GEO1030: Løsningsforslag kap. 1 og 2

GEO1030: Løsningsforslag kap. 1 og 2 Sara M. Blichner September 3, 2017 Kapittel 1 Review questions 2 Prediksjoner i en vitenskapelig forstand kan være prediksjoner om framtiden, men mer presist så er det en logisk konsekvens av en hypotese. Vi kan for eksempel ha en hypotese om at jorden jorda beveger seg i en elipse rundt sola, og da kan vi predikere at solarkonstanten endrer seg i løpet av året. Dette kan vi så sjekke i datamaterialet (som allerede eksisterer). Ergo trenger ikke prediksjonen handle om framtiden. 3 Hvorfor er det vanskelig å definere toppen av atmosfæren? Når vi beveger oss oppover i atmosfæren så minker trykket og tettheten blir lavere og lavere (det er lenger og lenger mellom molekylene). Dermed er det ingen absolutt grense, men atmosfæren glir gradvis over i vakum. 5 Forskjellen mellom permanente og variable gasser i atmosfæren? Hvilke bidrar mest til atmosfærens totale masse? Permanente gasser finnes i omtrent lik konsentrasjon uavhengig av tid og i rom, mens variable gasser varierer med tid og sted. Dette gjelder innenfor homosfæren. Om en gass er permanent eller variabel er relatert til dens atmosfæriske oppholdstid. Hvis en gass har lang atmosfærisk oppholdstid vil den blande seg ut og være relativt jevnt fordelt (permanent), mens hvis den har kort atmosfærisk oppholdstid, så vil den kunne variere og er en variabel gass. Permanente gasser utgjør 99,999% av atmosfæren. 6 Hvorfor bryr vi oss overhodet om de variable gassene når de finnes i så små mengder? På tross av at de utgjør lite masse, er de variable gassene svært viktige. Dette er fordi de for eksempel påvirker strålingsbalansen. CO2, vanndamp, metan, ozon osv. absorberer utgående langbølget stråling og gir oss drivhuseffekten. Ozon beskytter oss fra skadelig UVstråling og vanndamp gir oss skyer og nedbør (ledd i den hydrologiske sirkelen). 7 Hvorfor kan ozon være både bra og dårlig? Ozon er O 3 dannes både i troposfæren og stratosfæren. I stratosfæren dannes ozon gjennom Chapman mekanismen: O 2 + hv O + O (hv < 240nm), O + O 2 + M O 3 + M. Troposfæren mottar ozon fra stratosfæren, men det dannes også ozon i troposfæren. Fordi den høyfrekvente strålingen (bølgelengde under 240nm=0.24µm) som driver ozonproduksjonen i stratosfæren ikke finnes i troposfæren, så er ikke Chapman mekanismen effektiv her. Istedet dannes ozon når NO 2 photolyserer. Ozon i stratosfæren er nyttig for oss fordi det beskytter oss mot skadelig UV-stråling. Ozon i troposfæren er imidlertid skadelig fordi det er en giftig gass. 8 Hvorfor har konsentrasjonen av CO2 i atmosfæren økt over de siste 100 årene? Før den industrielle revolusjonen var det omtrent likevekt mellom utslipp og opptak av CO 2 i atmosfæren. Planter tar opp i seg karbon fra CO 2 når de vokser og CO 2 slippes ut når det organisk materiale rotner. Når vi brenner olje og gass, slipper vi imidlertid ut CO 2 som ikke er del av dette kretsløpet og biosfæren klarer ikke ta opp den ekstra CO 2 en som tilføres. Dermed har konsentrasjonen økt siden den industrielle revolusjonen. 12 Gjennom photosyntese tar plantene opp CO 2 fra atmosfæren og binder det i organisk materiale. Plantecellene respirerer, akkurat som våre celler, og da bruker de oksigen (og glukose) og slipper 1

