Мощность атмосферы земли: тропосферы, стратосферы и верхних слоев атмосферы. Мощность атмосферы -2-«. Скачать бесплатно и без регистрации.

Содержание

Атмосфера Земли: строение и состав

Атмосфера – воздушная оболочка земного шара, вращающаяся вместе с Землёй. Верхнюю границу атмосферы условно проводят на высотах 150-200 км. Нижняя граница – поверхность Земли.

Атмосферный воздух представляет собой смесь газов. Большая часть его объёма в приземном слое воздуха приходится на азот (78%) и кислород (21%). Кроме того, в воздухе содержатся инертные газы (аргон, гелий, неон и др.), углекислый газ (0,03), водяной пар и различные твёрдые частицы (пыль, сажа, кристаллы солей).

Воздух бесцветен, а цвет неба объясняется особенностями рассеивания световых волн.

Атмосфера состоит из нескольких слоёв: тропосферы, стратосферы, мезосферы и термосферы.

Нижний приземной слой воздуха называется тропосферой. На различных широтах её мощность неодинакова. Тропосфера повторяет форму планеты и участвует вместе с Землёй в осевом вращении.  У экватора мощность атмосферы колеблется от 10 до 20 км.

У экватора она больше, а  у полюсов – меньше. Тропосфера характеризуется максимальной плотностью воздуха, в неё сосредоточено 4/5 массы всей атмосферы. Тропосфера определяет погодные условия: здесь формируются различные воздушные массы, образуются облака и осадки, происходит интенсивное горизонтальное и вертикальное движение воздуха.

Над тропосферой, до высоты 50 км, располагается стратосфера. Она характеризуется меньшей плотностью воздуха, в ней отсутствует водяной пар. В нижней части стратосферы на высотах около 25 км. расположен «озоновый экран» – слой атмосферы с повышенной концентрацией озона, который поглощает ультрафиолетовое излучение, гибельное для организмов.

На высоте 50 до 80-90 км простирается мезосфера. С увеличением высоты температура понижается со средним вертикальным градиентом (0,25-0,3)° / 100 м, а плотность воздуха уменьшается. Основным энергетическим процессом является лучистый теплообмен. Свечение атмосферы обусловлены сложными фотохимическими процессами с участием радикалов, колебательно возбуждённых молекул.

Термосфера располагается на высоте 80-90 до 800 км. Плотность воздуха здесь минимальная, степень ионизации воздуха очень велика. Температура изменяется в зависимости от активности Солнца. В связи с большим количеством заряженных частиц здесь наблюдаются полярные сияния и магнитные бури.

Атмосфера имеет огромное значение для природы Земли. Без кислорода  невозможно дыхание живых организмов. Её озоновый слой защищает всё живое от губительных ультрафиолетовых лучей. Атмосфера сглаживает колебание температур: поверхность Земли не переохлаждается ночью и не перегревается днём. В плотных слоях атмосферного воздуха не достигая поверхности планеты, сгорают от терния метеориты.

Атмосфера взаимодействует со всеми оболочками земли. С её помощью осуществляется обмен теплом и влагой между океаном и сушей. Без атмосферы не было бы облаков, осадков, ветров.

Значительное неблагоприятное влияние на атмосферу оказывает хозяйственная деятельность человека. Происходит загрязнение атмосферного воздуха, что приводит к увеличению концентрации оксида углерода (CO2). А это способствует глобальному потеплению климата и усиливает «парниковый эффект». Озоновый слой Земли разрушается из-за отходов производств и работы транспорта.

Атмосфера нуждается в охране. В развитых странах осуществляется комплекс мер по защите атмосферного воздуха от загрязнения.

Остались вопросы? Хотите знать больше об атмосфере?
Чтобы получить помощь репетитора – зарегистрируйтесь.

© blog.tutoronline.ru, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

Какова толщина атмосферы?

       Для того чтобы правильно ответить на вопрос, рассмотрю понятие «атмосфера».

Атмосфера Земли

       Это оболочка Земли, состоящая из газа, которая защищает нашу планету от разного рода угроз из космоса. Газ, который находится в атмосфере — это воздух. Атмосфера характеризуется неоднородностью, динамичностью и уязвимостью к различному роду факторам.

Свойства атмосферы

       Атмосфера имеет следующие свойства:

  • Защищает Землю от разных угроз из космоса, к примеру от метеоритов.
  • Служит своеобразным фильтром против излучения Солнца.
  • Поддерживает комфортную температуру у самой поверхности нашей планеты.

Химический состав атмосферы

      Химический состав атмосферы начал формироваться приблизительно четыре миллиарда лет назад. Изначально атмосфера состояла из гелия и водорода. С течением времени состав атмосферы значительно поменялся, в современном виде атмосфера состоит из азота (приблизительно 79%) и кислорода (около 20%). 1% приходится на другие газы: гелий, метан, водород, углекислый газ, аргон и другие виды газов. 

      Для того чтобы определить примерную толщину, рассмотрим структуру атмосферы.

Структура атмосферы

      Атмосфера состоит из двух частей: внутренней и внешней.

      Внутренняя часть состоит из:

  • Тропосфера — это самая нижняя часть атмосферы. Толщина тропосферы примерно 12 км, она зависит от климата. На экваторе толщина больше, на полюсах она меньше. 
  • Стратосфера расположена выше тропосферы и имеет высоту 40-50 км.
  • Мезосфера имеет толщину до 10 км. Особенность мезосферы — это резкое понижение температуры.
  • Ионосфера располагается до высоты 800 км. Особенность ионосферы в резком повышении температуры. 

       Внешняя часть атмосферы:

  • Экзосфера расположена выше 800 км и простирается на расстоянии приблизительно до 3000 км.

       Таким образом, толщина атмосферы приблизительно 3000 км. Поскольку атмосфера неоднородна, точный размер её толщины установить невозможно. 

       Важно понимать, что изучение атмосферы происходит и в настоящее время. Процессы происходящие в атмосфере, позволяют нам составлять прогноз погоды, а также получать сведения об климатических изменениях, которые происходят на нашей планете.

 

Cтроение атмосферы

Атмосфера в вертикальном отношении неоднородна её разделяют на несколько концентрических оболочек: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу. Друг от друга они отделяются тонкими в 1-2 км толщиной переходными слоями – паузами: тропопаузой, стратопаузой, мезопаузой.

Тропосфера большую мощность имеет на экваторе (17 км), меньшую – на полюсах (8-10 км). С высотой температура понижается и достигает на границе со стратосферой -70°С на широте экватора и -65°С на полюсах. Давление воздуха изменяется от 760 мм рт. ст. на поверхности Земли до 210 мм на верхней границе. Содержит 80% воздуха и почти весь водяной пар.

Строение атмосферы (по С.Г. Любушкиной и др.):

1 — уровень моря; 2 — перистые облака; 3 — кучевые облака; 4 — слоистые облака; 5 — свободный аэростат; 6 — стратостат; 7 — радиозонд; 8 — перламутровые облака; 9 — отражение звуковых волн; 10 — метеорологическая ракета; 11 — серебристые облака; 12 — отражение средних радиоволн; 13 — метеориты; 14 и 15 — полярные сияния; 16 — отражение коротких волн; 17 — геофизическая ракета; 18 — искусственные спутники Земли; 19 — пилитируемые космические корабли.

 

Стратосфера содержит около 20% воздуха. Падение температуры в ней прекращается, а затем и начинает расти, достигая 0°С — (+10)°С на границе с мезосферой. Концентрация озона в стратосфере максимальна, особенно на высоте 22-27 км. Этот слой называют озоновым. Озоновый слой считают верхней границей биосферы.

В мезосфере температура начинает понижаться и на верхней границе падает до -90°С (самая низкая температура в атмосфере). Наблюдаются серебристые облака.

В термосфере воздух чрезвычайно разрежен. Температура с высотой растет и на высоте 100 км достигает 0°С. На высоте 200 км она достигает +500°С, 600 км – +1500°С. Это сфера разреженного ионизированного газа. Электропроводность этой сферы в 1012 раз больше, чем у поверхности Земли. Здесь наблюдаются полярные сияния, магнитные бури.

Экзосфера – это часть термосферы, где происходит рассеивание ионизированного газа в космическое пространство. Уходят из экзосферы преимущественно ионы водорода.

Нижний слой тропосферы, примыкающий к земной поверхности, называют приземным слоем. Слой от земной поверхности до высоты порядка 1000 м называют слоем трения, в котором уменьшается скорость ветра и меняется его направление. Слой трения оказывает большое влияние на общую циркуляцию атмосферы. В процессе последней тропосфера расчленяется на отдельные воздушные массы, которые более или менее длительное время сохраняют индивидуальные физические свойства (температуру, влажность, содержание влаги). Горизонтальное распространение воздушных масс измеряется тысячами километров.

