Daha çox

3.6: Yerin Səthində İstilik Büdcəsi - Yerşünaslar


İndiyə qədər həcmin sabit olduğu (Eulerian) və ya hərəkətli (Lagrangian) bir havanın istilik büdcəsini araşdırdınız. İstilik axınının balanssızlığı həcmdə havanın istiləşməsinə və ya soyumasına səbəb oldu.

Bəs sonsuz dərəcədə incə və beləliklə sıfır həcmdə olan Yer səthində nə baş verir? Bu təbəqədə istilik saxlanıla bilməz. Beləliklə, bütün gələn və çıxan istilik axınının cəmi tam tarazlaşmalıdır. Səthdəki xalis axın sıfır olmalıdır.

Xatırladaq ki, bu axınların torpaqda və ya atmosferdə olmasından asılı olmayaraq axınların istiliyin yuxarıya doğru hərəkət etməsi üçün müsbət olduğu müəyyən edilmişdir.

Səthdəki müvafiq axınlara aşağıdakılar daxildir:

F * = sfc arasındakı xalis radiasiya. & atmosfer. (Fəsil 2)

FH = təsirli səth turbulent istilik axını (həssas istilik axını)

FE = buxarlanma və ya kondensasiya (çiy əmələ gəlməsi) nəticəsində yaranan təsirli səth gizli istilik axını

FG = səthin altından (məsələn, Yer, okeanlar) aşağıya / daha molekulyar istilik keçiriciliyi.

Dinamik istilik axınları üçün səth balansı (W m vahidində–2):

( begin {align} 0 = mathbb {F} ^ {*} + mathbb {F} _ {H} + mathbb {F} _ {E} - mathbb {F} _ {G} etiket {3.52} end {align} )

Ρ ilə bölsənizhava· Csəh tarazlığı kinematik formada almaq (K m s vahidləri ilə)–1), nəticə:

( begin {align} 0 = F ^ {*} + F_ {H} + F_ {E} -F_ {G} tag {3.53} end {align} )

Sağdakı ilk 3 şərt səthlə hava arasındakı axınlardır yuxarıda. Son müddət səthlə Yer arasındadır aşağıda (bu səbəbdən - işarəsi).

Bu axınların nümunələri və işarələri müxtəlif səthlər və gecə ilə gündüz üçün Şəkil 3.9-da çəkilmişdir. Suvarılmış bir qazon və ya məhsul üçün tipikdir gündəlik dövr (gündəlik təkamül) səth axınları Şəkil 3.10-da təsvir edilmişdir. Əslində xalis radiasiya F * digər axınları idarə edən xarici bir məcburdur.

Torpağa enən dinamik istilik axını üçün xam, birinci dərəcəli bir təxmini

( begin {align} mathbb {F} _ {G} yaklaşık X cdot mathbb {F} ^ {*} tag {3.54} end {align} )

müvafiq kinematik istilik axını ilə:

( begin {align} F_ {G} yaklaşık X cdot F ^ {*} tag {3.55} end {align} )

(gündüz, gecə) üçün X = (0,1, 0,5) faktoru ilə.

Digər şərtləri eqsdə qiymətləndirmək üçün müxtəlif seçimlər mövcuddur. (3.52 və ya 3.53). Effektiv səthdə həssas istilik axını üçün əvvəlcədən müzakirə olunan toplu ötürmə əlaqələrindən istifadə edə bilərsiniz (bərabərlik. 3.34 - 3.37). Səthdəki gizli istilik axını üçün oxşar toplu ötürmə tənlikləri Su-Buxar bölməsində veriləcəkdir. Səthdə gizli və həssas istilik axınlarını qiymətləndirmək üçün başqa bir seçim, sonrakı təsvir edilən Bowen nisbətindən istifadə etməkdir.

Tərif edin a Bowen nisbəti, B, səthi həssas istilik axını səthi gizli istilik axını ilə bölündükdə:

( begin {align} B = frac { mathbb {F} _ {H}} { mathbb {F} _ {E}} = frac {F_ {H}} {F_ {E}} etiket {3.56} end {align} )

Tipik dəyərlər bunlardır: quraq yerlər üçün 10, yarı quraq yerlər üçün 5, daha quru savanna üzərində 0,5, nəmli əkin sahələri üzərində 0,2 və okeanlar və göllər üzərində 0,1.

Atmosferdə səth qatı (troposferin dibi 10-25 m), səthdə effektiv həssas istilik axını ∆θ / ∆z - potensial-temperatur qradiyentindən asılıdır. Məhz, FH = –KH· ∆θ / ∆z, burada KH bir eddy diffuzivliyi istilik üçün (bax: Atmos. Sərhəd qatı fəsli), z yerdən hündürlükdür və mənfi işarəsi istilik axınının yerli qradiyentdən aşağıya doğru axdığını (isti-soyuq havaya doğru) deyir.

Nümunə tətbiqi

Xalis radiasiya –800 W · m olduqda–2 bir səhra üzərində səthdə, sonra həssas, gizli və torpaq axınlarını tapın.

Cavabı tapın

Verilmişdir: F * = –800 W · m–2 B = 10 quraq bölgələr üçün

Tapın: FH, FE və FG =? W · m–2

Mənfi F * gündüz nəzərdə tutulduğundan, bərabərlikdə X = 0,1 istifadə edin. (3.54): FG = 0.1 · F * = 0.1 · (–800 W · m–2 ) = –80 W · m–2

Bərabərdir. (3.52 & 3.56) vermək üçün manipulyasiya edilə bilər:

FE = (FG - F *) / (1 + B)

FH = B · (FG - F *) / (1 + B)

Beləliklə,

FE= (–80 + 800 W · m–2) / (1 + 10) = 65,5 W · m–2

FH= 10 · (–80 + 800 W · m–2) / (1 + 10) = 654,5 W · m–2

Yoxlayın: Fizika və vahidlər məqbuldur. Həm də nəticənin balanslaşdırılmış enerji büdcəsi verdiyini təsdiqləməliyik. Buna görə eq tətbiq edin. (3.52):

0 = F * + FH + FE - FG ???