ut CO 2. I sum tar planter opp mere CO 2 enn den slipper ut det er slik den øker biomassen sin. (Siden planter bare produserer oksigen når det er lyst er det egentlig en dårlig idé å ha planter på soverommet hvis man er opptatt av frisk luft de bruker den samme oksigenen som oss om natta!). Når planter dør, råtner den. Da slippes CO 2 ut igjen i atmosfæren. Dette fører til en årlig syklus i mengden CO 2 i atmosfæren, særlig ved høye breddegrader. 13 Hvordan varierer tettheten til atmosfæren med høyde? Tettheten synker med høyden. På samme måte som trykket synker tettheten eksponentielt. 14 Hva er karakteristisk ved troposfæren, stratosfæren, mesosfæren og termosfæren? Vi definerer atmosfærelagene utifra temperaturprofilen til atmosfæren. Troposfæren: Temperaturen synker med høyden fordi bakken varmer opp atmosfæren nedenfra. Nederst ved overflaten, ca mellom 0 og 10 km høyde (skjønt dette avhenger av temperatur og dermed breddegrad). I troposfæren finner vi værsystemene. 90% av atmosfærens masse er i troposfæren. Stratosfæren: Temperaturen stiger med høyden fordi ozonlaget absorberer innkommende kortbølget stråling. Mellom ca 10 og 50 km høyde. Fordi temperaturen stiger med høyden er stratosfæren svært stabil og det er lite vertikal utveksling (den er stratifisert eller lagdelt). Stratosfæren er svært tørr (pga lite utveksling med troposfæren) og vi har svært få skyer og ingen nedbør (men perlemorskyer er et eksempel på en stratosfærisk sky). I stratosfæren har vi sterke skyer. Stratosfæren inneholder 19.9% av massen i atmosfæren. Mesosfæren: Fra 50 til 80km i høyde. Temperaturen avtar med høyden. Termosfæren: 80-120 km høyde. Temperaturen øker med høyden pga absorbsjon av innkommende stråling. Dette er det varmeste laget (opp til 1500 grader), men det er svært langt mellom molekylene her (lav tetthet), er varmeinnholdet til mesosfæren likevel lavt. 15 Hva er tropopausen Dette er overgangen fra troposfæren til stratosfæren. Her er temperaturprofilen nesten rett (temperaturen endrer seg lite med høyden). Fordi stratosfæren er så stabil, så vil sterke stormskyer kræsje med stratosfæren og spre seg utover i tropopausen. 16 I hvilket atmosfærelag finner vi ozonlaget? Hvorfor er ozonlaget en noe misledende term? Vi finner ozonlaget rundt 25km høyde i stratosfæren. Det er en noe misledende term fordi ozon finnes i hele atmosfæren, konsentrasjonen er bare høyere i ozonlaget. 17 Hvorfor inneholder troposfæren mer masse en stratosfæren, selv om den er tynnere? Selv om troposfæren (ca 10 km tykt lag) er mye tynnere enn stratosfæren (ca 40 km tykt lag), så er luftens tetthet mye større i troposfæren enn i stratosfæren. Masse = tetthet volum (1) 2

Masse er gitt ved tettheten ganget med volumet, så selv om troposfærens volum er mindre enn stratosfærens volum så er tettheten i troposfæren mye større enn tettheten i stratosfæren. Derfor blir allikevel den totale massen av troposfæren større en stratosfærens. 18 Hvor stor andel av atmosfærens masse er innhold i stratosfæren og troposfæren til sammen? Ca 99.9% 19 50% reduksjon per 5km gir ca 450 mb. 23 Hva er isobarer? Linjer/flater der trykket er likt. Iso betyr lik og bar er en enhet for trykk (som i millibar=1hpa). 24 Hvilke viktige effekter har variasjon i trykk på andre værfenomener? Disse variasjonene gir oss bl.a vind! Lufta beveger seg mot lavtrykket (og blir avbøyd, mer om dette senere). Critical thinking: 1. Det første vi kan tenke på her, er at vulkanutbrudd har vi hatt tidligere også og det er ingen tydelig trend (som jeg vet om) som skulle tilsi at vi får flere eller færre vulkanutbrudd. Dermed er det lite som skulle tilsi at disse utslippene vil påvirke konsentrasjoner av gasser på lang sikt. Man kunne imidlertid tenke seg at vulkanutbrudd hadde en effekt på kort sikt! Men utslippene fra vulkaner er, for de fleste fleste gasser, svært små sammenliknet med både antropogene og naturlige kilder. I sum bidrar vulkanutbrudd til konsentrasjonen av CO2, vanndamp ect i atmosfæren, men ikke nok til å utgjøre noen stor forskjell. Utslipp fra vulkaner kan imidlertid ha en effekt gjennom å tilføre store mengder SO 2 i stratosfæren. SO 2 reagerer med vanndamp og danner H 2 SO 4 som gir et stort antal aerosoler i stratosfæren. Disse reflekterer innkommende sollys og kjøler derfor temperaturen ved overflaten. I troposfæren vil aerosoler som regel ha en kort levetid (1-2 uker) fordi de tas opp i skyer/regndråper. I stratosfæren vil de imidlertid ikke regne ut fordi stratosfæren er svært tørr (få skyer, ikke regn). Dermed kan disse aerosolene ha en nedkjølende effekt i flere år. 2. Det er to varmekilder vi bør ta hensyn til her: Bakken varmes opp av sola og varmer troposfæren/atmosfæren nedenfra. Ozonlaget absorberer UV-stråling fra sola, varmes opp og varmer opp stratosfæren. Derfor er temperaturprofilene så forskjellige i troposfæren og stratosfæren. Ettersom vi beveger oss oppover i troposfæren vil vi komme lenger og lenger fra varmekilden (bakken), mens når vi kommer over i stratosfæren vil vi bevege oss nærmere og nærmere varmekilden (ozonlaget). 3. Dette er et spørsmål om hvor mye energi du mottar og hvor mye du gir fra deg. Temperaturen i dine omgivelser er et mål på hvor mye molekylene omkring deg beveger seg. Når trykket er veldig lavt vil det være svært få molekyler per volum, men disse kan godt bevege seg veldig fort/mye og dermed ha høy temperatur. Men de har lav varmekapasitet. Det betyr at de ikke klarer å varme deg opp i noen særlig grad! Varmekapasitet er hvor mye energi som kreves for å varme opp et system/noe en grad og måles i J/K. Vi kan sammenlikne denne situasjonen med f.eks å ta på isopor som har ligget i fryseren og å ta på isbiter. Selv om disse har samme temperatur, så vil du bli mye kaldere av å holde på isbitene enn isoporen. Isoporen har nemlig svært lav varmekapasitet (og leder varme dårlig) og dermed synker ikke temperaturen i fingrene dine mye før isoporen har samme temperatur som fingrene. Slik er også atmosfæren i termosfæren. Du vil gi fra deg varme gjennom varmestråling, men motta nær null varme fra omgivelsene dine. Du vil dermed fryse ihjel. 3