 

Наименование и главные характеристики сфер воздушной оболочки

(по Х.Т. Погосян)

Сфера

Высота нижней и верхней границы, км

Характер изменения температуры с высотой

Переходный слой

Тропосфера

От поверхности земли до 8-17

Понижение

Тропопауза

Стратосфера

От 8-17 до 50-55

Повышение

Стратопауза

Мезосфера

От 50-55 до 80

Понижение

Мезопауза

Термосфера

От 80 до 800

Повышение

Термопауза

Экзосфера

Выше 800

 

Нижний слой тропосферы, примыкающий к земной поверхности, называют приземным слоем. Слой от земной поверхности до высоты порядка 1000 м называют слоем трения, в котором уменьшается скорость ветра и меняется его направление. Слой трения оказывает большое влияние на общую циркуляцию атмосферы. В процессе последней тропосфера расчленяется на отдельные воздушные массы, которые более или менее длительное время сохраняют индивидуальные физические свойства (температуру, влажность). Горизонтальное распространение воздушных масс измеряется тысячами километров.

 

Еще статьи о атмосфере

«Есть кислород? А если найду?» — будущее путешествий на Марс зависит от работы системы MOXIE на марсоходе Настойчивость

Для большинства космических операций идеально подходит утверждение «Что уходит наверх, наверху и остается». Всего лишь 10 лет назад большинство систем и устройств, отправленные с Земли в космос, включая орбиту (кроме МКС) и другие планеты, никогда не возвращались. Конечно, космический мусор частенько сходит с орбиты и сгорает в атмосфере Земли, но полноценным возвращением это назвать сложно.

Сейчас появились многоразовые ракеты, одна из космических экспедиций завершилась сбором образцов астероида с возвратом их на Землю. Но все же этот принцип остается актуальным и в наше время. И если жители Земли могут с ним смириться, то для будущей миссии с высадкой людей на Марсе этот принцип не подходит абсолютно. Причина проста: у людей должна быть возможность вернуться на Землю. Есть несколько вариантов обеспечить возвращение, но основная проблема — нехватка топлива. Идеальный вариант — производить топливо прямо там, на Красной планете. Марсоход «Настойчивость» и его модуль MOXIE помогут узнать, реален ли этот сценарий.

Не проще ли взять топливо с Земли? Нет, не проще. После высадки на Марс у колонистов/марсонавтов уже не останется топлива на дорогу домой, так что придется либо ждать доставки дополнительного груза, либо вырабатывать топливо самостоятельно. И сделать это можно лишь при условии добычи кислорода на Марсе. Задача «Настойчивости» — провести несколько тестов, чтобы доказать возможность производства топлива на Красной планете. Все это будет реализовано в рамках эксперимента MOXIE (Mars Oxygen ISRU Experiment).

Что это за эксперимент?


Это один из наиболее перспективных с точки зрения науки опытов, проводимых вне Земли. Да, внимание многих из нас привлекают испытания летающего дрона, которые вот-вот состоятся. Но все же с точки зрения науки более важным является MOXIE.


Модуль MOXIE — внешний вид

Если все пройдет гладко, то ученым и инженерам НАСА удастся доказать возможность производства важнейшего вида ресурсов — топлива — вне нашей планеты. Горючее на Марсе ученые надеются начать производить при использовании компонентов, которые уже есть на Красной планете. В противном случае долгосрочные путешествия людей на другие планеты, включая Марс, могут оказаться невозможными или крайне маловероятными.

По предварительным расчетам для возвращения на Землю марсонавтам потребуется около 30 тонн жидкого кислорода.

Весь секрет эксперимента — в керамике


Если бы инопланетяне решили высадиться на Земле и попробовать обнаружить кислород, им бы это удалось без всякого труда. В атмосфере Земли около 21% этого элемента, так что для его обнаружения нужно лишь простейшее научное оборудование. Кислород можно извлечь из воды при помощи электролиза — в этом случае оборудование еще более простое.

Но вот с Марсом дело другое. Если удастся найти запасы льда или воды (данные некоторых исследований позволяют говорить о том, что льда там навалом, но это еще предстоит доказать), то остальное — дело техники, топливо можно будет производить. С марсианской водой пока все сложно.

Поэтому ученые надеются наладить процесс извлечения кислорода из атмосферы Марса. 95% его атмосферы — это углекислый газ. MOXIE поможет проверить возможность извлечения кислорода из атмосферы при помощи твердооксидного электролиза. Расщеплять будут как раз углекислый газ, с производными реакции в виде кислорода и угарного газа (монооксид углерода).

Принцип здесь тот же, что и в обычном электролизе — разложение химических соединений на отдельные элементы при помощи электричества. Но есть здесь очень важный компонент — керамические элементы в ячейках твердооксидного электролизера. Ячейки состоят из оксида циркония, стабилизированного небольшим количеством скандия. Этот материал известен как ScSZ. Он позволяет проводить электролиз, обладая такими качествами, как термостойкость, высокая прочность, легкий вес.

Цикл производства кислорода начинается с работы воздушного компрессора и противопылевых фильтров. В MOXIE используется компрессор спирального типа, в котором два спиральных элемента соединены в единую систему. Задача компрессора — увеличивать давление в модуле до земного. Это непросто, поскольку атмосфера Марса примерно в 100 раз более разреженная, чем земная.


Компрессор для MOXIE

Важный нюанс — для электролиза твердых оксидов требуются высокие температуры порядка 800°C. Сжатый до плотности земной атмосферы газ проходит через серию напечатанных на 3D-принтере теплообменников. Высокая температура достигается благодаря электричеству — чему же еще. И MOXIE потребляет энергии больше, чем вырабатывает РИТЭГ ровера за один сол. Соответственно, эксперимент настолько тщательно спланировали, насколько это возможно.

Действуй как дерево


Модуль его создатели иногда называют «искусственным деревом», поскольку идет поглощение углекислоты с производством кислорода. Но сам процесс не очень похож совсем не похож на то, что происходит в растениях в результате фотосинтеза.

Нагретый до высокой температуры газ, который на 98% состоит из углекислого газа, попадает в ячейки SOXE. Каждая ячейка представляет собой «бутерброд» из пористых металлических электродов с каждой стороны пластин из ScSZ, действующих как твердый электролит. Через ячейку подается ток, в результате чего под действием катализатора выполняется реакция восстановления:

Затем ионы кислорода реагируют друг с другом в непосредственной близости от пористого анода следующим образом:

Датчики модуля оценивают качество и ход реакции. Производительность модуля составляет около 12 г/час при максимальной силе тока в 4А. По завершении реакции все ее производные возвращаются в атмосферу. Само устройство — proof of concept, его главная задача — доказать возможность производства кислорода на Марсе. Хранить же кислород сейчас нет смысла.

Если увеличить производительность модуля в 200 раз, то оно сможет генерировать как раз те самые 30 тонн кислорода, о которых говорилось в начале.

Модуль MOXIE — довольно простой, там нет ничего такого. Но в некоторых случаях могут проходить побочные реакции, в результате чего поры катода забиваются твердым углеродом. В этом — основная проблема, поскольку рядом нет оператора, который сможет почистить электроды и восстановить работоспособность модуля. Ну а в случае появления полномасштабного модуля рядом уже будут находиться люди. И они смогут обеспечить нормальную работу «большого MOXIE», поскольку от него будет зависеть их возвращение на Землю.

Тенденции развития аэрокосмических энергетических систем.

С каждого квадратного метра поверхность Солнца излучает 63 МВт, интегральная плотность мощности солнечного излучения, достигающего атмосферы Земли, составляет 1367 Вт/м2, а до её поверхности в хорошую погоду доходит не более 1000 Вт/м2. Поэтому проекты по развитию аэрокосмических энергетических систем предусматривают размещение на орбите платформы или системы платформ, на которых устанавливаются солнечные батареи, а полученная энергия будет передаваться на Землю с помощью СВЧ- или лазерного излучения. Основным ограничивающим фактором предлагаемой концепции является тропосферный слой атмосферы Земли, для преодоления влияния которого можно реализовать многоярусную систему с промежуточным расположением ретрансляторов.

Японские ученые прорабатывают проект геостационарной солнечной электростанции (Space Solar Power System). Платформа с солнечными батареями общей площадью 4 км2, а выходная мощность может достигать 1 ГВт. Общая стоимость проекта оценивается в $21 млрд, а первые опыты по передаче электроэнергии с орбиты планируется провести в 2015 году.

