Kapittel 3 Temperatur

Transkript

1 Kapittel 3 Temperatur Asgeir Sorteberg Geofysisk Institutt, UiB

2 Varmeoverføring og temperaturforandring I boka står det lite om hvordan varmeoverføring og temperaturforandringer henger sammen, men her er en kort forklaring: Fra kap. 2 så vi at energioverføring skjer på 3 måter (stråling, konduksjon og konveksjon (dvs. turbulens og adveksjon) i tillegg til at vi kan ha varmefrigjøring ved faseoverganger. En forandring i temperatur ( T) vil være summen av alle disse prosessene: Adveksjon turbulens konduksjon stråling latent varmefrigjøring Konveksjon

3 Temperaturoverføring og temperaturforandring For at vi skal få en forandring i temperatur må det netto tilføres eller avgis varme. Varmeenergi inn Varmeenergi ut Varmeenergi inn Varmeenergi ut Det er altså ikke hvor mye ekstra varmeenergi inn som er avgjørende, men differansen mellom energi inn og ut. F= F ut -F inn

4 Temperaturoverføring og temperaturforandring Fra før har vi at responsen i temperatur vil være avhengig av varmekapasiteten (Kap 2). Hvis varmeoverføringen (F) er i W/m 2 er temperaturresponsen i tillegg til å være avhengig av F avhengig av hvor lenge varmeoverføringen pågår ( t) og den effektive varmekapasiteten til volumet som skal varmes opp. For en varmeoverføring som skjer horisontalt vil effektiv varmekapasitet være: c p ρ x (husk at F er i W/m 2 volumet er det samme som 1* x) x For en varmeoverføring som skjer vertikalt vil effektiv varmekapasitet være: c p ρ z (husk at F er i W/m 2 volumet er det samme som 1* z) z

5 Varmeoverføring og temperaturforandring De viktigste varmeoverføringer som skjer i en luftpakke, Adveksjon Latent Varmefrigjøring, Turbulens Konduksjon Stråling

6 Varmeoverføring og temperaturforandring Adveksjon Hvis vinden ikke forandres gjennom boksen Turbulens 1 1 " #!! 1 " #! Hvis varmetransport koeffisient ikke forandrer seg gjennom boksen Stråling 1, 1 $ $ $ $!! Konduksjon: Pga den lave konduktiviteten i atmosfæren kan energioverføring i atmosfæren pga varmeledning neglisjeres

7 Den vertikale temperaturfordelingen nær bakken Det aller meste av absorbsjon av solenergi skjer ved bakken. Herfra bringes varme oppover i luften i ved konveksjon (i hovedsak turbulens nær bakken, men også vertikal adveksjon lenger opp) slik at nedre del av atmosfæren (troposfæren) varmes opp nedenfra. Dette gjør at lufttemperaturen med høyden i snitt avtar med C pr. 100 m stigning. Denne gradienten kalles for forløpsraten (lapseraten). Mer om dette i Kap. 5 Selv om snittet er rundt 0.65 C pr. 100 m er det store variasjoner (spesielt i de nederste 100 meterne av atmosfæren) med hvor på jorda du er, fra årstid til årstid, fra dag til dag og gjennom dagen.

8 Daglig temperatursyklus På klare nesten vindstille dager er det strålingsleddet som dominerer ved at bakken varmes opp pga kortbølget stråling og langbølget stråling fra bakken og turbulens transporterer varme fra bakken opp i den bakkenære lufta. Så lenge bakken tilføres mer stråling enn den avgir (dvsat absorbert innkomne stråling er større enn utgående emittert og reflektert stråling) vil bakken oppvarmes $ $ $ $ >0 På finværdsdager kommer derfor maks temperatur 2-4 timer etter maks solinstråling

9 Daglig temperatursyklus P.g.a at bakken tilføres mer stråling en den avgir vil den varmes raskere en lufta over og vi får en temperatur nær bakken (den første meteren over bakken) som er betydelig varmere enn lufta lenger opp. Ut på ettermiddagen vil sola stå lavere på himmelen og solstrålene må varme opp et større areal mens den langølgede utstrålingen vil fortsatt være stor slik at vi får en avkjøling $ $ $ $ '0 Hvis det er lite vind som gjør at den turbulente transporten av varme fra den varmere lufta over bakken ned til bakken er liten vil etterhvert bakken bli kaldere enn lufta over.

