Strålingsintensitet: Retningsbestemt Energifluks i form av stråling. Benevning: Wm -2 sr - 1 nm -1

Like dokumenter
Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

a. Tegn en skisse over temperaturfordelingen med høyden i atmosfæren.

UNIVERSITETET I OSLO

Oppgavesett nr.5 - GEF2200

Repetisjonsforelsening GEF2200

Løsningsforslag nr.2 - GEF2200

Oppgavesett nr.2 - GEF2200

Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Løsningsforslag nr.1 - GEF2200

Løsningsforslag: oppgavesett kap. 9 (2 av 3) GEF2200

Chapter 2. The global energy balance

GEF2200 Atmosfærefysikk 2012

Figur 1. Skisse over initialprofilet av θ(z) før grenselagsblanding

Oppgavesett kap. 4 (2 av 2) GEF2200

a. Hvordan endrer trykket seg med høyden i atmosfæren SVAR: Trykket avtar tilnærmet eksponentialt med høyden etter formelen:

Løsningsforslag: Oppgavesett kap. 4 (1 av 2) GEF2200

Oppgavesett kap. 4 (1 av 2) GEF2200

Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Løsningsforslag nr.4 - GEF2200

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

LØSNINGSFORSLAG, KAPITTEL 3

Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet. Kontroller at oppgavesettet er komplett før du begynner å besvare spørsmålene.

MIDTVEISEKSAMEN I GEF 1000 KLIMASYSTEMET TORSDAG

Lufttrykket over A vil være høyere enn lufttrykket over B for alle høyder, siden temperaturen i alle høyder over A er høyere enn hos B.

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

FYS1010-eksamen Løsningsforslag

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag: oppgavesett kap. 9 (1 av 3) GEF2200

Kapittel 8. Varmestråling

Løsning til øving 1 for FY1004, høsten 2007

Obligatorisk oppgave 1

Rim på bakken På høsten kan man noen ganger oppleve at det er rim i gresset, på tak eller bilvinduer om morgenen. Dette kan skje selv om temperaturen

Løsningsforslag til eksamen i FYS1000, 14/8 2015

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag FYS1010-eksamen våren 2014

Quiz fra kapittel 1. Characteristics of the atmosphere. Høsten 2016 GEF Klimasystemet

AST1010 En kosmisk reise. De viktigste punktene i dag: Elektromagnetisk bølge 1/23/2017. Forelesning 4: Elektromagnetisk stråling

Kapittel 5 Skydannelse og Nedbør

Oblig 2 GEF2200 Våren 2016

FYS2140 Kvantefysikk, Obligatorisk oppgave 2. Nicolai Kristen Solheim, Gruppe 2

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag til eksamen FY0001 Brukerkurs i fysikk Fredag 29. mai 2009

Kapittel 2 Energi, varme og temperatur

Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

UNIVERSITETET I OSLO

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 4: Elektromagnetisk stråling

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag til eksamen i FYS1000, 12/6 2017

Eksamen i: GEF2210 Eksamensdag: 14. oktober 2011 Tid for eksamen:

Løsningsforslag til ukeoppgave 6

AST1010 En kosmisk reise

Eksempler og oppgaver 9. Termodynamikkens betydning 17

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Kap. 1 Fysiske størrelser og enheter

GEF Løsningsforslag til oppgaver fra kapittel 9

10 6 (for λ 500 nm); minste størrelse av

Tillegg til læreboka Solstråling: Sol Ozon Helse. del av pensum i FYS1010

De vikagste punktene i dag:

Løsningsforslag til eksamen i FYS1000, 16/8 2013

UNIVERSITETET I OSLO

Quiz fra kapittel 4. Convection. Høsten 2016 GEF Klimasystemet

Løsningsforslag til eksamen i FYS1001, 15/6 2018

UNIVERSITETET I OSLO

Termisk balanse.

UNIVERSITETET I OSLO

Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

DEL 1: Flervalgsoppgaver (Multiple Choice)

Kap. 6+7 Arbeid og energi. Energibevaring.