0 = –800 + 654.5 + 65.5 + 80 W · m–2 Doğru.

Ekspozisiya: Bowen nisbəti üçün tipik dəyərlər əvvəlki səhifədə verilsə də, istənilən səth növü üçün həqiqi dəyər, Bowen nisbəti metodunu istifadə etməyə çalışarkən praktik olaraq faydasız olduğu bir çox amillərdən asılıdır. proqnozlaşdırmaq yerüstü axınlar. Bununla birlikdə, aşağıda göstərilən və eqsdə göstərilən sahə ölçmə yanaşması. (3.58 - 3.63) a-priori Bowen nisbətinin qiymətləndirilməsinə ehtiyac yoxdur. Beləliklə, bu sahə yanaşması olduqca doğrudur ölçü günəşin doğuşu və qürubunun yaxınlığı xaricində səth axınları.

Effektiv səth nəm axını üçün analoji ifadə F-dirsu = –KE· ∆r / ∆z, burada qarışdırma nisbəti r növbəti fəsildə hər kq quru havanın tərkibində olan su buxarının kütləsi olaraq təyin olundu. Rütubət üçün yayılma difüzensiyasını təqribən təyin etsəniz, KE, istiliklə bərabər və şaquli qradiyentlər eyni hava qatında ∆z ölçülürsə, Bowen nisbətini belə yaza bilərsiniz:

( begin {align} B = gamma cdot frac { Delta theta} { Delta r} tag {3.57} end {align} )

üçün psixrometrik sabit γ = C olaraq təyin olunursəh/ Lv = 0.4 (gsu buxarı/Kiloqramhava) · K–1.

Ekv. (3.57) ölçülməsi çətin olan axınların ölçülməsi asan orta temperatur və rütubət fərqləri ilə əvəz olunduğu üçün sahə işlərində istifadə üçün müraciət edir. Yəni səth qatında qısa bir qüllə tikib yerləşdirin termometrlər iki fərqli yüksəklikdə və dağı higrometrlər (rütubətin ölçülməsi üçün) eyni iki yüksəklikdə (Şəkil 3.11), sonra B-ni hesablaya bilərsiniz. Temperatur fərqini potensial-temperatur fərqinə çevirməyi unutmayın: ∆θ = T2 - T1 + (0,0098 K m–1) · (Z2 - z1).

Bir az cəbrlə eqləri birləşdirə bilərsiniz. (3.57, 3.56, 3.54 və 3.52) dinamik vahidlərdə effektiv səth həssas istilik axını (W m–2) xalis radiasiyanın funksiyası kimi:

( begin {align} mathbb {F} _ {H} = frac {-0.9 cdot mathbb {F} ^ {*}} { frac { Delta r} { gamma cdot Delta theta} +1} tag {3.58} end {align} )

və ya kinematik vahidlər (K m s–1):

( begin {align} F_ {H} = frac {-0.9 cdot F ^ {*}} { frac { Delta r} { gamma cdot Delta theta} +1} tag { 3.59} end {align} )

Bir az daha cəbr gizli istilik axını verir (W m–2) su buxarının səthə və ya səthdən hərəkəti nəticəsində yaranan:

( begin {align} mathbb {F} _ {E} = frac {-0.9 cdot mathbb {F} ^ {*}} { frac { gamma cdot Delta theta} { Delta r} +1} tag {3.60} end {align} )

və ya kinematik vahidlərdə (K m s–1):

( begin {align} F_ {E} = frac {-0.9 cdot F ^ {*}} { frac { gamma cdot Delta theta} { Delta r} +1} tag { 3.61} son {align} )

Növbəti fəsildə gizli istilik axını dəyərlərinin dalğalanan buxar axınlarına necə çevriləcəyi göstərilir.

EQS-dən həssas istilik axını tapdınızsa. (3.58 və ya 3.59), onda gizli istilik axını asanlıqla aşağıdakılardan tapılır:

( begin {align} mathbb {F} _ {E} = - 0.9 cdot mathbb {F} ^ {*} - mathbb {F} _ {H} tag {3.62} end {align } )

və ya

( begin {align} F_ {E} = - 0.9 cdot F ^ {*} - F_ {H} tag {3.63} end {align} )

Nümunə tətbiqi

Bowen nisbətli sahə sahəsi aşağıdakıları müşahidə edir:

indeksz (m)T (° C)r (gbuxar/Kiloqramhava)
215167
112012

ilə, F * = –650 W · m–2 . Bütün səth axınlarını tapın.

Cavabı tapın

Verilmişdir: yuxarıdakı məlumat.

Tapın: səth dinamik axınları (W · m–2) FE , FH , FG = ?

İlk addım ∆θ tapmaqdır:

∆θ = T2 - T1 + (0,0098 K m–1) · (Z2 - z1) = 16 K - 20 K + (0.0098 K m–1) · (15m - 1m) = –4 K + 0.137 K = –3.86 K

Eq tətbiq edin. (3.58)

( mathbb {F} _ {H} = frac {-0.9 cdot left (-650 mathrm {W} cdot mathrm {m} ^ {- 2} right)} {{frac { sol (-5 mathrm {g} _ { mathrm {vap}} / mathrm {kg} _ { mathrm {air}} sağ)} { sol [0.4 sol ( mathrm {g} _ { mathrm {vap}} / mathrm {kg} _ { mathrm {air}} right) cdot mathrm {K} ^ {- 1} right] cdot (-3.86 mathrm {K})} +1} )

FH = 138 W · m–2.

Sonra, eq tətbiq edin. (3.62):

FE = –0.9 · F * - FH = –0.9 · (–650 W · m–2) - 138. W · m–2 = 447 W · m–2

Sonda eq tətbiq edin. (3.54): FG = 0.1 · F * = –65 W m–2.

Yoxlayın: Fizika və bölmələr ağlabatan. Bundan əlavə, bütün axın şərtləri sıfıra bərabərdir, balansı doğrulayır.

