mantijos šilumos nuostoliai žemynuose (~ 6 TW) gali skirtis laikui bėgant, jo pokyčių amplitudės greičiausiai yra mažos, palyginti su daugiau nei keturis kartus didesniu vandenyno šilumos srautu (šiuo metu ~ 29 TW). Gautų pasaulinių šilumos nuostolių tinklelių, apimančių pastaruosius 400 Myr, momentinės nuotraukos parodytos 1a paveiksle. Atkreipkite dėmesį į stiprią priklausomybę nuo laiko ir kad dabartiniai šilumos nuostoliai iš Žemės mantijos reiškia absoliučius minimumus 400–0 Ma laikotarpiui, praeityje buvę iki ~ 15 TW didesni (1b pav.). Šiuos pokyčius lemia jūros dugno pasiskirstymo pagal amžių (1c pav.) Pokyčiai, kuriuos lemia jūros dugno plitimo ir subdukcijos greičio svyravimai superkontinentinio ciklo metu (pvz., East ir kt., 2020 Karlsen ir kt. , 2019 a). Tai pabrėžia ilgų šilumos srautų (idealiu atveju apimančių vieną visą superkontinentinį ciklą) poreikį, kad būtų galima tvirtai nusakyti vidutines ilgalaikes vertes. Remiantis jūros dugno amžiaus rekonstrukcija pagal 400 Myr, apskaičiuota, kad vidutinė vandenyno šilumos nuostolių vertė yra 36,6 TW (1b pav.), Kuri yra ~ 25% didesnė už dabartinę ~ 29 TW vertę (1b pav.). . Dabartinis mažas vandenyno šilumos srautas taip pat buvo pastebėtas anksčiau, nors remiantis žymiai trumpesnėmis laiko istorijomis (Crameri et al., 2019 Loyd et al., 2007).

Norėdami ištirti laiko integruotų paviršiaus šilumos nuostolių erdvinius pokyčius, apskaičiavome visus šilumos nuostolius, sukauptus per pastaruosius 400 Myr (2a ir 2b pav.). Mūsų rezultatai rodo, kad net per kelis šimtus milijonų metų skalės šilumos nuostoliai toli gražu nėra vienodi. Pavyzdžiui, Ramiojo vandenyno regionas, apimantis didelę mažo šlyties greičio provinciją (LLSVP) „Jason“, prarado 2-3 kartus daugiau šilumos nei regionas virš „Tuzo“, Afrikos LLSVP (2b pav.). Tai iš dalies lemia nuo laiko priklausantis kontinentinių masių pasiskirstymas ir Pangea surinkimas virš Tuzo, kuris apšiltino mantiją po Pangea, tačiau Ramųjį vandenyną „veikė“ greitesnis aušinimas, važiuojant vandenyno litosfera, ir iš dalies dėl to, greitai plintančių kraigo sistemų (dabar Rytinio Ramiojo vandenyno pakilimas), išdėstytų virš Jasono. Tačiau atkreipkite dėmesį, kad kalvų padėtis Ramiojo vandenyno ir Panthalassic vandenyne yra visiškai numanoma iki ~ 150 Ma (Torsvik et al., 2019), prie šio apribojimo grįšime vėliau.

Ramiojo vandenyno mantijos sritis per pastaruosius 400 mylių prarado žymiai daugiau šilumos nei afrikietė. a) sukaupti apvalkalo šilumos nuostoliai (vandenynas + žemynas) per pastaruosius 400 Myr Regionai virš Ramiojo vandenyno ir Afrikos LLSVP (Jasonas ir Tuzo), kurių kraštai apibrėžti po Torsvik ir kt. (2010), rodomos naudojant mėlynas ir oranžines linijas. Brūkšniniai, šviesios spalvos dienovidiniai rodo Ramiojo vandenyno ir Afrikos pusrutulių atsiskyrimą. b) Pusiaujo pjūvis (rausvai raudona linija) rodo išilginius šilumos nuostolių pokyčius, o vidutinės vertės (juoda linija) iš 30 ° pusiaujo ribų esančios srities rodo sklandesnius pokyčius. Juostose nurodomos apytikslės dabartinės LLSVP Jasono ir Tuzo pozicijos bei ankstesnė Pangea padėtis.


