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Ich habe mich das für eine Schulzeitung gefragt, die ich schreibe.
Dies ist eine der Schlüsselfragen, die die NASA-Sonde Mars InSight zu beantworten versucht, aber sie ist erst vor kurzem angekommen und beginnt mit der Datenerfassung. Es wird eine Weile dauern, bis die Daten analysiert und in Fachzeitschriften veröffentlicht werden. Der "Maulwurf", der sich unter die Oberfläche graben und die Temperaturmessungen durchführen würde, stieß auf einige anfängliche Probleme und die NASA und die Erbauer des Instruments führten weitere Tests durch und betrachteten diese Daten, bevor sie gemäß dieser Pressemitteilung der Mission fortfuhren.
Für eine Antwort in Form einer Hausarbeit müssen Sie nicht wirklich warten, bis Mars InSight es Ihnen sagt. 15 Fuß sind tief genug, um davon ausgehen zu können, dass die Temperatur die durchschnittlich von Temperaturen an der Oberfläche.
Finden Sie also zuerst eine Grafik der Temperatur an einem typischen Mars-Frühlings- oder Herbsttag und berechnen Sie dann die Durchschnittstemperatur über die 25 Stunden. Das ist eine gute erste Vermutung.
Ich denke, dass 15 Fuß tief genug für Variationen sind das ganze Jahr über, zwischen Sommer und Winter, auch ziemlich effektiv gemittelt werden, obwohl dies etwas ist, was Sie vielleicht in Ihrer Arbeit ein wenig diskutieren möchten. Es lohnt sich, diesen Wikipedia-Artikel über Permafrost zu lesen, um zu sehen, wie die Erde ihre eigenen Tiefentemperaturen über ein Jahr durchschnittlich ermittelt.
Auf einer planetarischen Skala sind 15 Fuß in der Tat sehr flach, so dass die Wärmemenge, die vom Inneren des Mars zur Oberfläche fließt, winzig ist (dies misst die InSight-Sonde) und ich würde vorschlagen, es nur zu erwähnen, um das zu sagen du ignorierst es.
Historischer Klimawandel auf dem Mars könnte nachweisbar sein
Laut einer neuen Studie der Universität Stirling könnten historische Fälle von extremen Klimaänderungen auf dem Mars durch die Messung der unterirdischen Temperaturen nachgewiesen werden.
Experten des Planetary Ices Laboratory von Stirling, das sich an der Fakultät für Naturwissenschaften befindet, glauben, dass die Technologie, die von der Wärmeflusssonde bei der neuesten NASA-Mission zum Mars verwendet wird, in der Lage sein könnte, "große" Klimawandelereignisse der Vergangenheit zu identifizieren.
Das Team unter der Leitung von Dr. Nicholas Attree sagt, dass die Ergebnisse ihrer Forschung, die hypothetische Modellierung beinhaltete, dazu beitragen könnten, ähnliche historische Ereignisse auf der Erde zu verstehen, bei denen historische Klimaänderungen bereits in Bohrlochtemperaturmessungen verfolgt werden.
Dr. Attree und Stirling-Kollege Dr. Axel Hagermann arbeiten an der InSight-Mission der NASA, die im vergangenen November auf dem Roten Planeten landete. Die Wissenschaftler simulieren Daten der Heat Flow and Physical Properties Probe (HP3), einem Instrument des Deutschen Instituts für Planetenforschung in Berlin. Dr. Attree verwendete numerische Modelle, um die Auswirkungen abzuschätzen, die historische Klimaveränderungen auf die Wärmestrommessungen haben könnten.
Dr. Attree erklärte: „HP3 wird in den Untergrund des Mars graben und die Temperaturen und den Wärmefluss aus dem Inneren aufzeichnen. Die Größe des Wärmeflusses sagt uns über das tiefe Innere des Mars und hilft dabei, Entstehungs- und Evolutionsmodelle zu erstellen der Klimawandel dazu geführt hat, dass mehr oder weniger überschüssige Wärme im Untergrund gespeichert ist, könnte dies die Ergebnisse von HP3 beeinflussen."
Das Team betrachtete eine spezielle Situation, in der Zyklen in der Umlaufbahn des Mars dazu führen, dass seine Atmosphäre an den Polen zusammenbricht – oder einfriert. In diesen Fällen stellte das Team fest, dass die Wärmeleitfähigkeit des Marsbodens abnimmt – und sich wiederum überschüssige Wärme aufbauen könnte.
"Wir haben festgestellt, dass kleine Veränderungen, die durch den Klimawandel verursacht werden, von HP3 wahrscheinlich nicht aufgenommen werden", fuhr Dr. Attree fort. „Allerdings lassen sich möglicherweise sehr große Veränderungen erkennen – und das ist wichtig, weil wir vielleicht ähnliche Messungen auf anderen Planeten durchführen können.“
Dr. Hagermann fügte hinzu: „Wir haben gezeigt, dass nicht nur historische Veränderungen der Lufttemperatur, sondern auch Veränderungen des Luftdrucks und der Wärmeleitfähigkeit des Bodens nachweisbar sind, die auch für die Erde relevant sein könnten, wo Bohrlochtemperaturmessungen eine Rolle gespielt haben.“ ein wichtiger Teil bei der Rekonstruktion des Klimas der Vergangenheit."
Die vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt gebaute selbsthämmernde HP3-Sonde soll sich zwischen drei und fünf Meter (10 bis 16 Fuß) in den Marsboden graben – 15-mal tiefer als jede bisherige Hardware auf dem Mars –, um den Wärmefluss von der das Innere des Planeten. Durch die Kombination der Wärmeflussrate mit anderen InSight-Daten wird das Team in der Lage sein, zu berechnen, wie Energie innerhalb des Planeten Veränderungen an der Oberfläche antreibt, wie etwa die planetarische Entwicklung und die Formung von Bergen und Schluchten.
Das neueste Papier "Potential Effects of Atmosphärischer Kollaps auf den Marswärmefluss und Anwendung auf die InSight-Messungen" ist veröffentlicht in Planeten- und Weltraumwissenschaften.
Breitengrad, Längengrad und Temperatur
Die Schüler betrachten Breiten- und Längengrade auf einer Weltkarte, sagen Temperaturmuster voraus und vergleichen dann ihre Vorhersagen mit den tatsächlichen Temperaturdaten auf einer interaktiven Karte. Sie diskutieren, wie sich die Temperaturen mit dem Breitengrad ändern und die Beziehung zwischen dem Breitengrad und den allgemeinen Klimamustern.
Geowissenschaften, Geographie, Physische Geographie
Links
1. Diskutieren Sie unterschiedliche Temperaturen an verschiedenen Orten.
Aktivieren Sie das Vorwissen der Schüler, indem Sie fragen, ob die Verwandten der Schüler an Orten leben, die im Juni, Juli und August viel wärmer oder kühler sind als in der Heimatstadt der Schüler. Suchen Sie diese Orte auf einer Wandkarte oder einem Globus. Erstellen Sie auf der Tafel ein Drei-Säulen-Diagramm oder projizieren Sie das bereitgestellte. Listen Sie in der ersten Spalte die Orte auf, die die Schüler genannt haben, und schreiben Sie in die zweite Spalte, ob die Temperaturen an diesen Orten ähnlich, kühler und wärmer sind als an Ihrem Standort. Fragen: Wie würden Sie sich anders kleiden, wenn Sie diese Orte besuchen? Listen Sie in der dritten Spalte die Kleidung auf, die in den Sommermonaten für diese Orte benötigt wird. Besprechen Sie die Ideen der Schüler, warum die Temperaturen variieren könnten. Sagen Sie den Schülern, dass sie in dieser Aktivität Vorhersagen über Temperaturmuster auf der ganzen Welt machen werden.