Ekspozisiya: Nəticədə Bowen nisbəti B = 138/447 = 0.31-dir, bu sahənin suvarılan əkin sahələri olduğunu göstərir.


Yer & # 039s Enerji Büdcəsi Nədir?

Yerin enerji tarazlığı günəşdən gələn və çıxan enerjiyə bağlıdır.

‘Yerin enerji büdcəsi’ termini planetin günəşdən aldığı, bütün dünyada istifadə etdiyi və sonra yenidən kosmosa göndərdiyi enerjiyə istinad etmək üçün yaradıldı. Günəş yer üzündə istifadə olunan bütün enerjini təmin edir, baxmayaraq ki günəş enerjisinin çox hissəsi planetin səthinə çatmır. Yerin aldığı istilik ətraf mühitin beş fərqli tərkib hissəsinə daxil olur: bitki və heyvanlar, yer qabığı, yer üzünün su obyektləri, atmosfer və buz kimi canlılar. Planetin formasına görə, yerin səthinə vuran enerji miqdarı, digər bölgələrə nisbətən daha çox istilik alan bəzi ərazilərlə əhəmiyyətli dərəcədə qeyri-bərabərdir. Yerin forması da qütb sahələrinin ekvatora yaxın bölgələrə nisbətən daha az istilik almasını təmin edir. Elmi araşdırmalar yer səthindəki hər kvadrat metrin günəşdən təxminən 240 vatt enerji aldığını və geri qaytardığını göstərdi. Yerin aldığı və yenidən kosmosa yayılmış istilik enerjisi miqdarı yerin şüalanma tarazlığına yaxınlaşması ilə tarazlaşdırılmağa yaxındır.


Sınaq Sualı: Dünyanı və # 039s nüvəsini nə qızdırır?

Biz qabıq sakinləri gözəl sərin zəmində gəzsək də, ayaqlarımızın altında Yer olduqca isti bir yerdir. Penn əyalətinin yerşünaslıq professoru Chris Marone, Yer kürəsinin hər 6.2 milyard sakini üçün saatda 200 fincan isti qəhvə hazırlamaq üçün planetin içərisindən kifayət qədər istilik yaydığını söylədi. Ən mərkəzində günəşin səthindən daha isti olan Fahrenhayt dərəcəsinin 11.000 dərəcəni keçdiyinə inanılır.

Yerin bir kəsiyi üç konsentrik təbəqə aşkar edir. Xaricdə, 10 ilə 100 kilometr qalınlığı arasında olan nazik, sərt bir qabıq var. Bunun altında 2900 kilometr qalınlığında pişi şəklində bir mantiya var. Xəmir əvəzinə, geoloji bir zaman miqyasında çox yavaş axan viskoz ərimiş qayadan ibarətdir. "Dırnaqlarınız böyüdükcə sürətlə hərəkət edir" Marone izah edir.

Yerin mərkəzində iki hissədən ibarət bir nüvə var. "Daxili hissə bizim ayın ölçüsündədir," Marone deyir, "əsas etibarilə polad bir sıxlığa malikdir." Ətrafını əhatə edən xarici nüvə 2300 kilometr qalınlığında maye metal okeanıdır. Yerin fırlanması bu okeanı axır və fırladır və hərəkət edən metal planetin maqnit sahəsini yaradır.

Marone, Yerdəki istinin böyük bir hissəsinin mantoda yığıldığını və onu isti saxlayan dörd qaynağın olduğunu söylədi. Birincisi, cazibə qüvvəsi bir planetin Yerdən əvvəlki fəzadakı isti qazlar və hissəciklər buludundan ilk dəfə yoğunlaşmasından sonra qalan istilik var. Təxminən 4 milyard il əvvəl əridilmiş top soyuduqca, çöldə sərtləşdi və qabıq meydana gəldi. Mantiya hələ də soyuyur.

"Biz bu orijinal istiliyin Yerin istiliyinin böyük bir hissəsi olduğunu düşünmürük" dedi Marone. Ümumilikdə yalnız "cazibə istiliyi ilə eyni miqdarda" yüzdə 5 ilə 10 arasında iştirak edir.

Cazibə istiliyini izah etmək üçün Marone yenə də ardıcıl bir sıxlıqda olmayan isti, təzə formalaşmış Yerin görüntüsünü canlandırır. Diferensiya adlanan bir cazibə çeşidləmə prosesində daha sıx, daha ağır hissələr mərkəzə çəkildi və daha az sıx sahələr xaricə yer dəyişdirildi. Bu prosesin yaratdığı sürtünmə, orijinal istilik kimi, hələ də tam yayılmamış xeyli istilik yaratdı.

Sonra gizli istilik var, Marone deyir. Bu tip, Yer kürəsi içəridən soyuduqca nüvənin genişlənməsindən yaranır. Donduran suyun buza çevrildiyi kimi, o maye metal da möhkəm olur və prosesə həcm əlavə edir. "Daxili nüvə hər min ildən bir santimetrə qədər böyüyür" deyir Marone. Bu genişlənmədən çıxan istilik mantiyaya sızır.

Bununla birlikdə, Marone, bütün bunlar üçün Yerin içindəki istiliklərin böyük bir hissəsinin - yüzdə 90-a qədərinin mantiya içərisində olan Potasyum 40, Uranium 238, 235 və Thorium 232 kimi radioaktiv izotopların çürüməsindən qaynaqlandığını söyləyir. Bu izotoplar artıq enerji tökdükcə və sabitliyə doğru irəlilədikcə istilik yayırlar. "Bu radiasiyanın yaratdığı istilik miqdarı, Yerdən qaynaqlanan ümumi istiliklə demək olar ki, eynidir."

Radioaktivlik yalnız mantiyada deyil, Yer qabığının qayalarında da mövcuddur. Məsələn, Marone izah edir ki, səthdəki 1 kiloqramlıq qranit bloku radioaktiv parçalanma yolu ilə kiçik, lakin ölçülə bilən bir istilik yayır (təxminən .000000001 watt lampa qədər).