Turinys

Nepaisant milžiniško energijos perkėlimo į Žemę ir iš jos, ji palaiko santykinai pastovią temperatūrą, nes visumoje yra nedaug grynojo pelno ar nuostolio: Žemė spinduliuoja per atmosferos ir žemės radiaciją (perkelta į ilgesnius elektromagnetinius bangos ilgius) į kosmosą. maždaug tiek pat energijos, kiek gauna per insoliaciją (visų rūšių elektromagnetinė spinduliuotė).

Kiekybiškai įvertinti Žemės šilumos biudžetas arba šilumos balansas, tegul atmosferos viršuje gautas insoliacija turi būti 100 vienetų (100 vienetų = apie 1 360 vatų kvadratiniam metrui, žiūrint į saulę), kaip parodyta pridedamoje iliustracijoje. Vadinamas Žemės albedu, maždaug 35 vienetai atsispindi atgal į kosmosą: 27 iš debesų viršaus, 2 iš sniego ir ledo padengtų vietovių ir 6 kiti atmosferos kampai. 65 likę vienetai absorbuojami: 14 - atmosferoje ir 51 - Žemės paviršiuje. Šie 51 vienetas yra spinduliuojamas į kosmosą žemės spinduliavimo pavidalu: 17 tiesiogiai spinduliuojami į kosmosą ir 34 absorbuojami atmosferos (19 per latentinę kondensacijos šilumą, 9 per konvekciją ir turbulenciją ir 6 tiesiogiai absorbuojami). Atmosferos sugeriami 48 vienetai (34 vienetai nuo žemės spinduliuotės ir 14 - nuo insoliacijos) galiausiai yra spinduliuojami atgal į kosmosą. Šie 65 vienetai (17 nuo žemės ir 48 iš atmosferos) subalansuoja 65 saulės absorbuotus vienetus, kad būtų išlaikytas nulinis grynasis Žemės energijos padidėjimas. [6]

Gaunamosios spinduliuotės energija (trumpųjų bangų) Redaguoti

Bendras energijos kiekis, gaunamas per sekundę Žemės atmosferos viršuje (TOA), matuojamas vatais ir yra apskaičiuojamas pagal Saulės konstantą ir Žemės skerspjūvio plotą, atitinkantį radiaciją. Kadangi sferos paviršiaus plotas yra keturis kartus didesnis už sferos skerspjūvio plotą (t. Y. Apskritimo plotą), vidutinis TOA srautas yra ketvirtadalis saulės konstantos ir maždaug 340 W / m 2. [1] [7] Kadangi absorbcija skiriasi priklausomai nuo vietos, taip pat nuo dienos, sezono ir metinių pokyčių, nurodyti skaičiai yra ilgalaikiai vidurkiai, paprastai vidutiniai iš daugelio palydovų matavimų. [1]

340 W / m 2 Saulės radiacijos, kurią gauna Žemė, vidutiniškai

77 W / m 2 atgal į kosmosą atsispindi debesys ir atmosfera bei

23 W / m 2 atspindi paviršiaus albedas, išeinantis

240 W / m 2 saulės energijos įnešama į Žemės energijos biudžetą. Tai suteikia Žemei vidutinį grynąjį albedą (konkrečiai, jo Bondo albedą) 0,306. [1]

Žemės vidinė šiluma ir kiti nedideli efektai Redaguoti

Apskaičiuota, kad geoterminis šilumos srautas iš Žemės vidaus yra 47 teravatai [8] ir pasiskirsto maždaug vienodai tarp radiogeninės šilumos ir šilumos, likusios nuo Žemės susidarymo. Tai siekia 0,087 vato / kvadratinis metras, o tai sudaro tik 0,027% viso Žemės energijos biudžeto, kuriame vyrauja 173 000 teravatų gaunamos saulės spinduliuotės. [9]