Løsningsforslag til eksamen i FYS1000, 13/6 2016

Universitetet i Bergen Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet. Eksamen GEOF100 Introduksjon til meteorologi og oseanografi

Det matetmatisk-naturvitenskapelige fakultet Midtveis -eksamen i AST1100, 10 oktober 2007, Oppgavesettet er på 6 sider

FYS1010 eksamen våren Løsningsforslag.

EKSAMENSOPPGAVE I FYS-1001

UNIVERSITETET I OSLO

Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

EKSAMEN I: TFY4300 Energi og miljøfysikk FY2201 Energi og miljøfysikk Fredag 12. desember 2003 TID:

UNIVERSITETET I OSLO

Arctic Lidar Observatory for Middle Atmosphere Research - ALOMAR. v/ Barbara Lahnor, prosjektingeniør ALOMAR barbara@rocketrange.

LØSNINGSFORSLAG, KAPITTEL 2

Løsningsforslag til midtveiseksamen i FYS1001, 26/3 2019

Løsningsforslag til midtveiseksamen i FYS1000, 17/3 2016

Fysikkolympiaden 1. runde 23. oktober 3. november 2017

UNIVERSITETET I OSLO Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

UNIVERSITETET I OSLO

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 4: Fysikken i astrofysikk, del 1

AST1010 En kosmisk reise. Forelesning 5: Fysikken i astrofysikk, del 2

1. Atmosfæren. 2. Internasjonal Standard Atmosfære. 3. Tetthet. 4. Trykk (dynamisk/statisk) 5. Trykkfordeling. 6. Isobarer. 7.

Løsningsforslag til midtveiseksamen i FYS1001, 19/3 2018

UNIVERSITETET I OSLO

FYS2140 Kvantefysikk, Løsningsforslag for Oblig 1

FYSIKK-OLYMPIADEN

Tillegg til læreboka Solstråling: Sol Ozon Helse. del av pensum i FYS1010

OBLIG 1 GEF Dråpevekst i skyer

Løsningsforslag eksamen i FYS1010, 2016

Løsningsforslag til ukeoppgave 15

VEDLEGG : Grunnkurs vindforhold

FYSIKK-OLYMPIADEN Andre runde: 2/2 2012

Transkript:

Oppgave 1. a. Forklar hva vi mener med størrelsene monokromatisk strålingsintensitet (også kalt radians, på engelsk: Intensity) og monokromatisk flukstetthet (også kalt irradians, på engelsk: flux density). Oppgi enheter på størrelsene. Sett opp en likning som viser hvordan monokromatisk flukstetthet (F λ ) er definert ut fra monokromatisk intensitet (I λ ). LF: Monokromatisk: Som funksjon av bølgelengde. Strålingsintensitet: Retningsbestemt Energifluks i form av stråling. Benevning: Wm -2 sr - 1 nm -1 b. Hva er definisjonen av at svart legeme? Plancks lov (likning 1 under) gir den monokromatiske intensiteten tilstrålingen fra et svart legeme. Forklar størrelsene som inngår i formelen. Tegn en skisse (med intensiteten på y-aksen og bølgelengde på x-aksen) for svartlegemestrålingen fra to legemer med forskjellig temperaturer T 1 og T 2 der T 1 > T 2. B λ (T) = c 1λ 5 π(e c 2/λT 1) Likning 1 LF: λ: Bølgelengde T: Temperatur C 1 og c 2 er konstanter Skisse noe slik som (størrelsen på aksene er ikke viktig).