Bu elə də görünə bilməz. Ancaq mantonun genişliyini nəzərə alaraq, əlavə edir, Marone deyir.

Gələcəkdə milyardlarla il davam edəcək bir müddətdə nüvə və mantiyanın qabığı qarşılayacaq qədər soyuyub möhkəmlənə biləcəyini təxmin edir. Bu baş verərsə, Yer ay kimi soyuq, ölü bir planetə çevriləcəkdir.

Bununla belə, Günəş belə bir hadisədən çox əvvəl qırmızı nəhəng bir ulduz halına gəlmiş və ədalətli planetimizi bürüyəcək qədər böyüyəcəkdir. O zaman mantoda qalan hər hansı bir istilik çətin olacaq.


İstilik tarazlığı

Gələn günəş enerjisinin kvadrat metri üçün üç yüz qırx vat, dünya miqyasında ortalama günəş işığı kosmosda və zamanda dəyişir. Gələn günəş enerjisinin illik miqdarı tropik enliklərdən qütb enliklərinə qədər xeyli dəyişir (səhifə 2-də təsvir olunur). Orta və yüksək enliklərdə, fəsildə də əhəmiyyətli dərəcədə dəyişir.

The pik müxtəlif enliklərdə alınan enerji il ərzində dəyişir. Bu qrafik, ilin hər günü yerli günorta saatlarında alınan günəş enerjisinin enliklə necə dəyişdiyini göstərir. Ekvatorda (boz xətt), zirvə enerjisi il ərzində çox az dəyişir. Yüksək şimal (mavi xətlər) və cənub (yaşıl) enliklərdə mövsümi dəyişiklik həddindən artıqdır. (Robert Simmon tərəfindən NASA-nın illüstrasiyası.)

Əgər Yer kürəsinin fırlanma oxu Günəş ətrafındakı orbitinin yoluna görə şaquli olsaydı, ekvator və qütblər arasındakı istilik balansının ölçüsü eyni il boyu olardı və yaşadığımız fəsillər baş verməzdi. Bunun əvəzinə Yerin oxu şaquli olaraq təxminən 23 dərəcə əyilir. Dünya Günəşin ətrafında dövr edərkən, meyl bir yarımkürəni, daha sonra digərini daha çox günəş şüası almasına və daha uzun günlərə sahib olmasına səbəb olur.

The ümumi Hər gün atmosferin zirvəsində alınan enerji enlikdən asılıdır. Gələn gündəlik enerjinin ən yüksək miqdarı (solğun çəhrayı) ekvatorda deyil, günlərin uzun olduğu yayda yüksək enliklərdə baş verir. Qışda bəzi qütb enlemleri ümumiyyətlə işıq almır (qara). Cənubi Yarımkürə, dekabr ayında (cənub yayında) Şimali Yarımkürənin iyun ayından (şimal yayında) olduğundan daha çox enerji alır, çünki Earth & rsquos yörüngəsi mükəmməl bir dairə deyil və Yer öz orbitinin bu hissəsində Günəşə biraz daha yaxındır. Alınan ümumi enerji, hər kvadrat metrə görə 0-dan (qütb qışı zamanı) təqribən 50-yə (qütb yayında) qədər dəyişir.

& Ldquosummer yarımkürəsində & rdquo daha çox birbaşa günəş işığı və daha uzun günlərin birləşməsi qütbün tropiklərdən daha çox gələn günəş işığı ala biləcəyi deməkdir, lakin qış yarımkürəsində heç biri əldə etmir. Yaz aylarında qütblərdə işıqlandırma artsa da, parlaq ağ qar və dəniz buzları gələn işığın əhəmiyyətli bir hissəsini əks etdirir və potensial günəş istiləşməsini azaldır.

Yerin çəkdiyi günəş işığı miqdarı atmosferin və yer səthinin əks olunmasına bağlıdır. Bu peyk xəritəsi 2008-ci ilin sentyabr ayında əks olunan günəş radiasiyasının miqdarını (kvadrat metrə vat) göstərir. Ekvator boyunca buludlar günəş işığının böyük bir hissəsini əks etdirirdi, Sahranın solğun qumları isə Şimali Afrikada yüksək yansıtıcılığa səbəb oldu. İlin bu vaxtında heç bir dirəyə çox gələn günəş işığı düşmür, buna görə də hər ikisi buzla örtülü olmasına baxmayaraq az enerji əks etdirirlər. (CERES məlumatlarına əsaslanan Robert Simmon tərəfindən NASA xəritəsi.)

Fərqli enliklərdə yansıtıcılıq (albedo) və günəş işığındakı fərqlər, Yer kürəsi boyunca xalis istilik balansının pozulmasına səbəb olur. Yerin istənilən yerində xalis isitmə, gələn günəş işığı ilə Yerin kosmosa geri qaytardığı istilik miqdarı arasındakı fərqdir (bu enerji mübadiləsi haqqında daha çox məlumat üçün səhifə 4-ə baxın). Tropiklərdə xalis enerji artığı var, çünki alınan günəş işığı miqdarı yayılan istilik miqdarından daha böyükdür. Bununla birlikdə, qütb bölgələrində, illik enerji kəsiri var, çünki kosmosa yayılan istilik miqdarı udulmuş günəş işığından daha böyükdür.

Bu xalis radiasiya xəritəsi (daxil olan günəş işığı əks olunan işıq və çıxan istilik), bərabərləşmə ayı olan sentyabr 2008-ci ildə qlobal enerji balanssızlığını göstərir. Ekvator ətrafındakı sahələr kvadrat metrə orta hesabla təxminən 200 vatt (portağal və qırmızı) əks olunduğundan və ya yayıldığından daha çox əmilir. Qütblərə yaxın ərazilər, mənimsədiklərindən kvadrat metrə (yaşıl və mavi) təxminən 200 vat daha çox əks olundu və / və ya yayıldı. Orta enliklər təxminən tarazlıqda idi. (CERES məlumatlarına əsaslanan Robert Simmon tərəfindən NASA xəritəsi.)