Другой масштабный проект по сбору солнечной энергии на Луне предлагает установить на спутнике Земли кольцо из солнечных батарей, которые будут поставлять на нашу планету не менее 13 тераватт энергии. Проект получил название «Лунное кольцо». Кольцо будет огибать Луну по экватору. Предполагается, что его протяжённость составит 10943 километра, а ширина может достигать сотен километров. Японские инженеры уже работают над созданием энергоблоков для этого «Лунного пояса».

Российская ракетно-космическая корпорация «Энергия» и предприятия ракетно-космической промышленности России прорабатывают варианты создания высокоширотной станции, с которой можно будет наблюдать 90 процентов территории России. Она может стать основой для создание лунной базы, фактически российской колонии на спутнике Земли, а также грузовых лунных кораблей, которые будут собирать из комплектующих на новой орбитальной станции.

   

 

Источник:

http://trv-science.ru/2014/12/23/luna-za-granicej-fsp/

http://nyut.am/archives/314769?lang=ru

 

Состав и строение атмосферы

Атмосферой называют газовую оболочку нашей планеты. Наука, изучающая атмосферу Земли и происходящие в ней процессы, называется метеорологией.

Атмосфера удерживается около Земли благодаря силе тяжести. Вместе с Землей атмосфера принимает участие в суточном и годовом вращении.

Масса атмосферы составляет одну миллионную долю массы земного шара и примерно равна 5,3 х 1015 тонн.

Атмосферный воздух представляет собой механическую смесь газов, водяного пара и примесей. Состав воздуха изменяется с ростом высоты. По мере удаления от земной поверхности действие силы тяжести ослабевает и концентрация газов в воздухе понижается, атмосфера становится разреженной.

На высоте до 100 км состав воздуха таков: 78,09 % азота, 20,95 % кислорода, 0,93 % аргона, 0,03 % углекислого газа и 0,01 % всех остальных газов: водорода, гелия, водяного пара, озона.

Процентное соотношение количества газов, составляющие воздух, довольно постоянно. Исключение составляет углекислый газ, содержание которого постоянно возрастает в результате деятельности человека. Такие процессы, как сжигание нефти, газа и угля в сочетании с вырубкой лесов, приводят к увеличению содержания углекислого газа в атмосфере. Углекислый газ вместе с водяным паром, метаном и озоном относится к так называемым парниковым газам, которые обладают способностью задерживать тепловое излучение Земли. Можно сравнить парниковые газы с «утеплителем» нашей планеты. Таким образом, увеличение содержания в атмосфере углекислого газа способствует повышению температуры воздуха на Земле (парниковый эффект).

Вы уже знаете, что основная масса озона (трехатомного кислорода) сосредоточена на высоте 25–35 км, где образуется озоновый экран – слой озона, поглощающий губительную для всего живого на Земле коротковолновую часть ультрафиолетового излучения Солнца. В нижнем слое атмосферы озона очень мало, потому что в обычных условиях озон является нестойким и сразу же распадается на «обычный» двухатомный кислород.

Атмосферная вода находится в воздухе в виде водяного пара, но также может находиться в виде взвешенных продуктов конденсации – капель или ледяных кристаллов. Кроме водяных капель и ледяных кристаллов в нижних слоях атмосферы могут находиться другие примеси в виде жидких и твердых частиц – пыль, сажа, вулканический пепел, кристаллы морской соли и т. п. На количество и качество находящихся в воздухе атмосферных примесей влияют как географические процессы (извержения вулканов, пыльные бури), так и характер земной поверхности и наличие на ней поселений. Над океаном в воздухе будет находиться большое количество водяных капель и кристаллов соли, а над пустынями – большое количество пыли.

Наличие атмосферы имеет большое значение для нашей планеты. Прежде всего атмосфера является условием существования органической жизни. Атмосфера препятствует чрезмерным суточным колебаниям температур уменьшая днем нагревание земной поверхности, а ночью – охлаждение. Атмосфера защищает Землю не только от губительной части солнечного излучения, но и от падения на ее поверхность большинства твердых тел космического происхождения, которые сгорают в плотных слоях атмосферы. Также атмосфера вместе с другими оболочками нашей планеты участвует в перераспределении тепла и влаги на земной поверхности.
Атмосферу Земли разделяют на три основных слоя – тропосферу, стратосферу и ионосферу.

Ионосфера, в свою очередь, делится на мезосферу и термосферу. Выше ионосферы находится экзосфера – внешняя часть верхней атмосферы Земли, которая постепенно переходит в космическое пространство (то есть, резко обозначенной верхней границы атмосфера не имеет).
Тропосфера представляет собой нижний слой атмосферы, высота (или как еще говорят – мощность) которой доходит до 8 км над полюсами и примерно до 18 км над экватором.

Сколько в атмосфере электричества | Энергия


Максимальный уровень электростатического заряда (количество заряженных частиц, таких как электрон), который может нести конденсатор, целиком зависит от трех факторов: общей площади проводящих поверхностей, среднего расстояния между ними и типа диэлектрика между ними. Земельно-ионосферный суперконденсатор представляет собой две проводящие сферы, заключенные одна в другую. Диэлектриком служит атмосферный воздух. Радиус обеих этих сфер примерно одинаков и равен приблизительно 6500 км. В таком конденсаторе расстояние между двумя проводящими поверхностями (около 50 км) крайне незначительно по сравнению с площадью их поверхности (около 530 000 000 км2). Высокая разность потенциалов между поверхностью Земли и ионосферой приводит к формированию мощного электрического поля в тропосфере и стратосфере. Заряд в этом суперконденсаторе поддерживается за счет солнечного излучения, космических лучей, а также радиоактивности земной коры. Все эти излучения взаимодействуют с магнитным полем Земли и атомами в верхних слоях атмосферы, пополняя заряд суперконденсатора.

Грозовые облака, вулканы и пылевые бури повышают проводимость тропосферы и стратосферы в отдельных местах, создавая тем самым благоприятные условия для электрических разрядов земельно-ионосферного суперконденсатора. За время одной грозы, таким образом, в среднем по времени «разряжается» около двух ампер. Одновременно на нашей планете проходит примерно 750 гроз, сопровождающихся от 35 до 100 разрядами молний в секунду (По другим источникам, на Земле одновременно проходит до полутора тысяч гроз, а средняя интенсивность разрядов составляет 46 молний в секунду.). Сила тока в 2 А «на каждую грозу» может показаться слишком малой величиной, но это электричество распространяется не в виде постоянного потока заряженных частиц. Оно выделяется в виде резких интенсивных разрядов. Удар молнии длится доли секунды, так что пиковые значения силы тока в молнии чрезвычайно высоки. В некоторых случаях они могут достигать многих тысяч ампер. Поэтому молнии бывают настолько разрушительными.

Постоянный заряд атмосферного суперконденсатора составляет от 250 000 до 500 000 вольт, что сопоставимо с напряжением высокоольтных электрических линий. Однако разница электрических потенциалов поверхности Земли и атмосферы — это постоянный ток, а не переменный. Общее среднее значение силы тока, протекающего через атмосферный суперконденсатор, только в результате гроз составляет 1500 ампер (по два ампера на каждую из 750 гроз). Электрическая мощность в ваттах составляет произведение силы тока в амперах на напряжение в вольтах. Приведенные выше цифры означают, что земная атмосфера постоянно рассеивает несколько сотен миллионов ватт электроэнергии (в среднем). Этой мощности хватает на полное пиковое обеспечение электроэнергией среднего города.

Энергетический баланс Земли и атмосферы

Энергетический баланс земли и атмосферы – это баланс между поступающей от Солнца энергией и исходящей от Земли энергией. Энергия, выделяемая Солнцем, излучается в виде коротковолнового света и ультрафиолетовой энергии. Когда он достигает Земли, часть его отражается обратно в космос облаками, часть поглощается атмосферой, а часть поглощается поверхностью Земли.

Учебный урок: Консервированная жара

Однако, поскольку Земля намного холоднее Солнца, ее излучаемая энергия намного слабее (длинноволновая) инфракрасная энергия.Мы можем косвенно наблюдать, как эта энергия излучается в атмосферу в виде тепла, поднимающегося от раскаленной дороги, создающего мерцание в жаркие солнечные дни.

