Ciepło

Ciepłem nazywamy przekazywanie energii chaotycznego ruchu cząstek. Dociera do powierzchni Ziemi w wyniku promieniowania. Wymiana ciepła (energii) odbywa się na trzy sposoby: przez promieniowanie, przewodzenie oraz unoszenie.

Promieniowanie to zjawisko wysyłania fal elektromagnetycznych, a przewodzenie jest procesem wymiany ciepła między ciałami o różnej temperaturze, które są ze sobą w bezpośrednim kontakcie. Unoszenie to transport ku górze ogrzanego powietrza. Głównym źródłem ciepła dla troposfery jest nagrzana powierzchnia Ziemi.

Promieniowanie a ciepło

Promieniowanie polega na przekazywaniu energii od jednego ciała do drugiego, bez udziału ośrodka materialnego wypełniającego przestrzeń między tymi ciałami. Źródłami promieniowania cieplnego są wszystkie ciała, których temperatura jest wyższa od zera bezwzględnego (0 K). Z meteorologicznego punktu widzenia najważniejszymi źródłami promieniowania są: Słońce, Ziemia i atmosfera ziemska. Wymiana energii drogą promieniowania między Słońcem, powierzchnią Ziemi i atmosferą w decydującym stopniu kształtuje klimat Ziemi.

RBIwX9rqffPm2

Ilustracja przedstawia schemat bilansu promieniowania cieplnego. Od góry ilustracji fragment przestrzeni kosmicznej, poniżej niebo i słońce. Na dole pagórki i drzewa. Strzałkami zilustrowano bilans. Po lewej stronie: ze 100 procent promieniowania słonecznego krótkofalowego 53 procent dociera do powierzchni Ziemi. 14 procent jest pochłaniane przez atmosferę, 3 procent przez chmury, 6 procent odbite od atmosfery, 20 procent odbite od chmur, 4 procent odbite od powierzchni Ziemi. Po prawej stronie zilustrowano, co dzieje się z 53 procentami ciepła odbitego od powierzchni Ziemi. I tak: 23 procent to wypromieniowanie długofalowe z powierzchni Ziemi, z czego 17 procent jest pochłonięte przez atmosferę, a 6 procent ucieka w przestrzeń kosmiczną. 7 procent to wymiana ciepła na drodze konwekcji i turbulencji, z czego 38 procent z atmosfery idzie w przestrzeń kosmiczną. 23 procent to utajone ciepło parowania i kondensacji, z czego 26 procent z chmur zostaje wypromieniowane w przestrzeń kosmiczną.

Energię promieniowania całkowitego (bezpośredniego i rozproszonego) nazywamy nasłonecznieniem lub insolacją. Nasłonecznienie jest najważniejszą przyczyną nagrzewania się powierzchni Ziemi. Część energii docierająca do powierzchni Ziemi w procesie nasłonecznienia uczestniczy w procesie jej nagrzewania. Zostaje pochłonięta i zamieniona w ciepło. Pozostała energia odbija się od powierzchni Ziemi i nie bierze udziału w nagrzewaniu. Powierzchnia kontynentu w porównaniu do powierzchni zbiorników wodnych wykazuje różnice w nagrzewaniu się, nagrzewa się bowiem szybciej od wody, ale i utrata ciepła zachodzi w taki sam sposób. Dzieje się tak na skutek silniejszego pochłaniania ciepła przez wodę w stosunku do lądu oraz jego dłuższego magazynowania.

R1PGZ8vvQuQCr

Grafika przedstawia schemat pochłaniania promieniowania słonecznego przez atmosferę Ziemi na poziomie morza i na wysokości jedenastu kilometrów. Na górze wykres opisany jako na poziomie morza. Na osi pionowej opisanej jako pochłanianie mierzone w procentach od zera do stu. Na osi poziomej opisanej jako długość fal mierzonej w mikrometrach wartości od jednej dziesiątej do stu. Według wykresu pochłanianie spada przy wartości czterech dziesiątych mikrometra potem aż do wartości dwunastu mikrometrów jest zmienne i osiąga ponownie sto procent pochłanialności od wartości piętnastu mikrometrów. Na dolnej grafice opisanej jako na wysokości jedenastu kilometrów oś pionowa i pozioma opisane jak w poprzednim wykresie. Pochłanianie spada do zera przy wartości czterech dziesiątych mikrometra i utrzymuje ten stan do wartości trzech mikrometrów potem aż do wartości piętnastu mikrometrów jest zmienne. Od wartości szesnastu mikrometrów na osi poziomej pochłanianie stabilnie rośne aż do poziomu około sześćdziesięciu procent.

Atmosfera absorbuje niemal w całości podczerwone promieniowanie powierzchni Ziemi. Absorbując promieniowanie głównie Ziemi i Słońca oraz ogrzewając się przez wymianę ciepła z podłożem, atmosfera staje się ponowną przyczyną promieniowania długofalowego (cieplnego), które rozchodzi się we wszystkich kierunkach.

Procesy wymiany ciepła w atmosferze

Powierzchnia Ziemi jest najważniejszym odbiornikiem promieniowania słonecznego. Atmosfera przez absorbowanie promieniowania słonecznego ogrzewa się w  minimalnym stopniu. Rozchodzenie się ciepła jest zjawiskiem nieodwracalnym, w którym zachodzi samorzutne wyrównywanie się różnic temperatury. Najbardziej wydajne jest turbulencyjne przemieszczanie się ciepła związane z ruchem w atmosferze. Turbulencja powoduje nie tylko przenoszenie ciepła, ale również masy. W wyniku turbulencji odbywa się transport ciepła od powierzchni Ziemi ku wyższym warstwom atmosfery. Natomiast mechanizm tzw. ogólnej cyrkulacji atmosfery i oceanów przenosi ciepło w postaci energii wewnętrznej i utajonej w parze wodnej ku wyższym szerokościom geograficznym. Także w jej wyniku tworzą się niebezpieczne zjawiska atmosferyczne, np. tornada. Proces transferu ciepła w wyniku poziomych ruchów powietrza lub wody nazywamy adwekcją termiczną. Strefa równikowa jest zasadniczym źródłem ciepła dla adwekcji atmosferycznej i oceanicznej.

Cykl przemian energii od krótkofalowego promieniowania Słońca do długofalowego promieniowania Ziemi stanowi źródło energii dla licznych procesów atmosferycznych, których przejawami są różne zjawiska pogodowe. Wymiana ciepła odbywa się w atmosferze także poprzez konwekcjękonwekcjakonwekcję. Konwekcja termiczna tworzy się przy nierównomiernym nagrzaniu się powietrza nad podłożem o zróżnicowanych miejscowo temperaturach. Ma przebieg dobowy, związany z dobowymi zmianami równowagi atmosfery. Maksymalny rozwój konwekcji obserwuje się w godzinach okołopołudniowych, gdy temperatura podłoża i dolnych warstw powietrza jest najwyższa.

ReBgFKzvQfrPq

Fotografia przedstawia rozległy akwen wodny, na którym widać płynącą motorówkę. Nad nim na niebie duże białe chmury o stożkowatym kształcie.

Wymiana ciepła przez przewodzenie ma miejsce wtedy, kiedy występuje różnica temperatur w danym ośrodku lub w sąsiadujących ośrodkach. Do tej formy przenoszenia energii dochodzi głównie w ciałach stałych, dominuje ona w glebie.

Słownik