Ekvator və qütblər arasındakı xalis istilik dengesizliği, iqlim elm adamlarının "istilik mühərriki" olaraq xarakterizə etdiyi atmosfer və okean sirkulyasiyasını hərəkətə gətirir. & # 8221 (Gündəlik təcrübəmizdə mühərrik sözünü avtomobillərlə əlaqələndiririk, amma bir elm adamına, mühərrik enerjini hərəkətə çevirən hər hansı bir cihaz və ya sistemdir.) İqlim atmosferi və okeanın hərəkətini təmin etmək üçün istilik enerjisindən istifadə edən bir mühərrikdir. Buxarlanma, konveksiya, yağış, küləklər və okean axınları bütün bunlar Yerin istilik mühərrikinin bir hissəsidir.


2 Mantı İstilik İtkisi varyasyonlarının qiymətləndirilməsi

Bu gün üçün Yerin ümumi səthindəki istilik itkisinin 46 TW olduğu təxmin edilir. Bunun 29 TW-i okean qabığının soyumasına (bundan sonra “okean istilik itkisi”) aiddir, 3 TW şüalar vasitəsilə səthə çatdırılır və 14 TW qitələrdən istilik itkisini təmsil edir (Jaupart və s., 2015). 14 TW-nin kontinental komponenti, kontinental qabıq və litosferdə istehsal olunan 8 TW radiogenik istiliyi əhatə edir. Burada mantiyadan okean və kontinental litosferdən keçən istilik axınındakı dəyişiklikləri qiymətləndiririk (hal-hazırda 35 TW 3 TW şüa istilik axını genişləndirilmiş metodlar hissəsindəki təsvirə əsasən ayrı-ayrılıqda müalicə olunur, mətn S1-i dəstəkləyir). Xüsusilə okean istilik itkisinə diqqət yetiririk, çünki həm ən böyük komponentdir, həm məkanda, həm də zamanında böyük dəyişikliklər göstərir və birbaşa keçmiş dənizin tektonik rekonstruksiyalarından hesablana bilər.

Okean istilik itkisini hesablayırıq (Qokean) Hasterok'un (2013) yaş-istilik axını əlaqəsini (Mətn S1-ə baxın) mantodan Karlsen və b. üsulu ilə yaradılan 400 Ma-ya qədər uzanan paleo-seafloor yaş şəbəkələrinə tətbiq edin. (2020). Bu yaş ızgaralarını yaratmaq üçün istifadə olunan lövhə yenidənqurma işləri, Matthews et al. (2016), Torsvik və digərlərindən sonra Sakit Okean üçün düzəlişləri ehtiva edir. (2019). Qitə litosferi vasitəsilə mantiya istilik itkisi (Qdavam) qitə sahəsinə bərabər şəkildə yayılmış 6 TW olaraq qəbul edilir. Qeyd edək ki, bu, qabıqda və litosferik mantiyada 8 TW radiogenik istilik istehsalını istisna edir (Jaupart və digərləri, 2015). Qitələr arasındakı mantiya istilik itkisi (T6 TW) zamanla dəyişə bilsə də, dəyişmələrin amplitüdləri, okean istilik axınının dörd qatından çox (indiki dövrdə ∼29 TW) ilə müqayisədə kiçikdir. Son 400 Myr-i əhatə edən qlobal istilik itkisi şəbəkələrinin anlıq şəkilləri Şəkil 1a-da göstərilmişdir. Güclü zamandan asılılığa diqqət yetirin və Yerin mantiyasından bugünkü istilik itkisi keçmişdə ∼15 TW-a qədər yüksək olan 400-0 Ma müddət ərzində mütləq minimumu təmsil edir (Şəkil 1b). Bu dəyişikliklər dəniz səthinin yaş bölgüsü bölgəsindəki dəyişikliklərdən qaynaqlanır (Şəkil 1c), superkontinent dövrü ərzində dənizin dağılımı və subduksiyası nisbətlərinin dalğalanmasından qaynaqlanır (məs., East et al., 2020 Karlsen et al.). , 2019 a). Bu, uzun müddətli bir seriyanın (ideal olaraq tam bir superkontinental dövrü əhatə edən) istilik axınının uzunmüddətli orta dəyərlərini möhkəm bir şəkildə çıxarmaq ehtiyacını vurğulayır. Dəniz qatının 400 Myr yenidən qurulmasına əsasən, okean istilik itkisi üçün vaxt ortalamasını 36.6 TW (Şəkil 1b) olaraq qiymətləndiririk ki, bu da ∼29 TW-dan bugünkü dəyərdən ∼25% çoxdur (Şəkil 1b) . Günümüzdə okean istiliyində ən aşağı istilik axını daha əvvəl də qeyd edilmişdi, baxmayaraq ki, əhəmiyyətli dərəcədə qısamüddətli tarixlərə əsaslanır (Crameri və digərləri, 2019 Loyd və digərləri, 2007).

Zamanla inteqrasiya olunmuş səth istilik itkisindəki məkan dəyişikliklərini araşdırmaq üçün son 400 Myr ərzində yığılmış ümumi istilik itkisini hesabladıq (Şəkil 2a və 2b). Nəticələrimiz göstərir ki, bir neçə yüz milyon illik zaman miqyasında belə, mantodan istilik itkisi vahid formada deyil. Məsələn, Sakit okeanın iri aşağı sürətli əyalət (JLSVP) “Jason” u əhatə edən bölgəsi, Afrika TSSP-nin üstündəki bölgədən “Tuzo” ilə müqayisədə 2-3 dəfə çox istilik itirdi (şəkil 2b). Bu, qismən qitə kütlələrinin zamandan asılı paylanmasına və Panqeyanın altındakı mantiyanı izolyasiya edən, lakin okean litosferinin velosiped sürüşü yolu ilə Sakit Okeanı daha sürətli soyumağa “məruz qoyan” Tuzo üzərindəki Panqeyanın birləşməsinə və qismən də israrla bağlıdır. Jason üzərində yerləşdirilmiş sürətli yayılmış silsilə sistemlərinin (indi Şərqi Pasifik Rise). Ancaq unutmayın ki, Sakit-Pantalass Okeanındakı silsilələrin mövqeyi Ma150 Ma (Torsvik və s., 2019) əvvəl tamamilə verilmişdir, bu məhdudiyyətə daha sonra qayıdacağıq.