Энергетический баланс между землей и атмосферой достигается за счет того, что энергия, полученная от Солнца , уравновешивает энергию, потерянную Землей обратно в космос. Таким образом, Земля поддерживает стабильную среднюю температуру и, следовательно, стабильный климат. Используя 100 единиц энергии солнца в качестве базового уровня, энергетический баланс выглядит следующим образом:

В верхней части атмосферы — Приходящая энергия солнца уравновешивается исходящей энергией земли.
Входящая энергия Исходящая энергия
Единицы Источник шт. Источник
+100 Коротковолновое солнечное излучение. -23 Коротковолновое излучение, отраженное облаками обратно в космос.
    -7 Коротковолновое излучение, отраженное в космос земной поверхностью.
    -49 Длинноволновое излучение атмосферы в космос.
    -9 Длинноволновое излучение облаков в космос.
    -12 Длинноволновое излучение земной поверхности в космос.
+100 Всего входящих -100 Всего исходящих
Сама атмосфера — Энергия, поступающая в атмосферу, уравновешивается исходящей из атмосферы энергией.
Входящая энергия Исходящая энергия
Единицы Источник шт. Источник
+19 Поглощение коротковолнового излучения газами в атмосфере. -9 Длинноволновое излучение, испускаемое в космос облаками.
+4 Коротковолновое излучение поглощается облаками. -49 Длинноволновое излучение, испускаемое в космос газами в атмосфере.
+104 Поглощенное длинноволновое излучение земной поверхности. -98 Длинноволновое излучение, испускаемое на поверхность земли газами в атмосфере.
+5 От конвективных потоков (поднимающийся воздух нагревает атмосферу).    
+24 Конденсация/Отложение водяного пара (в процессе выделяется тепло в атмосферу).    
+156 Всего входящих -156 Всего исходящих
На поверхности земли — Поглощенная энергия уравновешивается высвобождаемой энергией.
Входящая энергия Исходящая энергия
Единицы Источник шт. Источник
+47 Поглощенное коротковолновое солнечное излучение. -116 Длинноволновое излучение, испускаемое поверхностью.
+98 Поглощенное длинноволновое излучение газов в атмосфере. -5 Отвод тепла конвекцией (поднимающийся теплый воздух).
    -24 Теплота, необходимая для процессов испарения и сублимации и поэтому удаляемая с поверхности.
+145 Всего входящих -145 Всего исходящих

Поглощение инфракрасного излучения, пытающегося уйти от Земли обратно в космос, особенно важно для глобального энергетического баланса. Поглощение энергии атмосферой сохраняет больше энергии вблизи ее поверхности, чем если бы атмосферы не было.

Средняя температура поверхности Луны, не имеющей атмосферы, составляет 0°F (-18°C).Напротив, средняя температура поверхности Земли составляет 59°F (15°C). Этот тепловой эффект называется парниковым эффектом.

Парниковый обогрев усиливается ночью, когда небо затянуто облаками. Тепловая энергия земли может улавливаться облаками, что приводит к более высоким температурам по сравнению с ночами с ясным небом. Воздух не может охлаждаться так сильно из-за пасмурного неба. При частично облачном небе часть тепла уходит, а часть остается в ловушке. Ясное небо способствует максимальному охлаждению.

Атмосфера — Энергетическое образование

Рисунок 1. Современный состав атмосферы Земли. [1] Рис. 2. Состав атмосферы Земли в зависимости от времени. [2]

Атмосфера — это газовый слой, окружающий планету. Многие планеты (и ряд лун) имеют атмосферы; некоторые из них толще земных (например, Венера), а некоторые тоньше (например, Марс). Меркурий и Луна Земли почти не имеют атмосферы. Юпитер и другие газовые гиганты имеют удивительно плотную и обширную атмосферу.

Как видно на рис. 1, атмосфера Земли состоит в основном из азота (78%) и кислорода (21%), с небольшими количествами аргона, двуокиси углерода и других газов. Хотя он и не включен сюда, водяной пар может составлять 0–4% атмосферы Земли (и не входит в процент, указанный на рисунке 1). Концентрация водяного пара зависит от местоположения и времени суток. [3] Для данной температуры эта величина называется относительной влажностью.

Атмосфера защищает поверхность Земли от вредных космических лучей и удерживает кислород и углекислый газ, необходимые для поддержания жизни. [4] Химический состав атмосферы Земли определяется химическими реакциями, многие из которых исходят из жизни. Жизнь особенно ответственна за атмосферный кислород; без фотосинтеза молекулярный кислород в атмосфере исчез бы химически.

Помимо важности для жизни, атмосфера также позволяет собирать ряд первичных источников энергии. Например, кислород в атмосфере делает возможным сгорание углеводородов (подобных тем, которые содержатся в ископаемом топливе или биотопливе).Атмосфера также служит поглотителем тепла для некоторых типов тепловых двигателей (например, автомобильный двигатель не может работать без сброса отработанного тепла в атмосферу; то же самое можно сказать и о некоторых типах электростанций). Более очевидно, что ветер — это движущаяся атмосфера, поэтому атмосфера необходима для энергии ветра.

Атмосфера отвечает за парниковый эффект, который делает Землю достаточно теплой для жизни. На самом деле, большинство аспектов погоды и климата Земли являются важным следствием атмосферы (океан является еще одним крупнейшим источником).Химия атмосферы менялась со временем. Например, более миллиарда лет в атмосфере почти не было кислорода. На рис. 2 показано, что миллиарды лет назад атмосфера почти полностью состояла из углекислого газа.

Поскольку атмосфера жидкая, она довольно легко перемещается по поверхности Земли. Это делает атмосферу одним из основных векторов загрязнения. Атмосфера — одно из мест, куда люди выбрасывают изрядное количество отходов, особенно отходов электростанций.Некоторые из этих отходов (например, отработанное тепло) в целом безвредны, но большая их часть становится атмосферным загрязнением (напомним, что загрязнение — это все, что люди создают, нанося вред окружающей среде, см. Загрязнение и отходы). Отходы двуокиси углерода (в основном от сжигания ископаемого топлива) усиливают парниковый эффект в атмосфере, что приводит к глобальному потеплению и другим формам изменения климата.

Для дальнейшего чтения

Каталожные номера

  1. ↑ (2014, 6 января). Пропорции атмосферного газа.svg [онлайн]. Доступно: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Atmosphere_gas_proportions.svg
  2. ↑ Изменено с рисунка 17.1: П. Бимблкомб и Т. Д. Дэвис, Кембриджская энциклопедия наук о Земле , Кембридж, Англия: Издательство Кембриджского университета, 1981, с. 276.
  3. ↑ «Состав атмосферы | Климатическое управление Северной Каролины», Climate.ncsu.edu, 2018. [Онлайн]. Доступно: https://climate.ncsu.edu/edu/Composition. [Доступ: 07 июня 2018 г.]
  4. ↑ «Атмосфера защищает», Силы.si.edu, 2018. [Онлайн]. Доступно: http://forces.si.edu/atmosphere/02_04_00.html. [Доступ: 7 июня 2018 г.].

2B: Следование потоку энергии

Часть B: Следование потоку энергии

Профиль атмосферы и заходящее солнце показаны на этом снимке, сделанном членом экипажа 15-й экспедиции на Международной космической станции. Июнь 2007 г. Источник: NASA
.

Солнечная энергия влияет на климат Земли. Энергия солнца нагревает поверхность Земли, согревает атмосферу, обеспечивает энергию для фотосинтеза, вызывает испарение, управляет погодой и круговоротом воды, а также питает океанские течения.На фотографии астронавта справа, сделанной с Международной космической станции, видно, как солнце садится сквозь атмосферу.

Когда мы смотрим на небо с земли, кажется, что атмосфера существует вечно, но на самом деле она очень тонкая по сравнению с диаметром Земли. Чтобы получить представление о толщине тропосферы и стратосферы, двух важных слоев атмосферы, попробуйте это простое упражнение. С помощью циркуля начертите окружность радиусом 127 мм. Этот круг представляет Землю и самую внутреннюю атмосферу.Линия толщиной 1 мм, которую нарисовал ваш карандаш, представляет собой среднюю толщину первых двух слоев атмосферы: тропосферы, области погоды и стратосферы, которая защищает нас от большей части вредного ультрафиолетового (УФ) излучения Солнца. . Работая с этими лабораториями, помните об этом относительном масштабе.

В приведенном ниже примере линия представляет собой толщину атмосферы до верхней точки стратосферы (на 50 км над поверхностью). Девяносто девять процентов массы атмосферных газов находятся в пределах 32 км от поверхности Земли, в этих двух слоях.Только тропосфера содержит 75—80% массы атмосферы. Внешний край линии толщиной 1 мм будет находиться на расстоянии 128 мм от центра дуги (радиус Земли = 6371 км). На картинке ниже пиксели используются как мера расстояния. Чтобы почувствовать, насколько «разреженной» является атмосфера, вы можете попробовать это занятие на открытом воздухе, используя шкалу метров.