Kapittel 2 Review questions: 2 Hva er forskjellen på konveksjon og konduksjon? 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. Skjeen 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. Figure 1: Kumulusskyer fra konveksjon 4 Hvorfor er det kjekt å vite bølgelengden, og ikke bare mengden/raten energi som overføres, når vi snakker om stråling? Fordi bølgelengden forteller oss hva slags stråling det er snakk om. Kortbølget stråling er mer energirik enn langbølget stråling, derfor kan vi se for oss to situasjon der like mye energi overføres men en er gjennom mindre kortbølget stråling, mens en annen består av mer langbølget stråling. I tilfellet kunne den første situasjonen vært farlig (jmf. skadelig UV-stråling), mens den andre er helt ufarlig. Bølgelengden avgjør hva slags egenskaper strålingen har. Jo lengere bølgene er, jo lettere absorberes de/lar seg stoppe. Derfor går gammastråler rett igjennom oss (og skader oss ikke), røntgenstråling går delvis igjennom oss (derfor kan vi se skjelletet, men ser gjennom hud og kjøtt) mens UV-stråling absorberes i huden. 6 Beskriv hvordan bølgelengde og total utstrålt energi endres når temperaturen til et legeme endrer seg Når et legeme varmes opp så utstråler det mere energi. Dette fenomenet beskrives gjennom Stefan-Boltzmans lov for sorte legemer: I = σt 4 (2) Når et legeme varmes opp vil det også utstråle mer energi med kortere bølgelengde (mer energirik stråling). Dette beskrives ved Wiens forskyvningslov: λ max = max T 4 (3)

der λ max er den bølgelengden som har høyest intensitet (det utstråles mest energi ved denne bølgelengden). (NB: husk at T er i Kelvin!!) 8 Solarkonstanten er rundt 1367W/m 2. Hvis avstanden mellom sola og jorda ble fordoblet, hva ville den nye solarconstanten vært? Fordi strålingen reduseres med kvadratet av avstanden, ville den nye solarkonstanten vært én fjerdedel av det den er nå, altså 1367 2 = 341.75W/m 2. 2 9 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 23,5o 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. (Dette ville selvfølgelig ikke hjulpet hvis jorda sto stille, men da ville vi brutt en masse fysiske lover, så la oss ikke tenke på det :) ) Figure 2: Den viktigste årsaken til sesongene på jorda, er rotasjonsaksens helning. 11 Hva er betydnignen til den Arktiske og Antarktiske sirkelen? Dette er sirkenen ved breddegraden (90-23.5 =66.5 N/S) der vi får 24 timer sol/natt ved sommersolverv/vintersolverv. 13 Hvis jordaksen helte bare 10, hvor ville vi da finne den Arktiske og Antarktiske sirken? Ville dette endre datoene for sommersolverv, vintersolverv, vårjevndøgn, høstjevndøgn eller perihelion og aphelion? I tilfellet ville vi funnet den Arktiske og Antarktiske sirkelen ved 90-10 N/S. Dette ville ikke endret datoen med mindre aksen pekte i en annen retning, altså roterte i tillegg til å endre vinkel. I tilfellet ville datoen som sommer- /vintersolverv og høst-/vårjevndøgn endret seg. Perihelion og aphelion er imidlertid definert ved jordas bane rundt sola og ville derfor ikke blitt påvirket. 14 Hvordan påvirker solens høyde på himmelen intensiteten på strålingen som treffer bakken? Stråler som treffer en flate på skrå vil fordele seg ut over et mye større område, og intensiteten vil dermed bli svakere. Stråler 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. Critical thinking: 2. Stikkordet her er varmeledning/konduksjon. Luft er en dårlig varmeleder. Når vi lager små luftposer som er isolerte fra hverandre, forflyttes luften heller ikke internt (konveksjon) og vi får en isolerende dyne. 5