2. Überprüfen Sie den Unterschied zwischen Längen- und Breitengraden auf einer Weltkarte.
Geben Sie jedem Schüler eine gedruckte einseitige MapMaker-Weltkarte und projizieren Sie die Karte auch von der bereitgestellten Website. Lassen Sie die Schüler auf den Unterschied zwischen Längen- und Breitengrad zeigen und erklären.
3. Erstellen Sie eine Legende, die die Temperatur anzeigt.
Schreiben Sie die Temperaturen unten an die Tafel. Stellen Sie sicher, dass die Schüler wissen, dass diese Temperaturen in Grad Fahrenheit und nicht in Grad Celsius angegeben sind. Lassen Sie die Schüler ihre Ideen für eine Farbpalette für heiße bis kalte Temperaturen einbringen. Helfen Sie ihnen, den folgenden typischen Farbbereich zu bestimmen, in dem Rot am heißesten und Violett am kältesten ist.
Violett = 30° F und darunter
blau = 40° F
grün = 50° F
gelb = 60° F
orange = 70° F
rot = 80° F und höher
4. Lassen Sie die Schüler die Durchschnittstemperaturen weltweit im Juni, Juli und August zeichnen.
Bitten Sie die Schüler, über Klima und Temperatur nachzudenken und welche Gebiete ihrer Meinung nach am wärmsten oder am kältesten sind. Geben Sie jedem Schüler sechs Buntstifte der in der Legende aufgeführten Farben und bitten Sie sie, ihre besten Vorhersagen der durchschnittlichen Temperaturen auf der ganzen Welt im Juni, Juli und August zu zeichnen. Sagen Sie den Schülern, dass der Zweck dieser Aktivität darin besteht, über Temperaturmuster auf der ganzen Welt nachzudenken, sodass ihre Vorhersagen nicht genau sind.
5. Besprechen Sie mit den Schülern, was sie gezeichnet haben und warum.
Führen Sie eine Klassendiskussion über die Karten durch. Bitten Sie die Schüler zunächst, zu erklären, was sie gezeichnet haben und wie sich die Farben auf den Breiten- und Längengrad beziehen. Lassen Sie sie dann in kleinen Gruppen arbeiten und ihre Karten mit den Karten ihrer Klassenkameraden vergleichen. Bitten Sie die Schüler schließlich, selbst zu arbeiten, um Listen mit Fragen zu erstellen, die die Aktivität für sie aufgeworfen hat.
6. Lassen Sie die Schüler ihre Karten mit einer genauen Karte der Durchschnittstemperaturen weltweit im Juni, Juli und August vergleichen.
Zeigen Sie den Schülern National Geographic MapMaker Interactive mit der ausgewählten Datenschicht, die die durchschnittlichen Oberflächenlufttemperaturen weltweit im Juni, Juli und August anzeigt. Bitten Sie die Schüler, Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen ihrer Karte und der interaktiven Karte, überraschende oder unerwartete Teile der Karte und Fragen zu beschreiben, die sie zur Karte haben.
7. Lassen Sie die Schüler das Gelernte anwenden, um zu bestimmen, wie sich Breiten- und Längengrad auf die Temperatur beziehen.
Lassen Sie die Schüler zu zweit die folgenden Fragen diskutieren und beantworten:
- Wie hängt der Breitengrad mit der Temperatur zusammen? (weiter vom Äquator = kälter)
- Wie hängt der Längengrad mit der Temperatur zusammen? (Keine Beziehung)
8. Stellen Sie sicher, dass die Schüler die Beziehung zwischen Breitengrad und allgemeinen Klimamustern verstehen.
Gruppieren Sie sich neu und diskutieren Sie die Antworten der Schüler. Stellen Sie sicher, dass die Schüler die allgemeinen Klimamuster verstehen, die mit zunehmendem Breitengrad auftreten. Erklären Sie den Schülern, dass die weiter vom Äquator entfernten Gebiete tendenziell kühler sind. Weisen Sie darauf hin, dass die allgemeinen Klimamuster aufgrund von Höhe, Meeresströmungen, Niederschlag und anderen Faktoren möglicherweise keine Ausnahmen und Abweichungen aufweisen. Lassen Sie die Schüler der Breitengradlinie von ihrem Standort nach Osten und Westen folgen, um Abweichungen auf der ganzen Welt auf diesem Breitengrad zu bestimmen.
9. Besprechen Sie mit den Schülern die Bedeutung von Breiten- und Längengrad.
Lassen Sie die Schüler erklären, warum Breiten- und Längengrade hilfreiche Kartenwerkzeuge sind. Fordern Sie sie auf zu erklären, wie Breiten- und Längengrade ihnen helfen können, bestimmte Orte zu identifizieren, und erklären Sie allgemeine Klimamuster.
Informelle Bewertung
Lassen Sie die Schüler auf einer der Umrisskarten die Längen- und Breitengrade markieren. Lesen Sie dann der Klasse die folgenden Aussagen vor und bitten Sie sie aufzuschreiben, was Sie ihrer Meinung nach tragen würden, wenn Sie wirklich an diesen Orten wären:
Schäden durch Sonnensturm auf der Erde
Wenn ein CME die Erde erreicht, verzerrt es das Magnetfeld der Erde. Da ein sich änderndes Magnetfeld elektrischen Strom induziert, beschleunigt das CME Elektronen, manchmal auf sehr hohe Geschwindigkeiten. Diese „Killerelektronen“ können tief in Satelliten eindringen, manchmal deren Elektronik zerstören und den Betrieb dauerhaft deaktivieren. Dies ist bei einigen Kommunikationssatelliten passiert.
Störungen im Erdmagnetfeld können Störungen in der Kommunikation verursachen, insbesondere bei Mobiltelefonen und drahtlosen Systemen. Tatsächlich ist mit Unterbrechungen zu rechnen, die mehrmals im Jahr während Sonnenmaximum. Änderungen des Erdmagnetfelds aufgrund von CMEs können auch Überspannungen in Stromleitungen verursachen, die groß genug sind, um Transformatoren durchzubrennen und größere Stromausfälle zu verursachen. 1989 waren beispielsweise Teile von Montreal und der Provinz Quebec in Kanada aufgrund eines großen Sonnensturms bis zu 9 Stunden lang ohne Strom. Stromausfälle aufgrund von CMEs treten eher in Nordamerika auf als in Europa, da Nordamerika näher am Magnetpol der Erde liegt, wo die durch CMEs induzierten Ströme am stärksten sind.
Neben der Änderung der Umlaufbahnen von Satelliten können CMEs auch die von ihnen gesendeten Signale verzerren. Diese Effekte können groß genug sein, um die Genauigkeit von GPS-abgeleiteten Positionen zu verringern, so dass sie die für Flugzeugsysteme erforderlichen Grenzen nicht einhalten können, die ihre Positionen bis auf 160 Fuß genau kennen müssen. Solche durch CMEs verursachten Störungen haben die Federal Aviation Administration gelegentlich gezwungen, Flüge für Minuten oder in einigen Fällen sogar für Tage einzuschränken.