Происхождение: Бетси Янгман, нет
Повторное использование: Этот товар предлагается в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях, если вы указываете авторство и предлагаете любые производные работы под аналогичной лицензией.


Излучение — передача энергии невидимыми электромагнитными волнами. Вы, наверное, видели в столовой лампу для подогрева пищи; тепловая лампа использует один тип длинноволнового электромагнитного излучения, инфракрасное излучение инфракрасное излучение: длинноволновое электромагнитное излучение лучистого тепла, излучаемого всеми горячими объектами.В электромагнитном спектре его можно найти между микроволновым излучением и видимым светом. световые волны, чтобы подогреть пищу. Энергия передается от Солнца к Земле с помощью электромагнитных волн или излучения. Большая часть энергии, которая проходит через верхние слои атмосферы и достигает поверхности Земли, имеет две формы: видимый и инфракрасный свет. Большая часть этого света находится в видимом спектре. Когда солнечный свет входит в земную систему, может произойти одно из двух: он может либо поглощаться, либо отражаться.Как только энергия поглощается земной системой, она трансформируется и передается. В конце концов, после многократных переносов, это излучение излучается обратно в космос, поддерживая нашу планету в энергетическом равновесии.

Вся материя состоит из частиц, таких как атомы и молекулы. Эти частицы всегда находятся в движении; это движение известно как кинетическая энергия. Тепловая энергия единицы материи — это полная кинетическая энергия всех частиц в данном объеме, которую мы измеряем как температуру.Перенос энергии из одной области в другую называется теплотой. Эта передача энергии может происходить тремя процессами: излучением, проводимостью и конвекцией. Тепловая энергия, или тепло, всегда перемещается от вещей, которые теплее (имеют больше энергии), к вещам, которые холоднее (имеют меньше энергии). Например, когда вы касаетесь кубика льда теплой рукой, энергия передается от вашей руки к кубику льда, заставляя его таять. Тепло от вашей руки вызывает повышение температуры льда — это называется явным теплом , потому что его можно почувствовать или измерить с помощью термометра. Как только лед начинает таять, тепло больше не меняет температуру льда, а меняет его фазу, в данном случае со льда на воду — это использование тепла при фазовом переходе известно как скрытая теплота .

В этой лаборатории вы изучите сложные энергетические пути и баланс, которые помогают поддерживать нашу планету в идеальном температурном диапазоне.

Энергетический бюджет

Для начала посмотрите видео ниже и сделайте заметки о том, что вы узнали. Вы получите представление о том, как солнечная энергия движется через систему Земли.Обратите внимание на то, как энергия движется от Солнца к Земле и обратно в космос. Обратите внимание на названия типов энергии и на то, когда они поглощаются или отражаются.

После просмотра видео ответьте на вопросы Checking In , перечисленные ниже о Глобальном энергетическом балансе.

Энергетический бюджет Земли от Южно-Центрального научного центра адаптации к климату

Стать бухгалтером энергии

Теперь, когда вы поработали с интерактивом Глобального энергетического баланса, просмотрите годовую диаграмму энергетического баланса Земли, изображенную ниже.

Для упрощения учета вы разобьёте процесс движения энергии на три части. Используйте диаграммы и текст, приведенные ниже, для руководства своими действиями. Хотя процесс непрерывный, а не пошаговый, это упражнение поможет вам отделить детали и создать энергетический «счет».

Прежде чем начать, вам нужно будет собрать 100 монет, бумажных квадратов, фишек для покера, Lego или маленьких кубиков, которые помогут вам вести учет. Вам также понадобятся 3 цветных карандаша: красный, синий и оранжевый.Когда у вас будут необходимые расходные материалы, загрузите и распечатайте этот лист регистрации энергетического баланса (Acrobat (PDF), 1,5 МБ, 1 февраля 22) и копию Инструкций по энергетическому балансу (Acrobat (PDF), 5,8 МБ, 1 февраля 22), чтобы читать их во время работы с лаборатория

После того, как вы соберете свои материалы, вы прочитаете часть печатных инструкций, а затем переместите монеты, представляющие энергию, из одного места в другое.

Обзор энергетических путей  
Начните это задание с изучения энергетических путей. Используя график, показанный выше, определите входящее солнечное излучение. На распечатанной версии рисунка закрасьте входящее излучение синим цветом. Затем раскрасьте стрелки, обозначающие исходящее излучение, в красный цвет, а стрелки скрытого и явного тепла — в оранжевый. Теперь вы разделили входящее и исходящее излучение.

Часть 1. Приходящая солнечная радиация

Солнечная энергия в виде излучения постоянно перемещается в пространстве; купание нашей планеты и ее атмосферы.Излучение, достигающее верхних слоев атмосферы, либо отражается, либо поглощается.

  1. Происхождение: Источник изображения NASA: http://eol.jsc.nasa.gov/scripts/sseop/photo.pl?mission=ISS015&roll=E&frame=10469
    Повторное использование: Этот элемент находится в общественном достоянии и может использоваться повторно свободно без ограничений.

    Прочитайте первые пять слайдов в загруженном PDF-файле (см. выше).
  2. Начните со 100 объектов (т. д., копейки). Разделите их на пять столбцов на листе бумаги следующим образом. Эти пенни представляют 100 процентов солнечной энергии, поступающей от солнца, или 100 единиц. Сложите пенни в соответствии с тем, что происходит с каждой единицей энергии, когда она проходит через атмосферу по пути к поверхности Земли, как показано на диаграмме выше.

23 единицы = отражается облаками и атмосферой
7 единиц = отражается поверхностью Земли
19 единиц = поглощается атмосферой (озон, аэрозоли, пыль)
4 единицы = поглощается облаками
47 единиц = поглощается Землей поверхности (преимущественно океан)

  1. Затем сложите и запишите общее количество единиц в своей тетради для учащихся.
  2. Сумма отраженных копеек; у вас должно быть 30.
  3. Сумма поглощенных копеек; у вас должно быть 70. Эти пенни представляют собой количество радиации, которая попала в энергетическую систему Земли. Часть этой энергии сейчас находится в атмосфере (23 единицы), а остальная часть поглощена Землей (в частности, гидросфера, биосфера и литосфера — 47 единиц). Результаты первой части Изображение выполненного шага 1

    Происхождение: Sarah Hill
    Повторное использование: Этот товар предлагается в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях, если вы указываете авторство и предлагаете любые производные работы под аналогичной лицензией.

    Изображение выполненного шага 1

    Происхождение: Sarah Hill
    Повторное использование: Этот предмет предлагается в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете повторно использовать этот предмет не по назначению. -коммерческие цели, если вы указываете авторство и предлагаете любые производные работы под аналогичной лицензией.


Часть 2. Баланс поверхностной энергии

В части 1 вы видели, что около 30 процентов падающего солнечного света отражается обратно в космос частицами в атмосфере или яркими поверхностями земли, что оставляет около 70 процентов поглощения атмосферой (23 процента) и поверхностью Земли (47 процентов). ), включая океан. Для баланса энергетического баланса на поверхности Земли процессы на поверхности должны передавать и преобразовывать 47 процентов поступающей солнечной энергии, которую поглощают поверхности океана и суши, обратно в атмосферу и, в конечном итоге, в космос.Энергия покидает поверхность в результате трех ключевых процессов: испарения, конвекции и излучения теплового инфракрасного (ИК) излучения.

  1. Происхождение: Наша изменяющаяся планета
    Повторное использование: Этот предмет предлагается в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3. 0/ Вы можете повторно использовать этот предмет для некоммерческих целях, если вы указываете авторство и предлагаете любые производные работы под аналогичной лицензией.

    Прочтите следующие три слайда (часть 2) загруженного вами PDF-файла (см. выше).
  2. Перенесите 47 копеек, представляющих поглощенную энергию в системе Земля, на новый лист бумаги. Эта энергия, которая была поглощена поверхностью Земли, теперь будет передаваться обратно в атмосферу посредством нескольких процессов. Чтобы представить это, сложите пенни в четыре новых столбца следующим образом.

24 единицы = скрытая теплота: энергия, которая используется при испарении, транспирации и конденсации 5 единиц = явная теплота: энергия, вызывающая конвекцию 12 единиц = испускаемая Землей непосредственно обратно в космос 6 единиц = чистое количество радиации, поглощаемой атмосферой

Это длинноволновое излучение, которое излучается с поверхности Земли в атмосферу (116), за вычетом энергии, которая напрямую передается в космос (12) в сочетании с той, которая повторно излучается обратно на Землю атмосферой (98). Уравнение будет таким: [116-(12+98)]= 6

  1. Запишите эти числа в свою ученическую тетрадь. Результаты второй части Изображение завершенного шага 2

    Происхождение: Sarah Hill
    Повторное использование: Этот предмет предлагается в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете повторно использовать этот предмет не по назначению. -коммерческие цели, если вы указываете авторство и предлагаете любые производные работы под аналогичной лицензией.


