LØSNINGSFORSLAG, KAPITTEL 2

Transkript

1 ØNINGFORAG, KAPITTE REVIEW QUETION: Hva er forskjellen på konduksjon og konveksjon? Konduksjon: Varme overføres på molekylært nivå uten at molekylene flytter på seg. Tenk deg at du holder en spiseskje av sølv over et stearinlys.. Molekylene i den delen av skjeen som er over flammen vil begynne å vibrere fortere når de blir varme, og denne bevegelsen sprer seg oppover og oppover i skjeen helt til den delen du holder i også blir varm. kjeen har imidlertid beholdt sin form og ingen molekyler har skiftet plass. I atmosfæren foregår konduksjon i de nederste mm ned mot bakken (varm asfalt må jo ikke blande seg med lufta for å overføre varme til den overføringa skjer i stedet ved konduksjon). Konveksjon: Varmeoverføringen skjer ved blanding av en gass eller et fluid. Varme fluider er gjerne lettere enn kalde fluidet stiger oppover ny kald og tyngre fluid tar dens plass en sirkulasjon er satt i gang. I atmosfæren er denne mekanismen typisk opphav til bomullsliknende sommerskyer og tordenskyer. Eksempel på konduksjon: Vann i en kjele, med kokeplaten som eneste varmekilder. Altså: begge er måter å overføre varme (energi) på, begge trenger masse (luft) å foregå i, men bare konveksjonen krever at massen blander seg. 3 Beskriv stråling som et bølgefenomen og forklar hva som menes med elektromagnetisk : I tillegg konduksjon og konveksjon er stråling en tredje måte å overføre energi på, men strålingen trenger ingen masse å foregå i (solens stråler når jo jorden selv om det er vakum imellom..). tråling kan betraktes som elektriske og magnetiske svingninger som er svinger i fase. Bølgene sprer seg ut fra strålekilden med lysets hastighet. Elektromagnetisk stråling kan være mange forskjellige fenomener (synlig lys, mikrobølger, røntgen, osv.), se neste spørsmål.

2 4 Hvorfor er det kjekt å vite bølgelengden når vi snakker om stråling? Bølgelengden er kjekk å vite fordi den forteller oss noe om hva slags type stråling vi har. For eksempel er bølger med lengde rundt 10 meter klassifisert som radiobølger, bølger i mikrobølgeovnen har lengder rundt 1 cm, synlig lys har lengder mellom 0.4 og 0.7 µm og røntgenstråler har lengde rundt 1 nm. Jo lengre bølgene er, jo lettere lar de seg stoppe av hindringer på veien. 7 Hvorfor er Kelvin-skalaen nyttigere enn Celsius og Fahrenheit i visse vitenskapelige sammenhenger? Fordi de eneste legemer som ikke gir fra seg stråling er legemer med temperatur på det absolutte nullpunkt, som er ved -73 ºC. Kelvin-skalaen er definert nettopp ut fra det absolutte nullpunkt og er altså 0 ved -73 ºC! Jordens gjennomsnittstemperatur: 15 ºC = 88 K. I alle lover og regler i meteorologien skal man bruke temperaturen i Kelvin, og ikke i Celcius. 8 Hvordan varierer bølgelengden og den totale energien et objekt stråler med (strålingsintensiteten) etter hvert som objektets temperatur endrer seg? Her må vi benytte oss av de to strålings-formlene vi har lært: tefan-boltzmanns lov og Wiens lov! tefan-boltzmanns lov: I = σ T 4 Altså: jo varmere objektet er, jo høyere er strålingsintensiteten på strålingen den sender fra seg.. Wiens lov: λ max = 900 / T Altså: jo varmere objektet er, jo kortere er bølgelengden på strålingen den sender fra seg.. NB 1: Et objekt stråler ikke bare i én bølgelengde, men i et intervall. e figuren i boka som viser solstrålingen som en pukkel -formet graf her ser vi at solen gir ut det meste av sin stråling rundt λ max =0.6 µm (som tilsvarer fargen gul!) men også stråler i både kortere og lengre bølgelengder (0.1 µm er for eksempel bølgen for UV-stråling). egg også merke til den innfelte figuren av jordas stråling jorda er kaldere, og har derfor både lavere λ max på rundt 10 µm, og mye lavere strålingsintensitet. NB : tefan-boltzmanns lov gjelder for såkalte sorte legemer, det vil si objekter som er perfekte til å absorbere og emittere all strålingen som treffer dem. I virkeligheten er de fleste objekter grå legemer, det vil si at de bare emitterer en viss prosentandel av det et sort legeme ville gjort. Den prosentandelen kaller vi emissiviteten ε, og tefan-boltzmanns lov blir da I = ε σ T 4 9 olarkonstanten er nå på 1367 W/m. Men hva ville den vært som avstanden mellom solen og jorden var det dobbelte? olarkonstanten er gitt ved: 4d Her er solas luminositet, altså hvor mye sola totalt stråler ut hver sekund i watt. En typisk lyspæres ny 4 (d)