Sonnenstürme setzen auch Astronauten, Passagiere in hochfliegenden Flugzeugen und sogar Menschen auf der Erdoberfläche einer erhöhten Strahlungsmenge aus. Astronauten beispielsweise sind in der Gesamtstrahlungsmenge, der sie während ihrer Karriere ausgesetzt werden können, begrenzt. Ein einziger Sonnenausbruch zum ungünstigen Zeitpunkt könnte die Karriere eines Astronauten beenden. Dieses Problem wird immer ernster, da Astronauten mehr Zeit im Weltraum verbringen. Zum Beispiel die typischen Täglich Strahlendosis an Bord der russischen Raumstation Mir entsprach etwa acht Röntgenaufnahmen des Brustkorbs. Eine der größten Herausforderungen bei der Planung der bemannten Erforschung des Mars besteht darin, einen Weg zu finden, Astronauten vor energiereicher Sonnenstrahlung zu schützen.
Abbildung 2. NOAA Space Weather Prediction Operations Center: Bill Murtagh, ein Weltraumwetter-Prognostiker, leitet einen Workshop zur Vorbereitung auf Ereignisse wie geomagnetische Stürme. (Kredit: Änderung der Arbeit durch FEMA/Jerry DeFelice)
Die Vorwarnung vor Sonnenstürmen würde uns helfen, deren störende Auswirkungen zu minimieren. Stromnetze könnten mit weniger als ihrer vollen Kapazität betrieben werden, um die Auswirkungen von Stromstößen zu absorbieren. Kommunikationsnetze könnten auf Störungen vorbereitet sein und Backup-Pläne haben. Weltraumspaziergänge könnten zeitlich festgelegt werden, um größere Sonnenausbrüche zu vermeiden. Wissenschaftler versuchen jetzt, Wege zu finden, um vorherzusagen, wo und wann Flares und CMEs auftreten werden, und ob es sich um große, schnelle Ereignisse oder kleine, langsame Ereignisse mit geringen Auswirkungen für die Erde handelt.
Die Strategie besteht darin, Veränderungen im Aussehen kleiner, aktiver Regionen und Veränderungen lokaler Magnetfelder auf der Sonne mit nachfolgenden Eruptionen in Verbindung zu bringen. Im Moment ist unsere Vorhersagefähigkeit jedoch immer noch schlecht, und daher ist die einzige wirkliche Warnung, die wir haben, das Auftreten von CMEs und Flares zu sehen. Da sich ein CME mit etwa 500 Kilometern pro Sekunde nach außen fortbewegt, bietet die Beobachtung einer Eruption mehrere Tage Warnung in der Entfernung zur Erde. Die Schwere des Aufpralls auf die Erde hängt jedoch davon ab, wie das mit dem CME verbundene Magnetfeld relativ zum Erdmagnetfeld ausgerichtet ist. Die Orientierung kann nur gemessen werden, wenn der CME an einem von uns dafür aufgestellten Satelliten vorbeifließt. Es befindet sich jedoch nur etwa eine Stunde flussaufwärts von der Erde.
Weltraumwettervorhersagen sind jetzt für Wissenschaftler und die Öffentlichkeit online verfügbar. Ausblicke werden eine Woche im Voraus gegeben, Bulletins werden herausgegeben, wenn es ein Ereignis gibt, das wahrscheinlich von Interesse für die Öffentlichkeit ist, und Warnungen und Warnungen werden veröffentlicht, wenn ein Ereignis unmittelbar bevorsteht oder bereits im Gange ist (Abbildung 2).
Zum Glück können wir ruhiger rechnen Weltraumwetter für die nächsten Jahre, seit dem letzten Sonnenmaximum, die relativ schwach war, trat 2014 auf, und Wissenschaftler glauben, dass der aktuelle Sonnenzyklus einer der am wenigsten aktiven in der jüngeren Geschichte ist. Wir erwarten, dass weitere Satelliten gestartet werden, mit denen wir feststellen können, ob CMEs auf die Erde zusteuern und wie groß sie sind. Es werden Modelle entwickelt, die es Wissenschaftlern dann ermöglichen, frühe Informationen über den CME zu verwenden, um seine wahrscheinlichen Auswirkungen auf die Erde vorherzusagen.
Die Hoffnung ist, dass die Sonnenwettervorhersage zum Zeitpunkt des nächsten Maximums einen Teil der Vorhersagefähigkeit haben wird, die Meteorologen für das terrestrische Wetter an der Erdoberfläche erreicht haben. Am schwierigsten vorherzusagen sind jedoch die größten und schädlichsten Stürme – Hurrikane auf der Erde und extreme, seltene Sturmereignisse auf der Sonne. Daher ist es unvermeidlich, dass die Sonne uns weiterhin überraschen wird.
Beispiele
Das Timing von Sonnenereignissen
Eine grundlegende Gleichung ist nützlich, um herauszufinden, wann Ereignisse auf der Sonne die Erde beeinflussen werden:
Beide Seiten teilen durch v, wir bekommen
Überprüfen Sie Ihr Lernen
Wie viele Tage würden die Teilchen brauchen, um die Erde zu erreichen, wenn die Sonnenwindgeschwindigkeit auf . erhöht würde?
Atmosphäre
4.2 Atmosphärische Stabilität
Die Luftbewegung in der Atmosphäre wird stark von der atmosphärischen Stabilität beeinflusst. Erinnern Sie sich daran, dass in einem See Stabilität auftritt, wenn höhere Temperaturen und damit eine geringere Wasserdichte in der Nähe der Seeoberfläche eine vertikale Vermischung verhindern (Abschnitt 2.2.2). In ähnlicher Weise kann der Stabilitätsgrad, der sich aus dem vertikalen Temperaturprofil der Atmosphäre ergibt, die vertikale Vermischung von Luft und den darin enthaltenen Chemikalien entweder verstärken oder unterdrücken. In einem See befindet sich die im Wesentlichen inkompressible Wassersäule in einem Zustand neutraler Stabilität, wenn das Wasser durchgehend eine konstante Temperatur hat, in der Atmosphäre hingegen tritt aufgrund der Kompressibilität der Luft neutrale Stabilität auf, wenn der tatsächlich gemessene vertikale Temperaturgradient (das tatsächliche Stornorate) ist gleich dem adiabatische Ausfallrate . Die adiabatische Abfallrate ist die Rate, mit der sich die Temperatur eines Luftpakets als Reaktion auf die mit der Höhenänderung verbundene Kompression oder Expansion ändert, unter der Annahme, dass der Prozess adiabat ist, dh kein Wärmeaustausch zwischen dem gegebenen Luftpaket und seiner Umfeld. Dies ist das gleiche Phänomen, das für die Wärme einer Reifenpumpe verantwortlich ist. Nach dem Gebrauch wird der Pumpenzylinder am Luftauslass am wärmsten, wo die höchste Kompression auftritt. (Reibung, die auch Hitze verursacht, wird gleichmäßiger entlang des Laufs verteilt.) Die adiabatische Erwärmung durch Luftkompression bewirkt eine ausreichende Temperatur, um Dieselkraftstoff in Dieselmotoren und Zunder im Slam-Rod-Feuerstarter zu entzünden (Feuerkolben). Die adiabatische Kompression ist auch weitgehend verantwortlich für die hohen Temperaturen, denen Raumfahrzeuge beim Wiedereintritt in die Atmosphäre ausgesetzt sind, mit manchmal katastrophalen Folgen, wenn das hitzeabschirmende Material beeinträchtigt ist.