To viktige poeng som bør komem frem: Arealet under kurven skal være mindr for lavere temperatur (dvs totalt utstrålt energi er mindre) og Maksimal utstråling flytter seg til lengere bølgelengder (Wiens forskyvningslov). c. Kvantemekaniske prinsipper sier at drivhusgasser bare kan absorbere fotoner med helt spesifikke bølgelengder (absorpsjonslinjer) fordi energien i fotonet må tilsvare nøyaktig forskjellen i tillatte energinivå i molekylet. Hvorfor er det da slik i atmosfæren at også fotoner med litt ulike bølgelengder absorberes? Vi kaller det utvidelse av absorpsjonslinjene, se skisse på figur 1. Fig.1 Figuren viser skjematisk utvidelse av en absorpsjonslinje (ved bølgetall ν 0 ) for de to prosessene som forårsaker slik utvidelse. LF: -Pga. at molekylene beveger seg i gassen vil vi få en dopplereffekt som gjør at litt kortere og litt lengere bølgelengder kan absorberes. - Fordi kollisjoner påvirker vibarsjons og rotasjonsenergier i molekylene vil absorpsjon samtidig som molekylet kolliderer med et annet molekyl gi en utvidelse av absorpsjonslinjene (Loretn effekten) d. Optisk dybde for innkommende solstråling (midlet over alle bølgelengder) i atmosfæren er definert ved: τ() = ρ r k d Der ρ() er tettheten til luft, r() er masseblandingsforholdet til den komponenten i luften som svekker strålingen, og k er masseabsorpsjonskoeffesienten. Vi antar at ρ()= ρ 0 exp(-/h m ) r()= r 0 exp(-/h v ) k er konstant Der tettheten ved overflaten ρ 0 =1.2 kg/m 3 og skalahøyden H m =7 km Der r 0 =0.01 kg (av komponent i)/kg (luft) og skalahøyden H v =4 km k = 0.02 m 2 /kg(i)

Regn ut optisk dybde ved 7 km og 2 km høyde i atmosfæren. LF. For å finne optisk dybde setter vi inn ρ() og r() i integralet og integrerer. τ() = ρ r k d = ρ 0 r 0 k e H m e H v d = ρ 0 r 0 k ρ 0 r 0 k e H m e H v d = ρ 0 r 0 k e H v+h m H m H v d = ρ 0 r 0 k e H v+h m H m H v d = H v H m H m + H v Setter inn =7000m og =2000m, husk at H v og H m må være i meter. τ(7km)=0.039 τ(2km)=0.28 e H v+h m H m H v e. Vi ser nå på flukstetthet nedover av solstråling med en senitvinkel θ. Vi ser bort fra spredning (stor forenkling) og antar at strålingen kun svekkes ved absorpsjon gitt ved den optiske dybden fra oppgave d. Sett opp et utrykk for flukstettheten ved høyden, gitt ved flukstettheten ved toppen av atmosfæren (F ), τ() og θ. Dersom vi antar at F =400 Wm -2 og θ=45, hvor stor blir flukstettheten av solstråling nedover ved 7 og 2 km høyde? LF. Vi ser her på innkommende solstråling uten spredning). Dvs. at all nedoverrettet stråling har samme senitvinkel og derfor samme veilengde gjennom et vertikalt lag. Likningen for flukstettheten nedover blir derfor tilsvarende som for strålingsintensiteten som er gitt ved likn 4.31 i læreboka. τ() sec (θ) F() = F e Setter inn verdier for F, θ og for optisk dybde fra oppgave d F(7km) = f. Ut fra det du har regnet ut til nå, finn den lokale oppvarmingsraten (i K/time) ved 7 og 2 km høyde som skyldes lokal absorpsjon av kortbølget solstråling. LF: Den lokale oppvarmingsraten drives av absorbert stråling. Likning 4.52 gir sammenhengen mellom svekking av stråling vertikalt (-df/d) og temperaturendring:

ρ c p dt = df dt d dt = 1 df dt ρ() c p d For å finne oppvarmingsraten kan vi derivere uttrykket for F() som vi fant i oppgave e, men enklere er det å bruke likning 4.17 i læreboka direkte. Igjen så er det slik uttrykket for svekkingen av at flukstettheten (F) nedover blir derfor tilsvarende som for strålingsintensiteten (I). Dvs df() = F() ρ() r() k ds der ds = d/cos (θ) df = F() ρ() r() k/cos (θ) d dt dt = 1 c p F() r() k/cos (θ) Setter inn verdier og regner ut: dt dt dt dt (2km) = 0.17 K/h (7km) = 0.067 K/h Figuren under viser hvordan dt/dt varierer med høyden opp til 20 km. (ikke del av oppgaven å plotte dette) Oppvarmingsrate (K/h) som funksjon av høyde. 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2