10 Inversjon Når temperaturen øker med høyden kalles dette en inversjon (av invers som betyr omvendt).det er da lite utveksling av luft i forskjellige høyder. Dette gjør at luftforurensning kan bli liggende som et tynt lokk og skape helseproblemer. Fenomenet skjer i hovedsak på klarværsdager med lite vind om vinteren (lite solinnstråling) og på klarværsnetter med lite vind om sommeren. Inversjon med kraftig forurensning Bergen 8. januar, 2010

11 Varm lisone Den varme lisonaer et område i ei li, ei fjell-eller åsside, som på vindstille netter har høyere temperatur enn områdene høyere oppe i lia og nede i dalbunnen. Den kaldere dalbunnen og at den kalde bakkenære lufta som vil bli dannet etter solnedgang p.g.a.strålingsavkjøling (se inversjon) vil strømme ned i dalbunnen (pgaat kald luft har større tetthet enn varm), mens lufta lenger oppe vi også være kaldere fordi den har mindre trykk. Resultatet er en sone der nattetemperaturene er varmere enn i områdene rund. Dette er områder som egner seg godt til f.eks. fruktdyrking og annet landbruk som er følsom for frost.

12 Potensiell Temperatur Potensiell temperatur er temperaturen en luftpakke ved trykket pville hatt om den ble ført ned til havnivå (p 0 ) uten at luftpakka tok opp eller avga varme (adiabatisk). I slike tilfeller er det en direkte relasjon mellom temperatur og trykk ( ) * ) +/-. der T er temperaturen, R er gasskonstanten til luft og c p er den spesifikke varmekapasiteten ved konstant trykk. Denne likningen kalles også Poisson s likning Potensiell temperatur er en mer dynamisk viktig størrelse enn den egentlige temperaturen og brukes svært mye i meteorologi.

13 Globale Temperatur Klimatologi Årlig middeltemperatur Den globale temperaturfordelingen følger i hovedsak innstrålingen (som følger breddegradene) og den lokale topografien med en gjennomsnittlig reduksjon i årlig temperatur fra tropene og mot polene på 1⁰C per 145 km.

14 Globale Temperatur Klimatologi Forskjell i temperatur mellom vinter og sommer De største variasjonene i temperatur mellom vinter og sommer finner vi over land (pgamindre varmekapasitet enn hav) nær polene (stor forskjell i innstråling om sommer og vinter) i områder relativt langt fra havet og som har mange dager med inversjoner. De største forskjellen er i Sibir der det sibirske høytrykket i tillegg advekterer kald luft ned fra polområdet.

15 Globale Temperatur Klimatologi De viktigste stormbanene Norge ligger i en klimaoase som er 5-15⁰C varmere enn andre områder på samme breddegrad. Dette skyldes i hovedsak to ting: Lavtrykk som dannes nær kysten av Nord-Amerika og i nord Atlanteren bringer varm (og fuktig) luft mot Norge Den nordatlantiske strømmen, som går over i den norske atlanterhavsstrømmen bringer inn varmt vann. Havstrømmene

16 Norges Temperatur Klimatologi De høyeste normale årstemperaturene i Norge finner i kystsonen fra Lindesnes i Vest- Agder og til Stad i Sogn og Fjordane. Det kaldeste området i lavere strøk er Finnmarksvidda og i høyfjellsstrøkene er det store områder som har normal årstemperatur lavere enn 0 C. De høye årstemperaturene langs kysten skyldes i hovedsak havets store varmekapasitet og derfor små (4-6⁰C) variasjoner i havtemperaturene gjennom året som sammen med lavtrykk som bringer inn relativt varm luft gir varme vintre i kystområdene. Årlig middeltemperatur