4.2.1 Die trocken-adiabatische Zeitrafferrate
Die adiabatische Stornorate für a trockene Atmosphäre, das Wasserdampf enthalten kann, aber keine flüssige Feuchtigkeit in Form von Nebel, Tröpfchen oder Wolken aufweist, liegt bei etwa 9,8 °C/1000 m (5,4 °F/1000 ft). Ein Luftpaket, das in einen isolierten, aber ausdehnbaren Behälter gefüllt und um 1000 m angehoben wird, würde um 9,8 °C kälter als seine Ausgangstemperatur ( Abb. 4.5 ). Dieser experimentell bestätigte Wert ist aufgrund des atmosphärischen Druckprofils und thermodynamischer Prinzipien vorhersagbar.
Abbildung 4.5. Illustration der adiabatischen Stornorate. Wenn dieses Luftpaket um 1000 m angehoben wird, nimmt der Luftdruck ab und das Paket dehnt sich aus und kühlt sich um 9,8 °C (5,4 °F für einen Höhenanstieg von 1000 ft) ab. Unter der Annahme, dass das Paket keine Wärme verliert oder gewinnt (d. h. der Prozess ist adiabatisch), wird seine Temperatur auf seinen ursprünglichen Wert ansteigen, sobald das Paket auf seine ursprüngliche Höhe abgesenkt wird.
In Abschnitt 4.1.1, Gl. (4.1) und (4.2) wurden verwendet, um die Beziehung zwischen Luftdruck und Höhe abzuschätzen, wobei angenommen wird, dass die Temperatur mit der Höhe konstant ist. Gl. (4.1) und (4.2) können in Kombination mit Gl. (4.7) , die auf der Energieerhaltung beruht. Unter der Annahme eines adiabatischen Prozesses ist der Wärmefluss in ein aufsteigendes Luftpaket Null. Energieerhaltung erfordert, dass die mechanische (Druck-Volumen-)Arbeit der Luft bei ihrer Expansion gleich der Abnahme der inneren Energie der Luft ist, die durch das Produkt ihrer Wärmekapazität Cv (Energie pro Masseeinheit pro Grad) und die Temperaturänderung,
wo P ist Druck [M/LT 2 ], ha ist Höhe [L], ρ ist Dichte [M/L 3 ], Cv die Wärmekapazität [L 2 /(T 2 · Kelvin)] ist, und T ist die absolute Temperatur (K).
Gleichung (4.2) kann umgeordnet werden als
wobei MW das Molekulargewicht ist und R ist die Gaskonstante. (Beachten Sie, dass V/nein gleich MW/ρ.) Ableitung von Gl. (4.8) ,
Ersetzen von Gl. (4.7) und (4.10) in Gl. (4.9) gibt
Gleichung (4.11) kann umgeordnet werden als
Die Quantität (Cv · MW) ist die in Energieeinheiten pro Mol pro Grad ausgedrückte Wärmekapazität und entspricht (5/2) · R für zweiatomige Gase. So,
Es ist wichtig, die trocken-adiabatische Überschreitungsrate nicht mit der Temperaturänderungsrate mit der Höhe in einer Standardatmosphäre zu verwechseln. Letzteres stellt durchschnittliche Bedingungen in der Erdatmosphäre dar, wo auch Erwärmungs-, Misch- und nassadiabatische Prozesse ablaufen.
Die tatsächlichen Temperaturprofile basieren auf Daten, die routinemäßig von Sonden, Geräte, die Temperatur, Druck und häufig den Wasserdampfgehalt der Luft messen. Sonden werden normalerweise von Wetterballons getragen, können aber von Flugzeugen abgeworfen werden, die ihre Daten an Bodenstationen übertragen, während sie vertikal durch die Atmosphäre fliegen. Beträgt die gemessene Temperatur der Atmosphäre weniger als 9,8 °C/1000 m, wird ein Luftpaket, das zunächst eine Temperatur gleich der Umgebungsluft hat, beim Abwärtsdrücken wärmer als die Umgebungsluft ( Abb. 4.6a ) . Da es wärmer und daher weniger dicht als seine Umgebung ist, erfährt es eine Aufwärtskraft, die dazu neigt, seine ursprüngliche Höhe wiederherzustellen. (Kräfte, die durch Dichteunterschiede in einer Flüssigkeit entstehen, heißen Auftriebskräfte.) Wenn das Luftpaket nach oben gedrückt wird, nimmt seine Temperatur mit der Höhe schneller ab als die der umgebenden Luft, so dass es einen nach unten gerichteten Auftrieb erfährt, der wiederum versucht, seine ursprüngliche Höhe wieder herzustellen. Das Nettoergebnis ist, dass vertikale Luftbewegungen, wie sie mit Wirbeln verbunden sind, durch Auftriebskräfte der Atmosphäre unterdrückt werden stabil, die Stornorate wird manchmal als . bezeichnet schwacher Fehler, und der vertikale Transport von Chemikalien wird unterdrückt.
Abbildung 4.6. (a) Eine stabile Atmosphäre. Das tatsächlich gemessene Temperaturprofil der Atmosphäre nimmt mit einer Geschwindigkeit ab Weniger als die adiabatische Rate. Wenn also dieses Luftpaket nach oben gedrückt wird, vielleicht durch einen Wirbel in einer turbulenten Atmosphäre, tritt es in eine wärmere und damit weniger dichte Umgebung ein, während die Umgebung kühler und dichter wird, und sinkt wieder nach unten. Diese stabile Situation neigt dazu, vertikales Mischen zu unterdrücken. (b) Eine instabile Atmosphäre. Das gleiche in (a) abgebildete Luftpaket wird wieder nach oben geschoben. Diesmal nimmt die Temperatur der umgebenden Atmosphäre mit der Höhe schneller ab als die adiabatische Rate, der das Luftpaket folgt. Beim Aufsteigen dringt das Luftpaket in Luft ein, die immer kühler und dichter ist als es selbst und wird folglich durch den Auftrieb weiter nach oben gedrückt. Die vertikale Durchmischung wird dadurch durch instabile Bedingungen verstärkt.
Umgekehrt wird ein Luftpaket, das von seiner Anfangshöhe nach oben verdrängt wird, wärmer als seine Umgebung und steigt daher tendenziell auf ( Abb. 4.6b ). Wird das Paket nach unten gedrückt, wird es kälter als seine Umgebung und neigt daher dazu, weiter zu sinken. In diesem Fall verstärken Auftriebskräfte jede anfängliche Aufwärts- oder Abwärtsbewegung des Luftpakets und erzeugen so eine instabil Atmosphäre.
Aus der vorangegangenen Diskussion könnte abgeleitet werden, dass die Standardatmosphäre auf der Grundlage ihrer durchschnittlichen Abbruchrate stabil mit geringer vertikaler Durchmischung ist, die Troposphäre jedoch im Durchschnitt einigermaßen gut durchmischt ist. Troposphärische Vermischung tritt teilweise aufgrund der atmosphärischen Variabilität auf, obwohl weitverbreitete Bereiche stabiler Luft existieren, gibt es auch Bereiche, in denen selbst in einer trockenen Atmosphäre die tatsächliche Abfallrate die adiabatische Abfallrate überschreitet. Wie im folgenden Abschnitt beschrieben, ist Feuchtigkeit auch äußerst wichtig, um eine troposphärische Durchmischung zu verursachen.