    Изображение завершенного шага 2

    Происхождение: Sarah Hill
    Повторное использование: Этот предмет предлагается в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете повторно использовать этот предмет не по назначению. -коммерческие цели, если вы указываете авторство и предлагаете любые производные работы под аналогичной лицензией.



Часть 3. Энергетический баланс атмосферы
Третий этап процесса перемещает энергию из атмосферы обратно в космос посредством следующих процессов.

  1. Происхождение: НАСА http://www.nasa.gov/multimedia/imagegallery/image_feature_324.html
    Повторное использование: Этот объект находится в общественном достоянии и может свободно использоваться повторно без ограничений.

    Прочтите следующие два слайда (часть 3) загруженного вами PDF-файла (см. выше).
  2. Соберите 19 и 4 монетки, которые были поглощены атмосферой и облаками.
  3. Соберите монеты номиналом 24 и 5 центов, которые попали в атмосферу благодаря скрытому и явному теплу.
  4. Соберите 6 монет, оставшихся в атмосфере.
  5. Переместите эти 58 монет в два оставшихся места в следующих количествах:

49 единиц = излучается атмосферой
9 единиц = излучается облаками

  1. Сложите три поля в правом верхнем углу листа. Это единицы длинноволнового излучения, переносимого атмосферой обратно в космос.
  2. Запишите эти числа на листе бумаги в виде гистограммы или гистограммы.Сложите общее количество пенни, которое у вас есть на бумаге. Результаты 3 части Изображение выполненного шага 3

    Происхождение: Sarah Hill
    Повторное использование: Этот предмет предлагается в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете повторно использовать этот предмет не по назначению. -коммерческие цели, если вы указываете авторство и предлагаете любые производные работы под аналогичной лицензией.


    Когда вы закончите, ответьте на вопросы Checking In , приведенные ниже.

Регистрация

  • Сколько у вас всего? Остались копейки? Где они и что представляют?

    Все пенни теперь должны вернуться в космос, чтобы сбалансировать ваш глобальный энергетический бюджет.

  • Как вы думаете, что произойдет, если изменить количество энергии, отражаемой атмосферой или поверхностью Земли? Можете ли вы привести пример, когда это может произойти?

    Некоторые типы облаков отражают солнечный свет, другие частицы, такие как пепел вулканов, также сильно отражают солнечную энергию.Увеличение отражательной способности Земли происходит, когда континенты и океаны покрываются льдом и снегом. Либо меньше поступающего, либо меньшее поглощенное излучение приведет к охлаждению системы.

  • Как радиация возвращается из системы? Как он излучается и как трансформируется? Приведите несколько примеров.

    Скрытая теплота является примером того, как солнечное излучение преобразуется из электромагнитного излучения в кинетическую энергию молекул воды.
    Явное тепло, может быть обнаружено термометрами как тепло. Изменение температуры является индикатором того, что солнечное излучение было поглощено поверхностью. Поскольку воздух нагревается поверхностями или солнечным излучением, он вызывает конвекционные потоки, иногда называемые термиками .
    Другое поглощенное солнечное излучение испускается поверхностями в виде длинноволнового (или инфракрасного) излучения, а затем в конечном итоге возвращается в космос через атмосферу.

 
Вернитесь к интерактивному диалогу «Поток энергии» выше.Просмотрите интерактив еще раз, помня о шагах по учету энергии. Затем ответьте на вопросы «Остановись и подумай » ниже.

Остановись и подумай

6. Теперь, когда вы рассмотрели энергетический баланс Земли, обсудите, как изменения характеристик поверхности Земли и/или состава атмосферы могут способствовать глобальному потеплению или похолоданию.

7. Дополните следующие фразы и добавьте свою собственную:

  • Больше радиации = _______ потепление
  • Меньшее отражение = _______ потепление
  • Больше поглощения = ________ согревание
  • ______________ = ________________

Откуда мы знаем то, что знаем?

Измерение радиационного баланса Земли — огромная и важная задача! Как мы можем точно и одновременно знать, сколько энергии поступает в земную систему, отражается облаками и излучается обратно в космос? Чтобы получить глобальное представление об этом балансе, ученые используют инструменты на спутниках. В следующем видео объясняется, как датчики Clouds and the Earth’s Radiant Energy System (CERES) на спутниках НАСА Aqua и Terra измеряют энергетический баланс Земли.

Дополнительное расширение

Домашняя страница миссии CERES содержит дополнительную информацию о том, как научные миссии НАСА измеряют энергетический баланс Земли. Дополнительную справочную информацию, наборы данных и подробности об энергетическом балансе Земли можно найти по следующим ссылкам:

.

NWS Jetstream — на веб-сайте энергетического баланса Земли и атмосферы есть дополнительные пояснения, диаграммы и краткое объяснение того, как облачный покров может способствовать повышению температуры в ночное время.

Единицы на диаграммах в этом упражнении выражены в процентах от поступающих 342 ватт на метр 2 солнечной энергии. Эти проценты могут быть не одинаковыми на каждой диаграмме, поскольку есть некоторые различия в объяснениях ученых о том, сколько энергии содержится в каждой части системы.

Видео, объясняющее передачу энергии и тепла от Южно-Центрального научного центра адаптации к климату

Чтобы просмотреть полезный интерактив Energy Budget для iPad, используйте эту ссылку, чтобы загрузить/открыть бесплатное приложение TERC EarthLabs.


Для просмотра этого видео включите JavaScript и рассмотрите возможность обновления веб-браузера до поддерживает HTML5 видео

Energy Flow от TERC и informmotion

*Это видео заменяет Flash-анимацию.

Для просмотра этого видео включите JavaScript и рассмотрите возможность обновления веб-браузера до поддерживает HTML5 видео

из Калифорнийского университета в Сан-Диего.Мемори Ясуда и Уэсли Белланка *Это видео заменяет интерактивный Flash.

DOE объясняет… Атмосферное излучение | Министерство энергетики

Атмосферное излучение представляет собой поток электромагнитной энергии между Солнцем и поверхностью Земли под влиянием облаков, аэрозолей и газов в земной атмосфере. Оно включает как солнечное излучение (солнечный свет), так и длинноволновое (тепловое) излучение. Несколько факторов влияют на количество солнечной радиации, достигающей поверхности Земли, и количество радиации, покидающей атмосферу Земли.Эти факторы включают атмосферные элементы, такие как облачные капли, влажность, температура, атмосферные газы, аэрозольные частицы и даже характеристики поверхности суши и океана. Атмосферное излучение чрезвычайно важно для понимания, поскольку оно влияет как на погоду (например, нагрев поверхности земли солнечным светом приводит к образованию конвективных облаков), так и на климат (например, долгосрочные изменения количества излучения, отраженного или поглощенного аэрозолями, облака или газы могут изменить температуру или характер осадков).

Управление науки Министерства энергетики США: Вклад в измерения атмосферной радиации

Пользовательское оборудование Управления науки Министерства энергетики США по измерению атмосферной радиации (ARM) управляет шестью основными наблюдательными площадками по всему миру для изучения изменчивости атмосферного энергетического баланса. На этих площадках есть радары, лидары и другие специализированные инструменты, которые совместно измеряют свойства атмосферы и атмосферное излучение, достигающее и покидающее поверхность Земли. Они измеряют более 100 переменных, включая профили температуры и влажности воздуха, физику и химический состав аэрозолей, солнечную и длинноволновую радиацию, свойства облаков, углекислый газ, озон, влажность почвы, осадки и даже детали колебаний ветра.ARM также использует самолеты и привязные воздушные шары для измерения деталей, не наблюдаемых с земли, таких как размер, количество и состав аэрозольных и облачных частиц в атмосфере. Наземные приборы работают 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, чтобы полностью замерять суточные и годовые циклы атмосферных свойств и радиации.

Компания ARM, основанная в 1989 году, стала первым крупномасштабным предприятием, использующим широкий набор инструментов для непрерывного измерения свойств облаков и аэрозолей и их влияния на энергетический баланс Земли.Наука, полученная в результате анализа данных ARM, изменила правила игры. Сейчас это модель для программ по всему миру. Поскольку ARM на сегодняшний день является самым совершенным средством для улучшения научного понимания физических свойств атмосферы, ученые всего мира используют данные ARM для улучшения численных моделей погоды и климата, чтобы повысить безопасность и средства к существованию людей во всем мире. Эти исследования способствуют выполнению миссии Министерства энергетики по решению энергетических и экологических проблем.