3 luminositet er 60W; solas ligger på 3.865*10-6 W. a oss nå anta at avstanden d mellom jorda og sola dobler seg, altså at vi nå setter inn d i stedet for d i formelen over, som dette: Vi vet at = 4, så vi kan i stedet skrive at: 1 1 ny 4 4d 4 Den nye solarkonstanten er altså bare ¼ av den gamle når avstanden til solen dobler seg, og tallet blir da: ny = ¼ *1367 W/m = 341,75 W/m 10 Hva er den aller viktigste årsaken til årstidene på jorda? Den aller viktigste årsaken til årstidene er at jordens akse har en helning på ca 3,5º i forhold til det elliptiske planet. Når aksen peker vekk fra solen har vi vinter på nordlige halvkule, og når aksen peker mot solen har vi sommer på nordlige halvkule. NB: egg merke til at jord-sol-avstanden faktisk er kortest når vi har vinter, og lengst når vi har sommer! På andre tidspunkter i jordens historie har det vært omvendt, og sommerene har da vært varmere og vintrene kaldere.. 16 Hvordan påvirker solens høyde på himmelen intensiteten på strålingen som treffer bakken? tråler som treffer en flate på skrå vil fordele seg ut over et mye større område, og intensiteten vil dermed bli svakere. tråler som treffer vinkelrett ned på en flate har aller høyest intensitet. Dessuten må strålene som treffer skrått passere gjennom mye mer atmosfære, og da blir en del av strålingen reflektert og absorbert før den treffer bakken. Derfor er solstrålenes intensitet aller lavest sent på kvelden og om vinteren, hvor solen står lavt på himmelen.

4 PROBEM AND EXERCIE: Anta at et objekt har emissivitet ε = 0.9 og temperatur på 300 K (7 ºC). Hva vil ha størst innvirkning på strålingen den gir fra seg; en 50% reduksjon i emissiviteten eller en 5% reduksjon i temperaturen? Emissivitet: De fleste objekter er ikke perfekte til å absorbere og emittere stråling, men stråler bare en viss prosentandel av det som i teorien er mulig ved en gitt temperatur. Et sort legeme er definert ved at det er perfekt og absorberer/emitterer all stråling som treffer den. Et sort legeme har altså ε =1. Først må vi finne ut hva strålingsintensiteten er i utgangspunktet. Må ta hensyn til emissivitet, så bruker en variant av tefan-boltzmanns lov som inkluderer denne: I = εσt 4 = 0.9 * 5,67*10-8 W/m K 4 * (300 K) 4 = 413 W/m 1) 50 % reduksjon i emissivitet 50% av 0,9 er 0,45.. etter inn 0,45 i stedet for 0,9 som ε formelen over. Dette gir oss I = 07 W/m ) 5 % økning i temperaturen 5% av 300 K er 300 K*0,05 = 15 K, så 5% reduksjon blir 300 K - 15 K=85 K. etter nå inn 85 K i stedet for 300 K i formelen over. Dette gir oss I = 337 W/m Altså var det reduksjon i emissiviteten som ga størst utslag på strålingsintensiteten. MEN: hvis vi reduserer temperatur og emissivitet med like mange prosent, vil det være reduksjonen i temperatur som har klart størst betydning, fordi temperaturen jo inngår i fjerdepotens i likningen! 4 Bruk avstandene mellom sola og jorda ved perihelion (1,47*10 11 m) og aphelion (1,5*10 11 m) og regn ut hva strålingsintensiteten fra sola er ved toppen av jordas atmosfæren disse to dagene.

5 Husk at den gjennomsnittlige solarkonstanten (ved gjennomsnittlig avstand til sola d =1,5*10 11 m) er 1367 W/m. Bruk nå igjen formelen: 4d..og bytt ut d med avstandene for henholdsvis perihelion og aphelion. Perihelion: perihelion Aphelion: aphelion 6 3,86510 W 4 (1, ,86510 W 4 (1, m) m) 143 Wm 1331 Wm