4.2.2 Die nass-adiabatische Zeitrafferrate
Um flüssiges Wasser in Wasserdampf umzuwandeln, wird Energie in Form von Wärme benötigt. Pro Gramm Wasser, das bei 15 °C verdampft, werden 589 Kalorien aufgenommen. Durch die Verdunstung von Wasser werden so große Wärmemengen entzogen, ein Vorgang, der für schwitzende Pflanzenblätter, schwitzende Menschen und Dampfkessel wichtig ist. In der Atmosphäre kann diese Wärmeenergie anschließend bei der Kondensation von Wasserdampf zu flüssigem Wasser bei der Wolkenbildung freigesetzt werden. Wenn ein Luftpaket mit einer RH von 100 % (d. h. es befindet sich am Taupunkt) nach oben bewegt wird, führt die adiabatische Kühlung zu einem Temperaturabfall, was dazu führt, dass seine RH 100 % überschreitet und Wasser kondensiert. Die durch die Kondensation freigesetzte Wärme schwächt den adiabatischen Kühleffekt ab, wodurch das Luftpaket wärmer wird, als es bei einer trockenen adiabatischen Kühlung der Fall wäre. Die Geschwindigkeit, mit der eine adiabatische Abkühlung mit zunehmender Höhe für feuchte Luft (Luft mit Wolken oder anderen sichtbaren Feuchtigkeitsformen) auftritt, wird als bezeichnet nassadiabatische Ausfallrate , das feuchte adiabatische Ausfallrate, oder der gesättigte adiabatische Ausfallrate. Die nassadiabatische Überschreitungsrate liegt je nach Temperatur und Druck im Bereich von 3,6-5,5 °C/1000 m (2-3 °F/1000 ft). Beachten Sie, dass jede tatsächliche Temperaturverlustrate von weniger als 9,8 °C/1000 m in trockener Luft zu einer stabilen Atmosphäre führt, während eine feuchte Atmosphäre eine tatsächliche Temperaturverlustrate von weniger als 3,6-5,5 °C/1000 m aufweisen muss, um stabil zu sein.
Aus Abb. 4.7 können feuchte adiabatische Überschreitungsraten bestimmt werden, die a schräges T-Log P-Diagramm, oder adiabatisches Diagramm. Auf diesem Diagramm, trockene Adiabate sind Linien mit einer nahezu konstanten Steigung von 9,8 °C/1000 m (5,4 °F/1000 ft). Das nasse Adiabate (auch feuchter oder gesättigter Adiabat genannt) sind gekrümmt und haben Steigungen, die sich nicht nur mit der Temperatur, bei der der Adiabat entsteht, sondern auch über die Länge des Adiabats ändern. Beachten Sie, dass die nassen Adiabate bei niedrigen Temperaturen, bei denen die absolute Feuchtigkeitsmenge in gesättigter Luft gering ist, dazu neigen, sich dem Gefälle der trockenen Adiabate anzunähern (siehe Tabelle 4.3 ).
Abbildung 4.7. Eine Schräglage T-Log P Diagramm oder adiabatisches Diagramm. Auf diesem Diagramm sind alle Temperatur-Höhen-Linien für trockene Bedingungen (dh keine Kondensation von Wasserdampf) nahezu gerade Linien mit einer Steigung, die der adiabatischen Trockenzeitrate von 9,8 °C/1000 m (5,4 °F/1000 ft) entspricht. . Diese werden trockene Adiabate genannt und neigen nach links aufwärts. Nasse Adiabats haben eine variable Neigung und erscheinen als gekrümmte Linien. Horizontale Linien bezeichnen Höhenlinien mit konstanter Temperatursteigung nach rechts oben.
Häufig müssen beide Arten von Adiabaten eingesetzt werden, um das Verhalten eines aufsteigenden Luftpakets zu verfolgen. Ein Paket trockener Luft kann durch seinen eigenen Auftrieb aufsteigen oder durch orographisches Heben, die auftritt, wenn Winde auf Berge treffen und nach oben abgelenkt werden. Die Temperatur des Luftpakets folgt dem trockenen Adiabat bis zur einsetzenden Wasserdampfkondensation bei weiterer Abkühlung kann es zu Kondensation kommen. Wenn davon ausgegangen wird, dass Unterkühlung (eine Ungleichgewichtssituation, in der Luft ohne Kondensation unter den Taupunkt abkühlt) nicht auftritt, bewegt sich das Luftpaket dann nach dem entsprechenden nassen Adiabat nach oben. Bedingte Stabilität bezeichnet Bedingungen, unter denen trockene, stabile Luft bis zum Taupunkt nach oben gedrückt wird und dadurch instabil wird.
Bei der Bildung der geschwollenen Schönwetterwolken, bekannt als Kumuluswolken, die solare Erwärmung des Bodens erwärmt die angrenzende Luft, und Blasen dieser erwärmten Luft steigen aufgrund des Auftriebs auf, wobei ihre Temperatur mit der Höhe entsprechend der trocken-adiabatischen Abklingrate abnimmt ( Abb. 4.8 ). In der Höhe, in der der Taupunkt erreicht ist und die Kondensation beginnt, bildet sich eine Wolke, und die Stabilität der Luft nimmt ab, wenn die Luft beginnt, einem feuchten Adiabat zu folgen. Instabilität kann zu einer starken vertikalen Entwicklung der Wolke und starken Aufwärtsströmungen innerhalb der Wolke führen. An heißen Sommertagen kann dies zu einem Gewitter am späten Nachmittag führen.
Abbildung 4.8. Cumuluswolkenbildung. Die Schritte I-III veranschaulichen die Erwärmung der oberflächennahen Luft bei der Erwärmung des Bodens durch die Sonne und das anschließende Aufsteigen der erwärmten Luftblase (a Thermal- im Sprachgebrauch von Segelfliegern und Segelfliegern). In Schritt IV erreicht die aufsteigende Luftblase ihren Taupunkt und es beginnt sich eine Wolke zu bilden. Danach kühlt die aufsteigende Luft mit einer nass-adiabatischen Ablaufgeschwindigkeit ab, die geringer ist als die trocken-adiabatische Ablaufgeschwindigkeit, und verstärkt die Tendenz der Luft, weiter aufzusteigen.
Beispiel 4.2
An einem Sommernachmittag hat die Luft, die über einem gepflügten Feld 1000 m über dem Meeresspiegel erhitzt wird, eine Temperatur von 25 °C und eine relative Luftfeuchtigkeit von 80 %. Ab welcher Höhe beginnt die aufsteigende Luft eine Wolke zu bilden? Wie hoch ist die Lufttemperatur 2000 m über der Wolkenuntergrenze (innerhalb der Wolke)? Wie hoch ist die durchschnittliche nassadiabatische Überschreitungsrate in diesem Teil der Wolke?
Wie in Tabelle 4.3 gezeigt, beträgt der Dampfdruck von Wasser bei 25 °C 23,8 mm Hg. Daher beträgt der Partialdruck von Wasserdampf in Luft bei 25 °C und 80 % r.F.
Die Kondensation beginnt, wenn die Luft auf eine Temperatur abgekühlt wird, bei der der Dampfdruck von Wasser 19 mm Hg beträgt (aus Tabelle 4.3, ungefähr 21 °C).
Verwenden Sie Abb. 4.7 , beginnend bei 25 °C und 1000 m, und folgen Sie dem Gefälle der trockenen Adiabate, bis das Luftpaket 21 °C erreicht, was in einer Höhe von ungefähr 1500 m auftritt. (Streng genommen muss es noch etwas abkühlen, da durch die Ausdehnung der aufsteigenden Luft der Partialdruck des Wassers etwas abnimmt.) Danach folgt die Luft einem feuchten Adiabat auf 3500 m (2000 m über der Wolkenuntergrenze) die Temperatur beträgt etwa 12 °C. Die durchschnittliche nassadiabatische Überschreitungsrate in den unteren 2000 m der Wolke beträgt daher 9 °C/2000 m bzw. 4,5 °C/1000 m.
