www.bionic.nu

Strålningsbalansen på Tellus

av Rune Ekman, Bionic, Tågarp, Sweden

www.bionic.nu

Foto: Rune Ekman 11 000 m ö h över EU.

Varje kvadratmeter på Tellus mottar en solig dag minst 1 kWh varje timme. I Sverige har vi ca 1 000 soltimmar per år. Det innebäbr faktiskt att varje kvadratmeter årligen mottar 1 MWh ("en megawattimme). Ovanför atmosfären är solinstrålningen 30% högre - där råder den s k "solkonstanten", som inte är någon äkta konstant (Se vidare under "Solkraft".)

Den största energiomvandlingen på Tellus sker genom det instrålade solljuset dels nere vid jordytan och dels i atmosfären. Det skapar alla fenomen vi sammanfattar under beteckningen klimat och väder. Planetens grad av vithet ("albedo") i olika regioner och under olika årstider är en viktig faktor som bestämmer hur mycket ljus som absorberas respektive reflekteras. Svart mulljord och öppet hav har låga albedo - d v s reflekterar lite ljus , men absorberar mycket. När de perenna havsisarna nu snabbt smälter bort kommer det smälta havsvattnet att absorbera avsevärt mycket mer ljus än den vita isen och snön. Regionalt stiger då temperaturen. I polartrakterna tycks temperaturen till följd av detta ha stigit ca 5 C, medan medeltemperaturen på Tellus yycks ha stigit blott 0,7 C. Denna utveckling accelererar nu de polara landisarnas avsmältning - d v s den isfraktion som kommer leda till att havsytan kommer stiga radikalt. Potentialen är 80, 4 m enligt US Geological Surveys kalkyler baserade på satellitdatasammanställningar under 3 decennier.

En annan viktig faktor är atmosfärens kemiska sammansättning. Vissa molekyler släpper som bekant igenom vissa våglängder ( t ex korta) men reflekterar andra våglängder( t ex långa). Detta gäller t ex koldioxid och metan samt lustgas. Ozon fungerar motvänt. Det filtrerar bort kortvågigt UV-ljus, men släpper igenom synligt och infrarött ljus. Ozonet är helt ett resultat av fotosyntes från de gröna växterna som ständigt producerar syre. Ozon är ju O3-molekyler. Initialt innehöll atmosfären höga halter av t ex koldioxid(CO2). Denna halten har emellertid sjunkit parallellt med att växterna lärde sig att genom DNA-script bygga allt mer avancerade organ och en anatomi som gjorde det möjligt för växterna att för ca 600 miljoner år sedan i skydd av sitt eget ozonlager börja växa uppe på land. Kolalten hos landväxter - jämfört med havsväxter - kom härvid att öka med en faktor ca 200 jämfört med t ex primitiva alger. (Därför kan Du skratta åt alla som säger att vi ska utvinna mycket energi ur havsalger.)

I det mycket långa perspektivet har således de gröna växterna ändrat atmosfärens sammansättning till en som optimalt favoriseras deras "globala "fotosyntes-styre" av planeten.

Fotosyntes finns principiellt i "varje klippskreva" som någon gång på året åtminstone får lite regn eller några dagar under året har en temperatur några grader plusgrader Celsius.

För att en kropp - vilken som helst - ska befinna sig i temperaturbalans - d v s ha en stabil temperatur - krävs att den tillförs exakt lika mycket energi som den avger gentemot omgivningen. Om detta villkot inte är uppfyllt kommer den antingen att stiga eller sjunka i sin yttemperatur.