g. Forklar kort hvilke andre prosesser som bidrar til lokal oppvarming i atmosfæren. Hvilke grunnleggende forskjeller er det mellom troposfæren og i stratosfæren når det gjelder disse prosessene. LF: Andre prosesser som bidrar til lokal oppvarming: - Absorpsjon og emisjon av langbølget stråling - Turbulent fluks av følbar varme - Turbulent fluks av latent varme I stratosfæren øker temperaturen med høyden (inversjon) og derfor er det svært lite turbulens. Det gjør at det er tilnærmet lokal strålingslikevekt mellom absorpsjon av kortbølget (mye UV) og langbølget stråling som gir oppvarming og emisjon av langbølget stråling som gir avkjøling. I troposfæren har vi ikke lokal strålingslikevekt fordi de turbulente fluksene er betydelige. Spesifikk varmekapasitet for luft ved konstant trykk er c p =1004 J/(K kg) Oppgave 2. a. Når atmosfæren er i kontakt med overflaten kan det dannes turbulens. Hvilke to hovedmekanismer er årsaken til at turbulens dannes? LF: - Mekansik tirbulens pga friksjon - Termisk turbulens pga lokal statisk instabilitet b. Forklar hvorfor det ofte dannes en klar avgrensning mellom det turbulente grenselaget og den fri atmosfæren. LF: Gitt at atmosfæren i utgangspunktet er stablt sjiktet, vil mekanisk turbulens føre til at potensiell tempertur blir konstant med høyden (nøytral sjikting) i det godt blandede laget nederst i atmosfæren. Dvs. at pot. temperatur øker nede ved bakken og avtar i den øverset delen av det blandede laget. Det blir slik fordi at ved mekanisk turbulens er det ikke noen betydelig endring av total indre energi i kolonnen som blir blandet. Mellom det turbulente laget og den fri troposfæren vil det bli en rask økning av pot temp med høyden vi får et inversjonslag (som kalles capping inversion). c. I den turbulente atmosfæren nede ved overflaten vil vertikalhastigheten (w) og potensiell temperatur θ variere betydelig på korte tidsskalaer. Vi kan beskrive det ved

w(t) = w + w (t) θ(t) = θ + θ (t) Der x er et tidssmiddel av variablen x og x (t) er (raske) avvik fra middelet. Ut fra uttrykkene for w(t) og θ(t) over, utled et uttrykk for midlere vertikal turbulent fluks av følbar varme, dvs. F H LF: F H = ρ c p w θ ρ c p w θ = ρ c p (w + w )(θ + θ ) = ρ cp (w θ + w θ ) Vi ser bort fra små fluktuasjoner i tettheten, derfor Nede ved overflaten må w være tilnærmet lik null. Ellers ville vi hatt en systematisk massetransport gjennom overflaten. F H ρ c p w θ d. Ofte såkalte bulk-formler for å beregne de turbulente fluksene fra overflaten slik som i likning 2 under for følbar varme. F Hs = ρ c p C H V (T s T 2m ) Likning 2 Forklar hva variablene i likning 2 står for. Dersom du har muligheten for å beregne turbulent fluks av følbar varme ut fra metoden i oppgave c og slik som i likning 2 over. Hvilken metode ville du valgt? Begrunn svaret. e. Tegn opp skisser for dag og natt som viser vertikalprofiler av temperatur (T), potensiell temperatur (θ) og spesifikk fuktighet (q) gjennom grenselaget og opp til den frie troposfære for typiske forhold over land under en klarværsperiode om sommeren. Forklar kort hvorfor profilene ser ut som de gjør. f. Anta at det dannes skyer (dvs. vanndamp som kondenserer til dråper i luften) i hvert av profilene i oppgave e. Hvor vil skyene kunne dannes om dagen og om natten og hvilke typer skyer kan vi forvente? Hvilke fysiske mekanismer er det som gir overmetning om natten og om dagen?