Figure 3: Solvinkelens innvirkning på intensiteten i strålingen som treffer bakken 3. Sola sender ut stråling i mange andre bølgelengder også. NIR, ultraviolett osv. 4. Jorda ville motta samme mengde energi totalt fra sola, men det ville kunne endre hvor mye stråling som blir reflektert, hvor mye som blir reemittert (langbølget stråling som kjøler ned planeten) og slik hvor mye energi som lagres. Rotasjonshastgheten bestemmer lengden på et døgn. Lavere rotasjonshastighet vil føre til lengre døgn og dermed vil den delen av jorden som opplever stråling bli varmet opp mer i løpet av en dag og også bli kjølt mer ned i løpet av en natt (langbølget stråling ut fra jorden). Hvis rotasjonshastigheten økte ville vi på den annen side få kortere døgn og kortere tid for å varme opp og kjøle ned jordflaten. 6. Det er rett og slett mindre variasjon i solvinkelen rundt ekvator lengre mot polene (hvor solen til og med forsvinner deler av året hvis man drar langt nok nord eller sør). 7. Solen går opp i øst og ned i vest. Dermed vil en østvendt bakke oppleve mer stråling tidlig på dagen, når solen står øst for bakken, mens den vil nedkjøles raskere enn en flat bakke senere på dagen. En vestvendt bakke vil ha motsatt trend: tidlig på dagen vil den motta lite lys per areal, men etter 12 (når solen står midt på himmelen) vil den motta mer stråling. 8. Skyer, partikler i atmosfæren og diverse gasser er avgjørende for hvor mye stråling som når overflaten. Disse reflekterer/sprer og absorberer innkommende stråling. Månen på sin side, har kun en veldig tyn atmosfære og ingen skyer. Dermed blir solvinkelen den avgjørende faktoren for hvor mye stråling overflaten mottar. Problems & Exercises: 1. Stefan-Boltzmans lov: I = σt 4 6

Vi kan da gjøre om på denne likningen og få: I T = 4 σ 365Wm T = 2 4 5.67 10 8 Wm 2 K 4 (4) 2. Igjen betrakt Stefan-Boltzmans lov, men nå med emissivitet: I = ɛσt 4. Emissiviteten er 0.9 og temperaturen 300 K. Hvis vi reduserer emissititeten med 50%, får vi en reduksjon på 50% totalt (vi multipliserer enkelt nok høyresida med 0,5). Hvis vi derimot reduserer temperaturen med 5%, så er det det samme som å multiplisere høyresida i likningen med 0.95 4 = 0.81, altså en total reduksjon på 19%. Vi får altså større effekt på intensiteten til strålingen ved å redusere emissititeten med 50% enn temperaturen med 5%. 3. Vi bruker inverse square law, nemlig at vi deler den totale energien sola utstråler per tid (i Watt), 3.849 10 26 W), på arealet til en kule som rekker helt ut til der jorda er (bruker overflatearealet av en kule= 4πr 2 ). Da får vi for perihelion: S p = 3.849 1026 W 4π(1.47 10 11 m) 2 = 1417.4357Wm 2, (5) og for aphelion: 4. S a = 3.849 1026 W 4π(1.52 10 11 m) 2 = 1325.7171Wm 2. (6) Vi gjør det samme som i oppgave 3, men nå bruker vi avstanden til saturn: 5. S s = Midt på dagen, 10 N,sommersolverv, får vi: Midt på dagen, 10 N,vintersolverv, får vi: For 30 får vi tilsvarende: Sommersolverv: Vintersolverv: 3.849 1026 W 4π(1.42 10 12 m) 2 = 15.1901Wm 2. (7) 90 10 + 23 = 77 90 10 23 = 57 90 30 + 23 = 83 90 30 23 = 37 Vi ser at det er mye større sesongvariasjon i solvinkelen ved 30 N enn ved 10 N. Dette fører til at vi har større sesongvariasjon av innkommende sollys per arial mot polene enn mot ekvator og dermed tydeligere årstider. 7