I planeten Tellus fall får kontinuerligt exakt halva planetytan mottaga en energimängd från sin "hemstjärna" Solen som motsvarar solinstrålningens energimängd som ovanför Tellus atmosfär ("uppe i rymden" på ca 10 mils höjd motsvarar den s k "solkonstanten" (som inte är någon äkta fysikalisk konstant, men utgör ett tämligen konstant värde på solenergin som infaller per sekund ( d v s effekten) på det avstånd som Tellus befinner sig från Solen. "Solkonstanten" är alltså den helt oreducerade effekt som solljuset har innan det börjar träffa olika gaser (inkl vattenånga), stoftpartiklar samt slutligen träffar dej eller marken på Tellus. Varje punkt på planeten träffas ovan atmosfären av denna effekt, men p g a jordaxelns lutning varierar den med årstiden. Efter 365 dagar har emellertid varje punkt ovanför atmosfären träffats av denna strålmängd i genomsnitt exakt 12 timmar * antalet dygn per år. "Solkonstanten_Tellus" har ett värde på 1,3666 kW/m². Tellus genomsnittliga radie är ungefär 637 mil. ( P g a jordens rotation har planeten blivit något tilltryckt vid polerna jämfört med radien vid ekvatorn. Diametern på Tellus blir således det dubbla d v s 1 374 mil. Om vi omvandlar radien till meter blir radien 10 000 gånger större eller 6370000 m. Kanske föredrar Du skrivningen 6 370 000 m.

En cirkels yta kan behändigt beräknas med formeln "pi"(skrivs ╥) multiplicerat med radien (r) på två håll som alltid måste ligga 90° från varandra som bekant

En cirkels yta brukar därför skrivas ^╥ _* r² .

Om vi nu sätter in Tellus värden i denna formel i ett Excel-ark skriver vi i en cell där följande (men ta ej med cittationstecknen " " som blott tagits med för att visa exakt var formeln börjar och slutar) " = 3,14*6370000* 6370000 ". Då får vi uttryckt i m² hur stor den yta är på Tellus som träffas av solstrålarna i genomsnitt exakt 12 timmar per dygn under hela året.

(Vid en "finräkning" borde vi lägga till ett värde för den ljusa båge Du ser på bilden ovan och ligger på 1 - 10 mils höjd runt Tellus med påverkan i olika delar ac solspektrat, men här gör vi blott en grov överslagsberälning.)

När vi nu trycker på datorns "Enter"-tangent kommer svaret snabbt och behändigt trots att både Du och jag inser att det kommer bli ett relativt stort tal - pipp:

Svaret är 1,27...*10¹⁴ m² - d v s 124 000 000 000 000 m² . Om Du gillar miljarder skulle man kunna säga 124 000 miljarder m² . Själv tycker jag kanske att 124 miljoner miljoner m² låter ännu mer begripligt bland i grunden nästan obegripligt stora tal.

Om man nu - vilket inte är olagligt - skulle vilja räkna ut hur stor effekt solen instrålar mot denna plana yta på Tellus har vi just nu ett näst intill perfekt utgångsläge.

Vi multiplicerar då blott "solkonstanten" på 1,3666 W/ m² med den plana yta som Tellus alltid uppvisar mot sin hemstjärna - den s k "solsidan".

"Solkonstanten" gånger Tellus plana projectionsyta mot Solen utanför atmosfären kan vi då skriva i matematisk form som :

1,3666 W * 124 miljoner miljoner m²

_______________________________ =

m²

174 miljoner miljoner W

Siffran låter kanske inte så stor vid första ögonkastet, men om Du nu betänker det faktum att detta är en effekt - d v s en energimängd som mottas varje sekund av Tellus, så förstår Du att efter den första sekunden kommer en ny sekund som innebär en lika stor effekt med instrålande energi/sekund mot Tellus totala yta. Redan efter en timme är m a o den instrålade energimängden hela 3600 gånger så stor som undern en sekund - och vid dagens slut (12 timmar efter solens uppgång på varje punkt 10 mil ovanför Tellus i riktning mot Solen) i genomsnitt 43 200 gånger ännu större energimängd. När ett år har gått - d v s 365,25 dygn så har Tellus mottagit hela 15 778 000 gånger ännu större energimängd.

Naturen har löst hela denna ekvations problematik så att om bara alla betingelser är exakt desamma vid fotonernas inträdande i jordatmosfären - d v s att atmosfärens sammansättning är exakt densamma så kommer yttemperaturen nere vid Tellus yta att vara mycket konstanta under årmiljonerna. Under sådana betingelser gäller illustrationen nedan. Nedanstående illustration visar den genomsnittliga strålningsbalansen på olika breddgrader på Tellus driven av den dagliga solinstrålningen. Strålningsbalans innebär en balans mellan hur mycket strålningsenergi som inkommer till Tellus minskat med den strålningsenergi som avges.