4.2.3 Mischhöhe
Viele gängige meteorologische Prozesse beeinflussen die tatsächliche Ausfallrate und damit die Stabilität der Atmosphäre. Sogar der tägliche Zyklus von Tageserwärmung durch die Sonne und Nachtabkühlung erzeugt Perioden der Instabilität und Stabilität in der Atmosphäre. Wie bereits erwähnt, erwärmt die Sonneneinstrahlung tagsüber den Boden, was wiederum die Luft in der Nähe der Bodenoberfläche erwärmt. Diese Luft neigt dazu, durch Auftriebskräfte aufzusteigen, bis sie eine Höhe erreicht, in der ihre Temperatur und damit ihre Dichte gleich der der umgebenden Luft sind. Diese Höhe wird als bezeichnet Mischhöhe zwischen dieser Höhe und dem Boden liegt eine Luftschicht (oft als bezeichnet). Grenzschicht ), in dem die atmosphärische Vermischung durch Auftrieb unterstützt wird. Die Mischungshöhe für einen gegebenen Ort kann aus einer einfachen grafischen Konstruktion abgeleitet werden, in der das tatsächliche atmosphärische Temperaturprofil von einer Linie geschnitten wird, die von der Oberflächentemperatur ausgeht und eine Steigung gleich der adiabatischen Abklingrate hat. Wenn städtische Luftqualitätsstudien durchgeführt werden, aber nur ein ländliches atmosphärisches Temperaturprofil verfügbar ist, kann eine Schätzung der städtischen Oberflächentemperatur durch Erhöhung der ländlichen Oberflächentemperatur um 5 °C vorgenommen werden ( Abb. 4.9 ).
Abbildung 4.9. Die Mischhöhe in Städten wird grafisch geschätzt, wobei ein gemessenes Temperaturprofil aus einem nahe gelegenen ländlichen Gebiet verwendet wird. Es wird davon ausgegangen, dass die oberen Teile dieses 1200 GMT (700 EST) Profils sowohl für die Schätzungen der Mischungshöhe am Morgen als auch am Nachmittag gelten. Die Korrektur der städtischen Oberflächentemperatur um 5 °C zur ländlichen Oberflächentemperatur ergibt eine etwas höhere morgendliche Durchmischungshöhe als bei Verwendung der ländlichen Oberflächentemperatur. Die maximale Oberflächentemperatur am Nachmittag (Tmax) im Stadtgebiet wird verwendet, um die maximale Durchmischungshöhe tagsüber abzuschätzen.
Nachts senkt die Abkühlung der Landoberfläche die Temperatur der bodennahen Luft und verringert die tatsächliche Temperaturverlustrate, was in vielen Fällen zu einer Umkehrung, eine Atmosphärenschicht, in der die tatsächliche Abfallrate negative Luft ist, wird mit zunehmender Höhe wärmer. Die nächtliche Inversionsentwicklung wird durch klaren Himmel begünstigt, der wenig langwellige Strahlung nach unten abstrahlt, um den Wärmeverlust durch langwellige Strahlung von der Erdoberfläche nach oben auszugleichen. Nächtliche Inversionen fangen Schadstoffchemikalien in einer stabilen Atmosphärenschicht ein und führen zu einer geringeren Luftqualität in Bodennähe. Diagramme, die die Auswirkungen der atmosphärischen Stabilität auf eine Rauchsäule von Schornsteinemissionen zeigen, sind in Abb. 4.10 dargestellt.
Abbildung 4.10. Schadstoffemissionen aus einem Schornstein, einer typischen kontinuierlichen Quelle, unter verschiedenen meteorologischen Bedingungen. Die trocken-adiabatische Überschreitungsrate wird als gestrichelte Linie und die tatsächlich gemessene Überschreitungsrate als durchgezogene Linie in den linken Feldern dargestellt. Die vertikale Durchmischung ist am stärksten, wenn die adiabatische Überschreitungsrate geringer ist als die tatsächlich gemessene Überschreitungsrate und die Atmosphäre instabil ist (oben). Ein schwacher Versatz, der die Existenz einer stabilen Atmosphäre widerspiegelt, führt zu einer geringeren vertikalen Vermischung. An inversion, in the third panel from the top and in part of the last three panels, results in a highly stable atmospheric layer in which relatively little vertical mixing occurs.
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Thermal radiation is the emission of electromagnetic waves from all matter that has a temperature greater than absolute zero. [3] Thermal radiation reflects the conversion of thermal energy into electromagnetic energy. Thermal energy is the kinetic energy of random movements of atoms and molecules in matter. All matter with a nonzero temperature is composed of particles with kinetic energy. These atoms and molecules are composed of charged particles, i.e., protons and electrons. The kinetic interactions among matter particles result in charge acceleration and dipole oscillation. This results in the electrodynamic generation of coupled electric and magnetic fields, resulting in the emission of photons, radiating energy away from the body. Electromagnetic radiation, including visible light, will propagate indefinitely in vacuum.
The characteristics of thermal radiation depend on various properties of the surface from which it is emanating, including its temperature, its spectral emissivity, as expressed by Kirchhoff's law. [3] The radiation is not monochromatic, i.e., it does not consist of only a single frequency, but comprises a continuous spectrum of photon energies, its characteristic spectrum. If the radiating body and its surface are in thermodynamic equilibrium and the surface has perfect absorptivity at all wavelengths, it is characterized as a black body. A black body is also a perfect emitter. The radiation of such perfect emitters is called black-body radiation. The ratio of any body's emission relative to that of a black body is the body's emissivity, so that a black body has an emissivity of unity (i.e., one).
Absorptivity, reflectivity, and emissivity of all bodies are dependent on the wavelength of the radiation. Due to reciprocity, absorptivity and emissivity for any particular wavelength are equal – a good absorber is necessarily a good emitter, and a poor absorber is a poor emitter. The temperature determines the wavelength distribution of the electromagnetic radiation. For example, the white paint in the diagram to the right is highly reflective to visible light (reflectivity about 0.80), and so appears white to the human eye due to reflecting sunlight, which has a peak wavelength of about 0.5 micrometers. However, its emissivity at a temperature of about −5 °C (23 °F), peak wavelength of about 12 micrometers, is 0.95. Thus, to thermal radiation it appears black.
The distribution of power that a black body emits with varying frequency is described by Planck's law. At any given temperature, there is a frequency fmax at which the power emitted is a maximum. Wien's displacement law, and the fact that the frequency is inversely proportional to the wavelength, indicates that the peak frequency fmax is proportional to the absolute temperature T of the black body. The photosphere of the sun, at a temperature of approximately 6000 K, emits radiation principally in the (human-)visible portion of the electromagnetic spectrum. Earth's atmosphere is partly transparent to visible light, and the light reaching the surface is absorbed or reflected. Earth's surface emits the absorbed radiation, approximating the behavior of a black body at 300 K with spectral peak at fmax. At these lower frequencies, the atmosphere is largely opaque and radiation from Earth's surface is absorbed or scattered by the atmosphere. Though about 10% of this radiation escapes into space, most is absorbed and then re-emitted by atmospheric gases. It is this spectral selectivity of the atmosphere that is responsible for the planetary greenhouse effect, contributing to global warming and climate change in general (but also critically contributing to climate stability when the composition and properties of the atmosphere are not changing).