Факты об атмосферном излучении

  • Служба ARM Министерства энергетики собирает атмосферные данные более 25 лет с использованием трех стационарных и трех мобильных средств.
  • Пользовательский центр DOE ARM провел подробные измерения свойств атмосферы и радиации на всех континентах (в том числе на ледяных щитах Антарктиды), на кораблях в море (включая середину Северного Ледовитого океана) и во многих местах по всей территории Соединенных Штатов. Состояния.
  • Сложные взаимодействия между изморосью, радиацией и турбулентностью важны для эволюции слоисто-кучевых облаков.
  • Воздействие облачных капель, а также аэрозольных частиц на атмосферное излучение является значительным и зависит от деталей размеров частиц, физической формы и химических характеристик.

Ресурсы и связанные термины

 

Научные термины могут сбивать с толку. DOE Explains предлагает простые объяснения ключевых слов и понятий в фундаментальной науке. В нем также описывается, как эти концепции применяются к работе, которую проводит Управление науки Министерства энергетики, помогая Соединенным Штатам преуспеть в исследованиях по всему научному спектру.

1. Солнце дает энергию

Учение об энергии Солнца подкрепляется пятью ключевыми понятиями:

а. Солнечный свет, достигающий Земли, может нагревать землю, океан и атмосферу. Часть этого солнечного света отражается обратно в космос поверхностью, облаками или льдом. Большая часть солнечного света, достигающего Земли, поглощается и нагревает планету.

б. Когда Земля излучает столько же энергии, сколько поглощает, ее энергетический баланс находится в равновесии, и ее средняя температура остается стабильной.

в. Наклон оси Земли относительно ее орбиты вокруг Солнца приводит к предсказуемым изменениям продолжительности дневного света и количества солнечного света, получаемого на любой широте в течение года. Эти изменения вызывают годовой цикл сезонов и связанные с ними изменения температуры.

д. Постепенные изменения вращения Земли и ее орбиты вокруг Солнца меняют интенсивность солнечного света, получаемого в полярных и экваториальных регионах нашей планеты. По крайней мере, в течение последнего миллиона лет эти изменения происходили в виде 100 000-летних циклов, которые порождали ледниковые периоды и более короткие теплые периоды между ними.

эл. Значительное увеличение или уменьшение выхода солнечной энергии приведет к тому, что Земля нагреется или остынет. Спутниковые измерения, проведенные за последние 30 лет, показывают, что выход солнечной энергии изменился незначительно и в обоих направлениях. Считается, что эти изменения солнечной энергии слишком малы, чтобы быть причиной недавнего потепления, наблюдаемого на Земле.

Энергия Солнца управляет климатической системой

Солнце согревает планету, управляет гидрологическим циклом и делает возможной жизнь на Земле.Количество солнечного света, поступающего на поверхность Земли, зависит от отражательной способности поверхности, угла наклона солнца, выхода солнца и циклических изменений орбиты Земли вокруг Солнца.

Основы науки о солнечной энергии и роли, которую она играет для климата Земли, могут быть поняты учащимися средней школы, но сложности энергетического баланса Земли остаются областью активных научных исследований. Таким образом, эта тема одновременно и элементарна, и сложна.

Этот принцип связан с Принципом Энергетической Грамотности 2: Физические процессы на Земле являются результатом потока энергии через систему Земли.

Покажите учащимся основы механики климатической системы

Понимание роли солнечной радиации в климатической системе Земли может помочь нам понять такие важные понятия, как:

Причины смены времен года.

На этом рисунке показан наклон земной оси, который вызывает смену времен года. (Примечание: расстояние и диаметр НЕ масштабируются.)

Происхождение: Это изображение было создано Rhcastilhos и размещено на Викискладе.Автор этого изображения сделал его общедоступным.
Повторное использование: Этот элемент находится в общественном достоянии и может свободно использоваться повторно без ограничений.

Времена года обусловлены наклоном земной оси. Наклонная ось означает, что северная и южная части Земли не получают одинакового количества солнечной радиации (энергии на единицу площади). Когда южное полушарие наклонено к солнцу, в южном полушарии лето, а в северном – зима. (Принцип 1с)


Причины возникновения ледниковых периодов.

Ледниковые периоды были вызваны изменениями в распределении солнечной радиации, поступающей по поверхности Земли. Путь земной орбиты непостоянен. Изменения орбитального пути Земли вызывают изменение солнечного излучения, достигающего любой точки на поверхности Земли. (Принцип 1d)


Как количество энергии, излучаемой солнцем (светимость солнца), изменяется с течением времени.

Выход солнца не постоянен.Его светимость (общая энергия, излучаемая солнцем) увеличилась за геологическое время и немного меняется в более коротких временных масштабах.


Почему недавнее потепление климата не было вызвано увеличением выработки солнечной энергии.

Выход солнечной энергии за последние десятилетия изменился недостаточно, чтобы объяснить повышение температуры, которое наблюдалось в то же время. (Принцип 1е)


Большинство форм энергии, используемых людьми, получают из солнечной энергии.

Многие формы энергии, которые люди используют, в конечном итоге получают из солнечной радиации, например, продукты питания, углеводороды (такие как нефть и природный газ), энергия ветра, гидроэлектроэнергия и, конечно же, солнечная энергия.

Помощь учащимся в понимании этих идей

На этом рисунке показана картина изменений орбиты Земли (называемых циклами Миланковича) за 1 000 000 лет и их влияние на солнечное воздействие. Нижняя кривая показывает циклы недавних ледниковых периодов.

Происхождение: Это изображение было создано Робертом А. Роде на основе общедоступных данных и включено в проект Global Warming Art.
Повторное использование: Этот элемент предлагается в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях до тех пор, пока вы указываете авторство и предлагаете любые производные работы под аналогичной лицензией.

В большинстве программ и стандартов естественнонаучного образования роль Солнца в обеспечении энергией системы Земля включена, но часто в разрозненной форме.Времена года и их роль в формировании сезонных погодных условий и миграции животных можно преподавать в начальной школе, а затем не возвращаться к ним в течение многих лет, если вообще.

Более того, учащиеся всех возрастов, включая студентов колледжей и взрослых, с трудом понимают, что вызывает смену времен года. В дополнение к осевому наклону факторы, которые играют роль в ментальных моделях людей, включают веру в то, что Земля вращается вокруг Солнца по вытянутой эллиптической траектории; путаница относительного размера, движения и расстояния Земли от Солнца; как путешествует свет; длина обращения Земли вокруг Солнца; и даже период вращения.Одна из стратегий смягчения этого распространенного заблуждения состоит в том, чтобы гарантировать, что «причины времен года» должным образом рассматриваются в старшей школе, когда учащиеся имеют достаточный опыт в геометрии и физике, чтобы понять концепции (McCaffrey & Buhr, 2008).

Количество солнечной энергии, получаемой Землей, следует естественному 11-летнему солнечному циклу небольших взлетов и падений без чистого увеличения с 1950-х годов. За тот же период глобальная температура заметно повысилась.Поэтому крайне маловероятно, что Солнце вызвало наблюдаемую тенденцию глобального потепления температуры за последние полвека. Изображение из НАСА.

Происхождение: Изображение из НАСА, с https://climate.nasa.gov/faq/14/is-the-sun-causing-global-warming/
Повторное использование: Этот элемент находится в общественном достоянии и может использоваться повторно свободно без ограничений.

Постоянное заблуждение состоит в том, что наше недавнее потепление климата связано с изменениями поступающей солнечной энергии, а не с увеличением выбросов парниковых газов.Это можно решить, изучив записи о солнечной энергии и сравнив их с глобальными данными о температуре. Данные ясно показывают, что солнечное излучение не коррелирует с температурой Земли.

Прекрасные объяснения этому можно найти в Skeptical Science: Sun and Climate: Moving in Opposite Directions и с графикой от Bloomberg: What’s Really Warming the World? Этот увлекательный график построен на основе данных НАСА и выходных данных модели.


Внедрение этих идей в ваш класс

Солнечная радиация является основной энергией, управляющей нашей климатической системой, и почти все климатические и биологические процессы на Земле зависят от солнечной энергии.Энергия солнца необходима для многих процессов на Земле, включая нагревание поверхности, испарение, фотосинтез и атмосферную циркуляцию. Таким образом, изучение того, как солнце подпитывает различные процессы на Земле, может быть частью многих типов научных курсов. Многие из научных концепций, связанных с этим принципом, можно реализовать, поощряя сезонные наблюдения, участвуя в гражданских научных программах со студентами (таких как GLOBE) и периодически пересматривая основы того, как количество и интенсивность солнечной энергии влияет на климат Земли.