En komplicerande faktor som ger upphov till en i olika positioner på Tellus varierande temperatur under året är att jordaxeln som Tellus roterar runt och som ger upphov till det vi kallar dygn lutar 23,5° i förhållande till Jordens bana runt Solen. Jordaxelns lutning är - som bekant för de flesta - det enkla fysikaliska ursprunget till årstidsvariationerna. Så här ser det ut rent fysiskt:

Courtesy by: http://www.facstaff.unca.edu/chennon/classes/atms223/ppt/global_energy_balance.ppt

Jordbanan runt vår hemstjärna Solen råkar p g a jordens tillkomst och uppkomsthistoria vara något elliptisk. Jordens bana ligger således inte helt centrerad runt Solen som nedanstående bild illustrerar.

Courtesy by: http://www.facstaff.unca.edu/chennon/classes/atms223/ppt/global_energy_balance.ppt

Dessa fysikaliska fakta är upphovet till de i nästan varje punkt unika årstidsvariationerna på Tellus. Tack vare det fina väldisciplinerade arbetet på väl definierade tider och utan dynastiskt tjafs kring mätmetodik etc mellan meteorologer från hela världen samt att Du har turen att råka leva i den särklassigt bästa och mest välteknologiserade världen kan Du därför nedan njuta av en animerad "färgläggning" varvid nedanstående vackra animering uppstår. Gläds åt att Du lever i den bästa av tider där människans nu förvärvade teknologinivå möjliggör detta. Vilken överblick Du har nu ! Det är någon som vill Dig väl på http://geography.uoregon.edu/envchange/clim_animations/gifs/tmp2m_web.gif och som bjuder Dig på denna "färguppenbarelse" sammandragen så att årsvariationen uppvisas som månadsmedelvärden och spelas upp för hela året på blott någon minut - d v s med en uppspelniongshastighet som är ca en halv million gånger snabbare än i "full real reality".

- Hänger Du med !

Courtesy by: http://geography.uoregon.edu/envchange/clim_animations/gifs/tmp2m_web.gif

http://geography.uoregon.edu/envchange/clim_animations/

Fuktig jord är näst efter solljuset och temperaturen den mest fotosyntesdrivande faktorn. Finns det dessutom rätt näringssammansättning ner på atomnivå i vattenlöslig form kan fotosyntesutbytet och därmed även de agrart optimerade skördarna bli mycket höga. Optimalt kommer mänskligheten framgent behöva blott ca 5% av totala landarealen för livsmedelsproduktion och ca 5% för energiproduktion i ett samhälle byggt på årsförnybar atomär cirkulation som i den övriga naturen. Minst hälften av denna produktion kan ske i dagens ökenområden genom en ny "ekolär form" av avsalning av havsvattnet.

Så här ser nuvarande årsvågor ut kopplade till fuktig jord. Eftersom de fotosyntestiserande organismerna täcker - som vi alla vet - praktiskt taget varje yta på Tellus utom i de mest extrema kalla och torra områdena blir de "gröna vågorna" i nedanstående animering i stort sett identisk med de regionala fotosyntesvågorna under året. De orangebruna områdena är identiska med planetens ökenområden som täcker ungefär 31% av den landytan på Tellus som med nuvarande havsytenivå representerar 16,7 GHa mark ovan dagens havsyta.

Courtesy by: http://geography.uoregon.edu/envchange/clim_animations/gifs/soilw_web.gif

Om man därtill kunde på liknande sätt prognosticera Solens varierande kaskader av t ex joniserande strålning, solfläckar m m skulle väderprognosernas precision kunna förbättras ytterligare högst avsevärt eftersom det är små variationer i Solens "dagsform" minut för minut med ca 8 minuters tidsfördröjning som utgör den drivande kraften bakom det vi kallar "vädret". Att kunna förutse en självoptimerande gravitationsstyrd kontinuerlig fusionsplasma_och_tillika_kontinuerlig_vätebomb ligger f n som alla vet lite över människans aktuella kunskapsnivå just nu. En gravitationsstyrd fusionsreaktor skiljer sig dessutom avsevärt från den "knappnålsreaktor" människan sedan 50 år försöker sig på att bygga som är magnetfältskontrollerad.