Žmogaus energijos gamyba yra dar mažesnė - maždaug 18 TW. [ reikalinga citata ]

Fotosintezė turi didesnį efektą: fotosintezės efektyvumas paverčia biomasę iki 2% saulės spindulių, užmušančių augalus. 100–140 [10] TW (arba apie 0,08%) pradinės energijos gauna fotosintezė, suteikdama energijos augalams. [ reikalingas paaiškinimas ]

Atliekant šiuos skaičiavimus, paprastai neatsižvelgiama į kitus nedidelius energijos šaltinius, įskaitant tarpplanetinių dulkių ir saulės vėjo, kitų nei Saulės žvaigždžių šviesos ir kosmoso šiluminės spinduliuotės kaupimąsi. Anksčiau Josephas Fourieras teigė, kad giluminė kosminė spinduliuotė buvo reikšminga dokumente, kuris dažnai minimas kaip pirmasis apie šiltnamio efektą. [11]

Ilgųjų bangų radiacija Redaguoti

Ilgųjų bangų spinduliuotė paprastai apibrėžiama kaip išeinanti infraraudonųjų spindulių energija, išeinanti iš planetos. Tačiau atmosfera iš pradžių sugeria dalis, arba debesuotumas gali atspindėti radiaciją. Paprastai šilumos energija perduodama tarp planetos paviršiaus sluoksnių (žemės ir vandenyno) į atmosferą, perduodama per evapotranspiraciją ir latentinius šilumos srautus arba laidumo / konvekcijos procesus. [1] Galų gale energija ilgųjų bangų infraraudonųjų spindulių pavidalu spinduliuojama atgal į kosmosą.

Naujausi palydovų stebėjimai rodo papildomus kritulius, kuriuos palaiko padidėjusi energija, išeinanti iš paviršiaus garuojant (latentinis šilumos srautas), kompensuojant ilgųjų bangų srauto padidėjimą į paviršių. [12]

Jei įeinantis energijos srautas nėra lygus išeinančiam energijos srautui, grynoji šiluma pridedama prie planetos arba jos prarandama (jei gaunamas srautas yra didesnis arba mažesnis nei atitinkamai išeinantis). Tyrimas priimtas paskelbti 2008 m Geofizikos tyrimų laiškai (2021 m. Birželio mėn.) Pranešė, kad palydovas ir savo vietoje stebėjimai nepriklausomai rodo apytikslį Žemės energijos disbalanso padvigubėjimą]] nuo 2005 m. vidurio iki 2019 m. vidurio. [13]

Netiesioginis matavimas Redaguoti

Žemės radiacijos biudžeto disbalansas reikalauja, kad klimato sistemos komponentai laikui bėgant pakeistų temperatūrą. Vandenynas yra efektyvus saulės energijos sugėrėjas ir pasižymi daug didesne šilumos talpa nei atmosfera. Temperatūros pokytį matuoti yra labai sunku, nes jis atitinka milidegres per trumpą ARGO matavimų laikotarpį. Vandenyno šilumos kiekio pokytis (OHC) laikui bėgant yra tas pats matavimas kaip ir temperatūros anomalija laikui bėgant.

Žemės energijos balansą galima išmatuoti „Argo“ plūdėmis matuojant temperatūros anomaliją arba lygiaverčiai vandenyno šilumos kiekio kaupimąsi. 2005–2014 m. Laikotarpyje vandenyno šilumos kiekis nepakito šiauriniame ekstra atogrąžų vandenyne ir tropiniame vandenyne. Vandenyno šilumos kiekis padidėjo tik ekstra atogrąžų pietiniame vandenyne. [ reikalinga citata ] Nėra žinoma priežasčių, kodėl ekstra atogrąžų pietiniame vandenyne vandenyno šilumos kiekis padidės, o vandenyno šilumos kiekis išlieka pastovus didžiojoje išmatuoto vandenyno dalyje. Matavimą reikia skubiai patvirtinti atliekant ilgalaikius matavimus ir taikant alternatyvų metodą. Naudinga pažymėti, kad vandenyno šilumos kiekio anomalija matuojant „Argo“ plūdę yra maždaug 3x10 22 džauliai, arba maždaug trys dienos saulės perteklių per devynerius metus arba mažiau nei