17 Høyeste lufttemperatur (Oppdatert fram til Jun. 2013) Måned Dato Sted Fylke Temperatur Januar Tafjord Møre og Romsdal 17,9 Februar Sunndalsøra Møre og Romsdal 18,9 Mars Landvik Aust-Agder 23,1 April Sarpsborg Østfold 27,0 Mai Gvarv Telemark 31,1 Juni Nesbyen Buskerud 35,6 Juli August September Trondheim (Voll) Oslo (Blindern) Hamar (Disen) Konnerud Byglandsfjord Meråker Sør-Trøndelag Oslo Hedmark Buskerud Aust-Agder Nord-Trøndelag 35,0 35,0 28,5 Oktober Molde lufthavn Møre og Romsdal 25,6 November Tafjord Møre og Romsdal 21,8 Desember Sunndalsøra Møre og Romsdal 18,3

18 Laveste lufttemperatur (Oppdatert fram til Jun. 2013) Måned Dato Sted Fylke Temperatur Januar Karasjok Finnmark -51,4 Februar Karasjok Finnmark -50,6 Mars Karasjok Finnmark -45,1 April Karasjok Finnmark -36,5 Mai Čoavddatmohkki Finnmark -25,0 Juni Fannaråki Fannaråki Sogn og Fjordane Sogn og Fjordane -12,2 Juli Fannaråki Sogn og Fjordane -8,3 August Karasjok Finnmark -9,3 September Dividalen Troms -16,5 Oktober Šihččajávri Finnmark -34,7 November Karasjok Finnmark -41,8 Desember Karasjok Finnmark -51,3

19 Følt temperatur Følt temperatur (vindavkjølingsindeks og varmeindeks) er mål som prøver å si noe om hvor mye (eller lite) varme menneskekroppen må avgi til lufta. Menneskekroppen avgir energi gjennom konduksjon, konveksjon (både varme og fordampning) og stråling. Når det blåser vil konveksjonen øke og kroppen avkjøles raskere. Når kroppstemperaturen er høy, vil kroppen prøve å kjøle seg ned gjennom svette. Når det er stor relativ luftfuktighet vil det være vanskeligere å fordampe bort svetten. Kroppen har vanskeligere for å holde seg avkjølt og vil prøve å produsere mer svette. Det fører til at ubehaget blir større. Vindavkjølingsindekser og varmeindekser prøver å ta hensyn til disse momentene for å beregne en følt temperatur

20 Vindavkjølingsindeks Når det er blåser vil konveksjonen øke og kroppen avkjøles raskere. I mer avanserte formler tas det også hensyn til fuktighet. Forskjellige land bruker forskjellige indekser

21 Varmeindeks På svært varme dager avkjøles kroppen gjennom å svette som fjernes ved fordampning. Hvor fort svetten fordamper er avhengig av relativ fuktighet. Stor relativ fuktighet gir liten fordampning og mindre fjerning av varme fra kroppen og man får følelsen av overoppheting.

22 Graddager Graddager er et mål som uttrykker en kombinasjon av temperatur og tid og utrykker en sum av grader over eller under en gitt terskelverdi. Brukes til å beregne f.eks. hvor mye man må fyre, vekstforhold, hvor kraftig snøsmeltingen er etc. F.eks. Fyringsgraddagsum(HDD) er summen av differansen mellom døgnmiddeltemperatur (T n ) og en terskelverdi på 17 grader celsius over året. Bare negative verdier av differansene blir tatt med i utregningen. 789 H > :; Fyringsgrad dagsum

23 Graddager Et annet eksempel på graddagerer Døgngraderogså kalt varmesummensom gir uttrykk for temperaturvilkårene for dyrking av et gitt planteslag. Varmesummen er summen av differansen mellom middeltemperaturen over et døgn (T n ) og en valgt basistemperatur (for dyrking ofte satt til 5 grader) for hvert døgn i en gitt periode (f. eks. fra såing (x) og til modning (y)). Bare positive verdier av differansene blir tatt med i utregningen. Varmesum dyrking (VD)? V0 1 0 '5 5 5 :@ Merk:Døgngrader brukes også til å beregne f.eks. hvor lenge et slakt skal henge for å mørne (da settes valgt basistemperatur til 0 grader) Vekst Døgngrader Tidlig bygg, modning 1200 Havre og hvete, modning 1600 Tidlige potetsorter 1300 Seine potetsorter, modning Kålrot, utvokst 2200