Den ojämförligt billigaste och dessutom säkraste "approachen" för mänskligheten att utvinna i princip "oändliga mängder energi" kommer därför för mycket lång tid framöver vara att höja det mänskliga utnyttjandet av det infallande solljuset - bl a p g a alla förvridna trostankar i människohjärnan världen över som leder till att olika supoptimerande dynastier bekämpar varandra som de gör sedan tusentals år.

Människans samlade årskonsumtion av energi utgör ca 1 ‰(promille) av det infallande solljuset och hotar på inget sätt strålningsbalansen på Tellus så länge vi inte samtidigt ändrar atmosfärens sammansättning, men det är ju just det senare vi gjort genom vår fossil-kol-baserade teknologi som bara sedan 1950-talet fått koldioxidhalten att öka från då 300 ppm(= "parts per million") till dagens koldioxidhalt som inom blott några få år kommer passera 400 ppm.

Illustration courtesy by http://www.ldeo.columbia.edu/dees/ees/climate/slides/i_gen_circ.html at Columbia University, USA

Årsmedeltalen slår i genomsnitt något lite mellan latituderna bl a kopplat till att hav och land har helt olika egenskaper samtidigt som fördelningen mellan land och hav längs en viss latitud varierar en hel del längs olika latituder på norra respektive södra halvklotet. Detta resulterar i en viss "knölighet" hos de båda linjerna ovan.

Solenergimängden som absorberas av Tellus yta på olika breddgrader framgår av blå linje.

Den utgående infraröda strålningen från Tellus till rymden på olika breddgrader framgår av röd linje.

De två kurvorna ovan måste emellertid kontinuerligt och ständigt balansera varandra globalt sett .

Dock behöver detta "energibalans-krav" ej gälla i det korta perspektivet (varje sekund, timme eller dag) i varje punkt längs varje enskild breddgrad och höjd över havet.

Det påverkas avsevärt av om marken är snötäckt eller bar, molnighet etc.

I den tropiska klimatzonen finns dock alltid ett strålningsöverskott (solenergiöverskott, "excess" i ovanst illustration) som överstiger den där utstrålade energin från marken. På högre breddgrader ända upp till polerna råder ett strålningsunderskott ("deficit") som dessutom varierar med årstiden p g a jordaxelns lutning. Det innebär att på alla breddgrader större än ( d v s nordligare eller sydligare än ca 33° från ekvatorn strålar Tellus ständigt ut mer energi till rymden än den erhåller från solen. Dessa strålningsskillnader mellan olika breddgradszoner på Tellus utgör varje sekund de mest basala och huvudsakliga klimat- och väderdrivande orsakerna i varje punkt på Tellus yta. De kortsiktiga skillnaderna mellan dessa breddgradszoner och eller punkter ger således det globala dagsvädret i varje punkt. Atmosfären och världshavet är de huvudsakliga "tvingande medierna" som tvingas flytta runt dessa ständiga energiobalanser genom i huvudsak konvektion och advektion av värmeenergi från ekvator till polerna.

Denna värmeöverföring är enorm och en huvudorsak till att blå och röd linje ovan skiljer så mellan olika breddgradszoner på Tellus. Detaljerna i dessa enorma energiomsättningar modelleras bäst inom meteorologin som bekant vilken genom ständiga modellförbättringar når allt högre precision i sin prognostik vad gäller det lokala vädret under de närmaste dagarna.

För ytterligare fördjupning kring den globala energibalansen kan Du klicka på t ex dessa länkar:

http://earthguide.ucsd.edu/earthguide/diagrams/energybalance/index.html

http://www.geo.utexas.edu/courses/387H/Lectures/chap2.pdf

http://www.ess.uci.edu/~yu/class/ess55/lecture.3.energy.pdf

http://www.stuffintheair.com/global-energy-balance.html

http://www.physicalgeography.net/fundamentals/7i.html

http://www.facstaff.unca.edu/chennon/classes/atms223/ppt/global_energy_balance.ppt

Vacket bestrålad gård längs sydkustvägen, Skåne 2007-09-05

2009-04-10 Rune Ekman