The incandescent light bulb has a spectrum overlapping the black body spectra of the sun and the earth. Some of the photons emitted by a tungsten light bulb filament at 3000 K are in the visible spectrum. Most of the energy is associated with photons of longer wavelengths these do not help a person see, but still transfer heat to the environment, as can be deduced empirically by observing an incandescent light bulb. Whenever EM radiation is emitted and then absorbed, heat is transferred. This principle is used in microwave ovens, laser cutting, and RF hair removal.
Unlike conductive and convective forms of heat transfer, thermal radiation can be concentrated in a tiny spot by using reflecting mirrors, which concentrating solar power takes advantage of. Instead of mirrors, Fresnel lenses can also be used to concentrate radiant energy. (In principle, any kind of lens can be used, but only the Fresnel lens design is practical for very large lenses.) Either method can be used to quickly vaporize water into steam using sunlight. For example, the sunlight reflected from mirrors heats the PS10 Solar Power Plant, and during the day it can heat water to 285 °C (558 K 545 °F).
Surface effects Edit
Lighter colors and also whites and metallic substances absorb less of the illuminating light, and as a result heat up less but otherwise color makes little difference as regards heat transfer between an object at everyday temperatures and its surroundings, since the dominant emitted wavelengths are nowhere near the visible spectrum, but rather in the far infrared. Emissivities at those wavelengths are largely unrelated to visual emissivities (visible colors) in the far infra-red, most objects have high emissivities. Thus, except in sunlight, the color of clothing makes little difference as regards warmth likewise, paint color of houses makes little difference to warmth except when the painted part is sunlit.
The main exception to this is shiny metal surfaces, which have low emissivities both in the visible wavelengths and in the far infrared. Such surfaces can be used to reduce heat transfer in both directions an example of this is the multi-layer insulation used to insulate spacecraft.
Low-emissivity windows in houses are a more complicated technology, since they must have low emissivity at thermal wavelengths while remaining transparent to visible light.
Nanostructures with spectrally selective thermal emittance properties offer numerous technological applications for energy generation and efficiency, [4] e.g., for cooling photovoltaic cells and buildings. These applications require high emittance in the frequency range corresponding to the atmospheric transparency window in 8 to 13 micron wavelength range. A selective emitter radiating strongly in this range is thus exposed to the clear sky, enabling the use of the outer space as a very low temperature heat sink. [5]
Personalized cooling technology is another example of an application where optical spectral selectivity can be beneficial. Conventional personal cooling is typically achieved through heat conduction and convection. However, the human body is a very efficient emitter of infrared radiation, which provides an additional cooling mechanism. Most conventional fabrics are opaque to infrared radiation and block thermal emission from the body to the environment. Fabrics for personalized cooling applications have been proposed that enable infrared transmission to directly pass through clothing, while being opaque at visible wavelengths, allowing the wearer to remain cooler.
There are 4 main properties that characterize thermal radiation (in the limit of the far field):
- Thermal radiation emitted by a body at any temperature consists of a wide range of frequencies. The frequency distribution is given by Planck's law of black-body radiation for an idealized emitter as shown in the diagram at top.
- The dominant frequency (or color) range of the emitted radiation shifts to higher frequencies as the temperature of the emitter increases. For example, a red hot object radiates mainly in the long wavelengths (red and orange) of the visible band. If it is heated further, it also begins to emit discernible amounts of green and blue light, and the spread of frequencies in the entire visible range cause it to appear white to the human eye it is white hot. Even at a white-hot temperature of 2000 K, 99% of the energy of the radiation is still in the infrared. This is determined by Wien's displacement law. In the diagram the peak value for each curve moves to the left as the temperature increases.
- The total amount of radiation of all frequency increases steeply as the temperature rises it grows as T 4 , where T is the absolute temperature of the body. An object at the temperature of a kitchen oven, about twice the room temperature on the absolute temperature scale (600 K vs. 300 K) radiates 16 times as much power per unit area. An object at the temperature of the filament in an incandescent light bulb—roughly 3000 K, or 10 times room temperature—radiates 10,000 times as much energy per unit area. The total radiative intensity of a black body rises as the fourth power of the absolute temperature, as expressed by the Stefan–Boltzmann law. In the plot, the area under each curve grows rapidly as the temperature increases.
- The rate of electromagnetic radiation emitted at a given frequency is proportional to the amount of absorption that it would experience by the source, a property known as reciprocity. Thus, a surface that absorbs more red light thermally radiates more red light. This principle applies to all properties of the wave, including wavelength (color), direction, polarization, and even coherence, so that it is quite possible to have thermal radiation which is polarized, coherent, and directional, though polarized and coherent forms are fairly rare in nature far from sources (in terms of wavelength). See section below for more on this qualification.
Near-field and far-field Edit
The general properties of thermal radiation as described by the Planck's law apply if the linear dimension of all parts considered, as well as radii of curvature of all surfaces are large compared with the wavelength of the ray considered' (typically from 8-25 micrometres for the emitter at 300 K). Indeed, thermal radiation as discussed above takes only radiating waves (far-field, or electromagnetic radiation) into account. A more sophisticated framework involving electromagnetic theory must be used for smaller distances from the thermal source or surface (near-field thermal radiation). For example, although far-field thermal radiation at distances from surfaces of more than one wavelength is generally not coherent to any extent, near-field thermal radiation (i.e., radiation at distances of a fraction of various radiation wavelengths) may exhibit a degree of both temporal and spatial coherence. [6]
Planck's law of thermal radiation has been challenged in recent decades by predictions and successful demonstrations of the radiative heat transfer between objects separated by nanoscale gaps that deviate significantly from the law predictions. This deviation is especially strong (up to several orders in magnitude) when the emitter and absorber support surface polariton modes that can couple through the gap separating cold and hot objects. However, to take advantage of the surface-polariton-mediated near-field radiative heat transfer, the two objects need to be separated by ultra-narrow gaps on the order of microns or even nanometers. This limitation significantly complicates practical device designs.
Another way to modify the object thermal emission spectrum is by reducing the dimensionality of the emitter itself. [4] This approach builds upon the concept of confining electrons in quantum wells, wires and dots, and tailors thermal emission by engineering confined photon states in two- and three-dimensional potential traps, including wells, wires, and dots. Such spatial confinement concentrates photon states and enhances thermal emission at select frequencies. [7] To achieve the required level of photon confinement, the dimensions of the radiating objects should be on the order of or below the thermal wavelength predicted by Planck's law. Most importantly, the emission spectrum of thermal wells, wires and dots deviates from Planck's law predictions not only in the near field, but also in the far field, which significantly expands the range of their applications.