Sakit okean mantiyası domeni son 400 Myr müddətində Afrikadan xeyli çox istilik itirdi. (a) Son 400 Myr ərzində yığılmış mantiya istilik itkisi (okean + kontinental). Pasifik və Afrika LLSVP-lərindən yuxarı bölgələr (Jason və Tuzo), kənarları Torsvik və s. (2010), mavi və narıncı xəttlərdən istifadə edərək göstərilir. Qırıq, açıq rəngli meridianlar Sakit okean və Afrika yarımkürələrinin ayrıldığını göstərir. (b) Ekvator dilimi (magenta xətti) istilik itkisindəki uzununa dəyişiklikləri göstərir və ekvatorun 30 ° -dən bir bölgəsindən orta qiymətlər (qara xətt) daha hamar dəyişikliklər göstərir. Barlar LLSVP-lərin təqribən indiki mövqelərini Jason və Tuzo ilə Pangeanın keçmiş mövqeyini göstərir.


Mündəricat

Yerə və yerdən enerjinin nəhəng köçürülməsinə baxmayaraq, nisbətən sabit bir temperatur saxlayır, çünki bütövlükdə xalis qazanc və ya itki azdır: Yer atmosfer və quru radiasiya ilə (daha uzun elektromaqnit dalğa uzunluqlarına keçərək) kosmosa yayılır. izolyasiya yolu ilə aldığı enerji ilə eyni miqdarda (elektromaqnit şüalanmanın bütün formaları).

Yer kürəsini ölçmək üçün istilik büdcəsi və ya istilik balansı, müşayiət olunan şəkildə göstərildiyi kimi, atmosferin üst hissəsində alınan izolyasiya 100 vahid olsun (100 vahid = günəşə baxan hər kvadrat metr üçün təxminən 1360 vatt). Yerin albedosu adlandırılan 35-ə yaxın vahid yenidən kosmosa əks olunur: 27-si buludların zirvəsindən, 2-si qar və buzla örtülü ərazilərdən, 6-sı atmosferin digər hissələri tərəfindən. Qalan 65 vahid udulur: 14 atmosfer daxilində və 51 yer səthi tərəfindən. Bu 51 vahid yer üzündə şüalanma şəklində kosmosa yayılır: 17 birbaşa kosmosa yayılır və 34 atmosfer tərəfindən udulur (19 gizli kondensasiya istiliyi ilə, 9 konveksiya və qarışıqlıq yolu ilə və 6 birbaşa udulur). Atmosfer tərəfindən mənimsənilən 48 vahid (yerdəki radiasiyadan 34 vahid, izolyasiyadan 14 vahid) nəhayət yenidən kosmosa yayılır. Bu 65 vahid (yerdən 17 və atmosferdən 48) yer üzündə sıfır xalis enerji qazanmağı təmin etmək üçün günəşdən əmələ gələn 65 birliyi tarazlaşdırır. [6]

Gələn parlaq enerji (qısa dalğa) Düzenle

Yer atmosferinin üst hissəsində (TOA) saniyədə alınan enerjinin ümumi miqdarı vat ilə ölçülür və Yerin kəsik sahəsinin radiasiyaya uyğun gəldiyi günəş sabitliyi ilə verilir. Kürənin səth sahəsi kürənin kəsik sahəsindən (yəni dairənin sahəsi) dörd qat çox olduğundan, orta TOA axını günəş sabitinin dörddə biri və təxminən 340 W / m 2-dir. [1] [7] Absorbsiya yeri ilə yanaşı, gündüz, mövsümi və illik dəyişiklikləri ilə də dəyişdiyindən, verilən rəqəmlər uzun müddətli ortalamalardır, ümumiyyətlə çoxsaylı peyk ölçmələrindən. [1]

Dünya tərəfindən orta hesabla 340 W / m 2 günəş radiasiyası qəbul edildi

77 W / m 2 buludlar və atmosfer tərəfindən yenidən kosmosa əks olunur

23 W / m 2 albedo səthi ilə əks olunur

Yerin enerji büdcəsinə 240 W / m 2 günəş enerjisi girişi. Bu, Yer kürəsinə 0.306 ortalama xalis albedo (xüsusən Bond albedosu) verir. [1]

Yerin daxili istiliyi və digər kiçik təsirləri Düzenle

Yerin daxili hissəsindən çıxan geotermik istilik axınının 47 teravatt olduğu təxmin edilir [8] və radiogenik istilik ilə Yerin əmələ gəlməsindən qalan istilik arasında təxminən bərabər şəkildə bölünür. Bu, 173,000 terawatt gələn günəş radiasiyasının üstünlük təşkil etdiyi səthdə Yerin ümumi büdcəsinin yalnız 0,027% -ni təmsil edən 0,087 watt / kvadrat metrdir. [9]

İnsan enerjisi istehsalı daha da azdır, təxmin edilən 18 TW. [ alıntıya ehtiyac var ]

Fotosintez daha böyük təsirə malikdir: fotosentetik effektivlik günəş işığının təsirli bitkilərinin% 2-nə qədərini biokütləyə çevirir. İlkin enerjinin 100 - 140 [10] TW (və ya təxminən% 0.08), fotosintezlə tutulur və bitkilərə enerji verir. [ aydınlığa ehtiyac var ]

Planetalararası toz və günəş küləyinin yığılması, Günəş xaricindəki ulduzların işığı və kosmosdan gələn istilik radiasiyası da daxil olmaqla digər kiçik enerji mənbələri nəzərə alınmır. Bundan əvvəl Joseph Fourier, istixana effekti haqqında ilk olaraq göstərilən bir sənəddə dərin kosmik radiasiyanın əhəmiyyətli olduğunu iddia etmişdi. [11]

Uzun dalğalı radiasiya Düzəliş edin

Uzun dalğalı radiasiya ümumiyyətlə planetdən çıxan infraqırmızı enerji olaraq təyin olunur. Bununla birlikdə, atmosfer əvvəlcə hissələri hiss edir və ya bulud örtüyü radiasiyanı əks etdirə bilər. Ümumiyyətlə, istilik enerjisi planetin səth təbəqələri (quru və okean) arasında atmosferə nəql edilir, buxarlanma və gizli istilik axınları və ya keçiricilik / konveksiya prosesləri ilə nəql olunur. [1] Nəhayət, enerji yenidən dalğa infraqırmızı radiasiya şəklində kosmosa yayılır.