0,1% saulės insoliacijos kitimas per devynerius metus. [ reikalinga citata ]

Tiesioginis matavimas Redaguoti

Keli palydovai tiesiogiai matuoja Žemės sugertą ir spinduliuojamą energiją, taigi ir daro išvadą apie energijos disbalansą. NASA Žemės radiacijos biudžeto eksperimento (ERBE) projekte dalyvauja trys tokie palydovai: Žemės radiacijos biudžeto palydovas (ERBS), paleistas 1984 m. Spalio mėn. NOAA-9, paleistas 1984 m. Gruodžio mėn., Ir NOAA-10, paleistas 1986 m. Rugsėjo mėn. [14]

NASA „Debesys“ ir Žemės spinduliavimo sistemos (CERES) prietaisai yra NASA Žemės stebėjimo sistemos (EOS) dalis nuo 1998 metų. CERES sukurta matuoti tiek saulės atspindėtą (trumpą bangos ilgį), tiek Žemės skleidžiamą (ilgo bangos ilgio) spinduliuotę. [15] Tyrėjai naudojo CERES, AIRS, CloudSat, LandSat ir kitų EOS instrumentų duomenis ieškodami antropogeninės spinduliuotės priverstinės tendencijos, įtvirtintos pastebėtame energijos disbalanse. Jie pateikė modelį, rodantį +0,53 W m −2 (+/- 0,11 W m −2) padidėjimą nuo 2003 iki 2018 m., Kai apie 20% sumažėjo atspindimos trumpųjų bangų spinduliuotės, o likusią dalį sumažėjo išeinanti ilgabangė spinduliuotė. [16] [17] [18]

Pagrindinės atmosferos dujos (deguonis ir azotas) yra skaidrios įeinančiai saulės šviesai, tačiau yra skaidrios ir išeinančiai šiluminei (infraraudonajai) spinduliuotei. Tačiau vandens garai, anglies dioksidas, metanas ir kitos pėdsakų dujos yra nepermatomos daugybei šiluminės spinduliuotės bangos ilgių. Žemės paviršius šilumos infraraudonųjų spindulių pavidalu spinduliuoja 17 procentų gaunamos saulės energijos grynąjį ekvivalentą. Tačiau tiesiogiai į kosmosą išbėgantis kiekis yra tik apie 12 procentų gaunamos saulės energijos. Likusią dalį (5–6 proc.) Atmosfera absorbuoja šiltnamio efektą sukeliančių dujų molekulėse. [19]

Kai šiltnamio efektą sukeliančių dujų molekulės sugeria šiluminę infraraudonųjų spindulių energiją, jų temperatūra pakyla. Tomis dujomis tada į visas puses sklinda padidėjęs šilumos infraraudonųjų spindulių energijos kiekis. Šiluma, spinduliuojama aukštyn, ir toliau susiduria su šiltnamio efektą sukeliančių dujų molekulėmis, tos molekulės taip pat sugeria šilumą, jų temperatūra pakyla ir padidėja jų spinduliuojamos šilumos kiekis. Atmosfera su aukštimi retėja, o maždaug 5–6 kilometrų šiltnamio efektą sukeliančių dujų koncentracija viršutinėje atmosferoje yra tokia maža, kad šiluma gali patekti į kosmosą. [19]

Kadangi šiltnamio efektą sukeliančių dujų molekulės spinduliuoja infraraudonųjų spindulių energiją į visas puses, dalis jos plinta žemyn ir galiausiai grįžta į Žemės paviršių, kur absorbuojasi. Taigi Žemės paviršiaus temperatūra yra aukštesnė, nei būtų, jei ji būtų šildoma tik tiesioginiu saulės kaitinimu. Šis papildomas šildymas yra natūralus šiltnamio efektas. [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.


Žiūrėti video įrašą: Perteklinis-Nepritekliaus biudžetas 2018