Subjective color to the eye of a black body thermal radiator Edit
| °C (°F) | Subjective color [8] |
|---|---|
| 480 °C (896 °F) | faint red glow |
| 580 °C (1,076 °F) | dark red |
| 730 °C (1,350 °F) | bright red, slightly orange |
| 930 °C (1,710 °F) | bright orange |
| 1,100 °C (2,010 °F) | pale yellowish orange |
| 1,300 °C (2,370 °F) | yellowish white |
| > 1,400 °C (2,550 °F) | white (yellowish if seen from a distance through atmosphere) |
Selected radiant heat fluxes Edit
The time to a damage from exposure to radiative heat is a function of the rate of delivery of the heat. Radiative heat flux and effects: [9] (1 W/cm 2 = 10 kW/m 2 )
| kW/m 2 | Bewirken |
|---|---|
| 170 | Maximum flux measured in a post-flashover compartment |
| 80 | Thermal Protective Performance test for personal protective equipment |
| 52 | Fiberboard ignites at 5 seconds |
| 29 | Wood ignites, given time |
| 20 | Typical beginning of flashover at floor level of a residential room |
| 16 | Human skin: sudden pain and second-degree burn blisters after 5 seconds |
| 12.5 | Wood produces ignitable volatiles by pyrolysis |
| 10.4 | Human skin: Pain after 3 seconds, second-degree burn blisters after 9 seconds |
| 6.4 | Human skin: second-degree burn blisters after 18 seconds |
| 4.5 | Human skin: second-degree burn blisters after 30 seconds |
| 2.5 | Human skin: burns after prolonged exposure, radiant flux exposure typically encountered during firefighting |
| 1.4 | Sunlight, sunburns potentially within 30 minutes. Sunburn is NOT a thermal burn. It is caused by cellular damage due to ultraviolet radiation. |
Thermal radiation is one of the three principal mechanisms of heat transfer. It entails the emission of a spectrum of electromagnetic radiation due to an object's temperature. Other mechanisms are convection and conduction.
Radiation heat transfer is characteristically different from the other two in that it does not require a medium and, in fact it reaches maximum efficiency in a vacuum. Electromagnetic radiation has some proper characteristics depending on the frequency and wavelengths of the radiation. The phenomenon of radiation is not yet fully understood. Two theories have been used to explain radiation however neither of them is perfectly satisfactory.
First, the earlier theory which originated from the concept of a hypothetical medium referred as ether. Ether supposedly fills all evacuated or non-evacuated spaces. The transmission of light or of radiant heat are allowed by the propagation of electromagnetic waves in the ether. [10] Electromagnetic waves have similar characteristics to television and radio broadcasting waves they only differ in wavelength. [11] All electromagnetic waves travel at the same speed therefore, shorter wavelengths are associated with high frequencies. Since every body or fluid is submerged in the ether, due to the vibration of the molecules, any body or fluid can potentially initiate an electromagnetic wave. All bodies generate and receive electromagnetic waves at the expense of its stored energy [11]
The second theory of radiation is best known as the quantum theory and was first offered by Max Planck in 1900. [10] According to this theory, energy emitted by a radiator is not continuous but is in the form of quanta. Planck claimed that quantities had different sizes and frequencies of vibration similarly to the wave theory. [12] The energy E is found by the expression E = hν, where h is the Planck's constant and ν is the frequency. Higher frequencies are originated by high temperatures and create an increase of energy in the quantum. While the propagation of electromagnetic waves of all wavelengths is often referred as "radiation," thermal radiation is often constrained to the visible and infrared regions. For engineering purposes, it may be stated that thermal radiation is a form of electromagnetic radiation which varies on the nature of a surface and its temperature. [10] Radiation waves may travel in unusual patterns compared to conduction heat flow. Radiation allows waves to travel from a heated body through a cold nonabsorbing or partially absorbing medium and reach a warmer body again. [10] This is the case of the radiation waves that travel from the sun to the earth.
The interplay of energy exchange by thermal radiation is characterized by the following equation:
Reflectivity deviates from the other properties in that it is bidirectional in nature. In other words, this property depends on the direction of the incident of radiation as well as the direction of the reflection. Therefore, the reflected rays of a radiation spectrum incident on a real surface in a specified direction forms an irregular shape that is not easily predictable. In practice, surfaces are assumed to reflect in a perfectly specular or diffuse manner. In a specular reflection, the angles of reflection and incidence are equal. In diffuse reflection, radiation is reflected equally in all directions. Reflection from smooth and polished surfaces can be assumed to be specular reflection, whereas reflection from rough surfaces approximates diffuse reflection. [13] In radiation analysis a surface is defined as smooth if the height of the surface roughness is much smaller relative to the wavelength of the incident radiation.
In a practical situation and room-temperature setting, humans lose considerable energy due to thermal radiation in infra-red in addition to that lost by conduction to air (aided by concurrent convection, or other air movement like drafts). The heat energy lost is partially regained by absorbing heat radiation from walls or other surroundings. (Heat gained by conduction would occur for air temperature higher than body temperature.) Otherwise, body temperature is maintained from generated heat through internal metabolism. Human skin has an emissivity of very close to 1.0. [14] Using the formulas below shows a human, having roughly 2 square meter in surface area, and a temperature of about 307 K, continuously radiates approximately 1000 watts. If people are indoors, surrounded by surfaces at 296 K, they receive back about 900 watts from the wall, ceiling, and other surroundings, so the net loss is only about 100 watts. These heat transfer estimates are highly dependent on extrinsic variables, such as wearing clothes, i.e. decreasing total thermal circuit conductivity, therefore reducing total output heat flux. Only truly gray systems (relative equivalent emissivity/absorptivity and no directional transmissivity dependence in alle control volume bodies considered) can achieve reasonable steady-state heat flux estimates through the Stefan-Boltzmann law. Encountering this "ideally calculable" situation is almost impossible (although common engineering procedures surrender the dependency of these unknown variables and "assume" this to be the case). Optimistically, these "gray" approximations will get close to real solutions, as most divergence from Stefan-Boltzmann solutions is very small (especially in most STP lab controlled environments).
If objects appear white (reflective in the visual spectrum), they are not necessarily equally reflective (and thus non-emissive) in the thermal infrared – see the diagram at the left. Most household radiators are painted white, which is sensible given that they are not hot enough to radiate any significant amount of heat, and are not designed as thermal radiators at all – instead, they are actually convectors, and painting them matt black would make little difference to their efficacy. Acrylic and urethane based white paints have 93% blackbody radiation efficiency at room temperature [15] (meaning the term "black body" does not always correspond to the visually perceived color of an object). These materials that do not follow the "black color = high emissivity/absorptivity" caveat will most likely have functional spectral emissivity/absorptivity dependence.
Calculation of radiative heat transfer between groups of object, including a 'cavity' or 'surroundings' requires solution of a set of simultaneous equations using the radiosity method. In these calculations, the geometrical configuration of the problem is distilled to a set of numbers called view factors, which give the proportion of radiation leaving any given surface that hits another specific surface. These calculations are important in the fields of solar thermal energy, boiler and furnace design and raytraced computer graphics.
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Davis lab/provided This composite image shows where the selenium atoms reside in the crystal of niobium diselenide, a transition metal dichalcogenide, using conventional scanned tunneling microscopy (left, in grey) and where the electron pairs are observed using scanned Josephson tunneling microscopy (right, in blue). International Standard Atmosphere (ISA)
The International Standard Atmosphere “is intended for use in calculations and design of flying vehicles, to present the test results of flying vehicles and their components under identical conditions, and to allow unification in the field of development and calibration of instruments.” The use of this atmospheric model is also recommended in the processing of data from geophysical and meteorological observations. It is used as a standard against which one can compare the actual atmosphere and based on the values at mean sea level shown below. All values decrease with increase in altitude:
- Pressure of 101.325 kPa at mean sea level (MSL).
- Temperature of +15 °C at MSL
- Density of 1.225 kg/m³ at MSL.
Short-Term Hibernation
Some animals, such as hummingbirds, undergo a short-term hibernation known as torpor. Their nightly torpor is an energy-saving mechanism, as their tiny bodies lose heat rapidly. They must feed constantly during the day to keep their body temperature up and maintain their incredibly fast metabolism. They eat two to three times their body weight every day! If they didn’t enter torpor at night they would die, since their bodies would lose too much heat due to their large surface area to volume ratio. They also lack the insulating down feathers that many birds have, resulting in heat loss.