Son peyk müşahidələri səthə uzun dalğa axınının artımlarını əvəzləşdirərək buxarlanma yolu ilə səthi tərk edən enerjinin artması (gizli istilik axını) ilə davam edən əlavə yağıntıları göstərir. [12]

Gələn enerji axını gedən enerji axınına bərabər deyilsə, xalis istilik planetə əlavə olunur və ya itirilir (daxil olan axın müvafiq olaraq gedəndən daha böyük və ya kiçikdirsə). Nəşr üçün qəbul edilmiş bir iş Geofiziki Tədqiqat Məktubları (İyun 2021) bildirdi ki, peyk və yerində müşahidələr müstəqil olaraq Yerin Enerji Dengesizliğinin təxminən iki qat artdığını göstərir]] 2005-ci ilin ortalarından 2019-cu ilin ortalarına. [13]

Dolayı ölçmə Düzəliş et

Yer radiasiya büdcəsindəki bir tarazlığın pozulması iqlim sisteminin komponentlərinin vaxt keçdikcə istiliyi dəyişdirməsini tələb edir. Okean təsirli bir günəş enerjisidir və atmosferə nisbətən daha çox istilik tutumuna malikdir. Temperaturun dəyişməsinin ölçülməsi çox çətindir, çünki ARGO ölçmələrinin qısa müddət ərzində milliqradlara uyğundur. Zamanla okean istilik məzmununun dəyişməsi (OHC), zaman keçdikcə temperatur anomaliyası ilə eyni ölçüdür.

Yerin enerji tarazlığı Argo süzülməsi ilə temperatur anomaliyasının ölçülməsi və ya ekvivalent olaraq, okean istiliyinin yığılması ilə ölçülə bilər. 2005-2014-cü illər ərzində şimal tropikdən kənar okeanda və tropik okeanda okean istiliyi dəyişməz qalmışdır. Okeanda istilik miqdarı yalnız tropikdən kənar cənub okeanında artdı. [ alıntıya ehtiyac var ] Tropikdən kənar cənub okeanında okean istiliyinin artması ilə üzləşməsinin məlum bir səbəbi yoxdur, okean istilik miqdarı ölçülən okeanın əsas hissəsi üzərində sabit qalır. Ölçmə təcili olaraq həm uzunmüddətli ölçmələr, həm də alternativ metodla təsdiqlənmə tələb edir. Argo şamandıra ölçməsinin okean istiliyi anomaliyasının təxminən 3x10 22 joul və ya doqquz illik dövrdə təqribən üç gün aşırı günəş yalıtımı və ya daha az olduğunu qeyd etmək faydalıdır.

Doqquz il ərzində günəş izolyasiyasının% 0,1 dəyişməsi. [ alıntıya ehtiyac var ]

Birbaşa ölçü Düzenle

Bir neçə peyk Yer kürəsi tərəfindən udulan və yayılan enerjini və beləliklə enerji dengesizliğini çıxarmaqla birbaşa ölçür. NASA Yer Radiasiya Büdcə Təcrübəsi (ERBE) layihəsi bu cür üç peykdən ibarətdir: Oktyabr 1984-cü ildə başlanan NOAA-9, 1984-cü ilin dekabrında və NOAA-10-da, 1986-cı ildə sentyabrda başladılan Yer Radiasiya Büdcə Peyki (ERBS). [14]

NASA-nın Buludları və Yerin Parlaq Enerji Sistemi (CERES) alətləri 1998-ci ildən bəri NASA-nın Yer Müşahidə Sisteminin (EOS) bir hissəsidir. CERES həm günəşə əks olunan (qısa dalğa uzunluğu) həm də yerdən çıxan (uzun dalğa uzunluğu) radiasiyanı ölçmək üçün nəzərdə tutulmuşdur. [15] Tədqiqatçılar CERES, AIRS, CloudSat, LandSat və digər EOS cihazlarının məlumatlarını müşahidə olunan enerji dengesizliği içərisinə yerləşdirilmiş antropogen şüalanma məcburiyyətinin meyllərini axtarmaq üçün istifadə etdilər. 2003-2018-ci illərdə +0,53 W m −2 (+/- 0,11 W m −2) artımını əks olunan qısa dalğalı şüalanmanın azalmasından təxminən 20%, qalanını isə azalmadan göstərən bir model təqdim etdilər. gedən uzun dalğa boyu radiasiya. [16] [17] [18]

Əsas atmosfer qazları (oksigen və azot) daxil olan günəş işığı üçün şəffafdır, eyni zamanda çıxan termal (infraqırmızı) radiasiya üçün şəffafdır. Bununla birlikdə, su buxarı, karbon dioksid, metan və digər iz qazları istilik radiasiyasının bir çox dalğa boyu qeyri-şəffafdır. Yer səthi daxil olan günəş enerjisinin yüzdə 17-nin xalis ekvivalentini istilik infraqırmızı şəklində yayır. Bununla birlikdə birbaşa kosmosa qaçan miqdar daxil olan günəş enerjisinin yalnız yüzdə 12-sidir. Qalan hissə, yüzdə 5-dən 6-ya qədər olan atmosfer, istixana qaz molekulları tərəfindən udulur. [19]

İstixana qaz molekulları istilik infraqırmızı enerjisini mənimsədikdə, onların temperaturu yüksəlir. Bu qazlar daha sonra hər tərəfə artan miqdarda istilik infraqırmızı enerjisi yayır. Yuxarıya doğru yayılan istilik, istixana qaz molekulları ilə qarşılaşmağa davam edir, bu molekullar istiliyi də absorbe edir və istilikləri yüksəlir və yaydıqları istilik miqdarı artır. Atmosfer hündürlüklə seyrəlir və təxminən 5-6 kilometr məsafədə, atmosferdəki istixana qazlarının konsentrasiyası o qədər incədir ki, istilik kosmosa çıxa bilər. [19]

İstixana qaz molekulları hər tərəfə infraqırmızı enerji yaydığından, bir hissəsi aşağıya doğru yayılır və nəticədə udulmuş olduğu yer səthinə qayıdır. Beləliklə, Yerin səthindəki istilik yalnız birbaşa günəş istiləşməsi ilə qızdırıldığından daha yüksəkdir. Bu əlavə istilik təbii istixana effektidir. [19] It is as if the Earth is covered by a blanket that allows high frequency radiation (sunlight) to enter, but slows the rate at which the low frequency infrared radiant energy emitted by the Earth leaves.

A change in the incident radiated portion of the energy budget is referred to as a radiative forcing.

Climate sensitivity is the steady state change in the equilibrium temperature as a result of changes in the energy budget.

Climate forcings and global warming Edit

Climate forcings are changes that cause temperatures to rise or fall, disrupting the energy balance. Natural climate forcings include changes in the Sun's brightness, Milankovitch cycles (small variations in the shape of Earth's orbit and its axis of rotation that occur over thousands of years) and volcanic eruptions that inject light-reflecting particles as high as the stratosphere. Man-made forcings include particle pollution (aerosols) that absorb and reflect incoming sunlight deforestation, which changes how the surface reflects and absorbs sunlight and the rising concentration of atmospheric carbon dioxide and other greenhouse gases, which decreases the rate at which heat is radiated to space.

A forcing can trigger feedbacks that intensify (positive feedback) or weaken (negative feedback) the original forcing. For example, loss of ice at the poles, which makes them less reflective, causes greater absorption of energy and so increases the rate at which the ice melts, is an example of a positive feedback. [20]

The observed planetary energy imbalance during the recent solar minimum shows that solar forcing of climate, although natural and significant, is overwhelmed by anthropogenic climate forcing. [21]

In 2012, NASA scientists reported that to stop global warming atmospheric CO2 content would have to be reduced to 350 ppm or less, assuming all other climate forcings were fixed. The impact of anthropogenic aerosols has not been quantified, but individual aerosol types are thought to have substantial heating and cooling effects. [21]


Lesser Sources

Ordinary hot water is useful for energy even if it isn't suitable for generating electricity. The heat itself is useful in factory processes or just for heating buildings. The entire nation of Iceland is almost completely self-sufficient in energy thanks to geothermal sources, both hot and warm, that do everything from driving turbines to heating greenhouses.

Geothermal possibilities of all these kinds are shown in a national map of geothermal potential issued on Google Earth in 2011. The study that created this map estimated that America has ten times as much geothermal potential as the energy in all of its coal beds.

Useful energy can be obtained even in shallow holes, where the ground isn't hot. Heat pumps can cool a building during summer and warm it during winter, just by moving heat from whichever place is warmer. Similar schemes work in lakes, where dense, cold water lies on the lake bottom. Cornell University's lake source cooling system is a notable example.


3.6: Heat Budget at Earth's Surface - Geosciences

All articles published by MDPI are made immediately available worldwide under an open access license. No special permission is required to reuse all or part of the article published by MDPI, including figures and tables. For articles published under an open access Creative Common CC BY license, any part of the article may be reused without permission provided that the original article is clearly cited.

Feature Papers represent the most advanced research with significant potential for high impact in the field. Feature Papers are submitted upon individual invitation or recommendation by the scientific editors and undergo peer review prior to publication.

The Feature Paper can be either an original research article, a substantial novel research study that often involves several techniques or approaches, or a comprehensive review paper with concise and precise updates on the latest progress in the field that systematically reviews the most exciting advances in scientific literature. This type of paper provides an outlook on future directions of research or possible applications.

Editor’s Choice articles are based on recommendations by the scientific editors of MDPI journals from around the world. Editors select a small number of articles recently published in the journal that they believe will be particularly interesting to authors, or important in this field. The aim is to provide a snapshot of some of the most exciting work published in the various research areas of the journal.


Heat must be added to liquid water to make it evaporate, and when water vapor is formed, that heat is removed from the ocean and transferred to the atmosphere along with the water vapor.

When water vapor condenses into rain, that heat is then returned to the oceans.

The latent heat is normally expressed as the amount of heat (in units of joules or calories) per mole or unit mass of the substance undergoing a change of state.

For example, when a pot of water is kept boiling, the temperature remains at 100 °C (212 °F) until the last drop evaporates, because all the heat being added to the liquid is absorbed as latent heat of vaporization and carried away by the escaping vapour molecules. Similarly, while ice melts, it remains at 0 °C (32 °F), and the liquid water that is formed with the latent heat of fusion is also at 0 °C. The heat of fusion for water at 0 °C is approximately 334 joules (79.7 calories) per gram, and the heat of vaporization at 100 °C is about 2,230 joules (533 calories) per gram.


Open Research

All the data and software necessary to reproduce our results, obtained as described in Section 2, are publicly available. The plate model used can be downloaded from https://www.earthbyte.org/global-plate-boundary-evolution-and-kinematics-since-the-late-paleozoic/and the code used to calculate the seafloor age grids (Karlsen et al., 2019b ) can be downloaded from http://doi.org/10.5281/zenodo.3687548. This research was funded by the Research Council of Norway's (RCN) Centers of Excellence Project 223272 and RCN project 250111.

Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.


Videoya baxın: Büdcə anlayışı (Oktyabr 2021).