То, как энергия Солнца управляет климатической системой, можно изучать с самого базового уровня и выше с помощью самых сложных научных подходов.

Интеграция решений — Научные концепции, связанные с солнечным излучением, могут быть расширены за счет включения техники и технологии солнечной энергетики, включая солнечные печи, пассивное солнечное проектирование, солнечную тепловую энергию и солнечное электричество. Это может помочь повысить осведомленность об альтернативах использованию ископаемого топлива и создать форум для обсуждения решений проблемы изменения климата, которые может принять наше общество.


Учебные материалы из коллекции CLEAN На этом рисунке показано, как белый лед отражает солнечный свет, а более темная океанская вода поглощает солнечный свет. Это называется альбедо или отражательная способность.

Происхождение: Авторы и права: НАСА
Повторное использование: Этот предмет находится в общественном достоянии и может свободно использоваться повторно без ограничений.

Средняя школа

  • Глобусы и другие физические модели можно использовать для демонстрации наклона земной оси и того, как он влияет на распределение солнечного света в разные времена года, например, в книге «Мой угол охлаждения: влияние расстояния и наклона».
  • Введение в климат Земли. Этот урок представляет собой введение в климат Земли и охватывает ключевые принципы, касающиеся уникального климата Земли, атмосферы, а также региональных и временных климатических различий.
  • Хотите приключений? Удивительное альбедо — это практическое занятие, которое включает в себя измерение температуры различных цветных поверхностей.


Средняя школа

  • Приложение The Climate: A Balanceing Act позволяет учащимся регулировать параметры, влияющие на энергетический баланс Земли: поступающее солнечное излучение, эффект альбедо, парниковый эффект и исходящее излучение.
  • Учащиеся могут узнать, как орбитальные циклы и ледниковые периоды хорошо соотносятся с климатическим апплетом Циклы Миланковича.
  • Интерактивный инструмент визуализации This Seasons может стать основой для открытого исследования того, как солнечное излучение меняется в зависимости от местоположения и времени года.
  • Видео
  • The Solar Influence: Climate Change от Национальной академии может помочь подтвердить доказательства того, что солнечная активность , а не вызывает глобальное потепление.

Родственные педагогические методы:

Колледж

 

Найдите упражнения и наглядные материалы для преподавания этой темы

Поиск по уровню обучения: средняя школа средняя школа введение колледж старшие классы колледж поиск все уровни обучения

Каталожные номера

Какова роль Солнца в изменении климата? — НАСА предлагает удобочитаемый, но авторитетный взгляд на то, почему солнечная активность, солнечные циклы и солнечные пятна не связаны с сегодняшним потеплением климата.У НАСА есть соответствующий пост, который развенчивает миф о надвигающемся ледниковом периоде.

Солнце и климат: движение в противоположных направлениях На этой странице веб-сайта Skeptical Science даны четкие ответы на распространенные вопросы и неверные представления об изменении климата.

Что на самом деле согревает мир? — На этом анимированном графике сравниваются различные факторы, воздействующие на климат Земли. Климатические изменения, вызванные изменением орбиты, светимостью Солнца и вулканическими выбросами, сравниваются с эффектом выбросов парниковых газов.Графика очень привлекательна, а данные получены из Института космических исследований имени Годдарда НАСА (GISS).

McCaffrey & Bur, 2008: Разъяснение климатической путаницы. — Статья в журнале Physical Geography о распространенных заблуждениях в науке о климате.

Дополнительные ресурсы

Видео об этом принципе


Инклюзивное учебное пособие по климату

2. Энергия в физических процессах

Учение об энергии и физических процессах поддерживается 7 ключевыми понятиями:

2. 1 Земля постоянно меняется, поскольку энергия течет через систему. Геологические, ископаемые и ледовые записи свидетельствуют о значительных изменениях на протяжении всей истории Земли. Эти изменения всегда связаны с изменениями потока энергии через земную систему. Этому изменению способствовали как живые, так и неживые процессы.

2.2 Солнечный свет, гравитационный потенциал, распад радиоактивных изотопов и вращение Земли являются основными источниками энергии, управляющими физическими процессами на Земле.Солнечный свет является внешним по отношению к Земле источником, тогда как радиоактивные изотопы и гравитационный потенциал, за исключением приливной энергии, являются внутренними. Радиоактивные изотопы и гравитация работают вместе, чтобы производить геотермальную энергию под поверхностью Земли. Вращение Земли влияет на глобальные потоки воздуха и воды.

2.3 Погода и климат Земли в основном определяются энергией Солнца. Например, неравномерное нагревание поверхности Земли и атмосферы Солнцем вызывает конвекцию в атмосфере, вызывая ветры и влияя на океанские течения.

2.4 Вода играет важную роль в хранении и передаче энергии в системе Земля. Большая роль воды обусловлена ​​ее распространенностью, высокой теплоемкостью и тем, что на Земле регулярно происходят фазовые переходы воды. Солнце обеспечивает энергию, которая управляет круговоротом воды на Земле.

2.5 Движение вещества между резервуарами обусловлено внутренними и внешними источниками энергии Земли. Эти движения часто сопровождаются изменением физических и химических свойств вещества.Углерод, например, встречается в карбонатных породах, таких как известняк, в атмосфере в виде углекислого газа, в воде в виде растворенного углекислого газа и во всех организмах в виде сложных молекул, которые контролируют химию жизни. Энергия управляет потоком углерода между этими различными резервуарами.

2.6 Парниковые газы влияют на поток энергии через систему Земли. Парниковые газы в атмосфере, такие как углекислый газ и водяной пар, прозрачны для большей части падающего солнечного света, но не для инфракрасного света от нагретой поверхности Земли. Эти газы играют важную роль в определении средних глобальных приземных температур. Когда Земля излучает столько же энергии, сколько поглощает, ее средняя температура остается стабильной.

2.7 Последствия изменений в энергетической системе Земли часто проявляются не сразу. Реакция на изменения в энергетической системе Земли, вход и выход, часто заметна только в течение месяцев, лет или даже десятилетий.

Энергия движет Земной системой

Вулканические огненные фонтаны извергаются в Мауна-Улу в 1969 году, показывая проблеск внутреннего тепла Земли.Изображение предоставлено Геологической службой США.

Происхождение: Изображение предоставлено Геологической службой США.
Повторное использование: Этот элемент предлагается в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях до тех пор, пока вы указываете авторство и предлагаете любые производные работы под аналогичной лицензией.

Когда учащиеся узнают о процессах на Земле, они обычно сосредотачиваются на самих процессах, таких как тектоника плит, приливы или течения.Эти идеи иллюстрируют, как все процессы на Земле управляются энергией. Перенос энергии можно рассматривать как движущую силу земной системы.

Большая часть энергии в системе Земли поступает всего из нескольких источников: солнечной энергии, гравитации, радиоактивного распада и вращения Земли. Солнечная энергия управляет многими поверхностными процессами, такими как ветры, течения, гидрологический цикл и климатическая система в целом. Гравитация заставляет реки и другие материалы течь вниз по склону и создает приливы (из-за гравитационного притяжения Луны).Радиоактивный распад создает тепло в недрах Земли, а силы вращения Земли влияют на потоки воздуха и воды.

Эти идеи в значительной степени пересекаются с Принципами 1 и 2 климатической грамотности. Принцип 1 климатической грамотности фокусируется на Солнце как на основном источнике энергии для климатической системы Земли, а Принцип 2 климатической грамотности объясняет, что парниковые газы влияют на энергетический баланс Земли. Земной шар. Углекислый газ и другие парниковые газы задерживают исходящую радиацию, которая в противном случае вышла бы за пределы земной системы, тем самым нагревая атмосферу.Он также обобщает углеродный цикл через различные поглотители и источники углерода.

Потоки энергии могут меняться со временем

На этой карте показан снимок направления ветра, дующего над США.

Происхождение: Изображение из Wind Map
Повторное использование: Если вы хотите использовать этот предмет за пределами этого сайта способами, выходящим за рамки добросовестного использования (см. http://fairuse.stanford.edu/), вы должны получить разрешение от его создателя.

Энергетические потоки на Земле могут принимать различные формы.В некоторых случаях потоки энергии постоянны, например, при распаде естественных радиоактивных материалов внутри Земли. Этот процесс выделяет тепло недрам Земли, что помогает управлять движением тектоники плит с довольно постоянной скоростью.

В других случаях потоки энергии могут изменяться во времени, например, в углеродном цикле. Энергия управляет потоком углерода между различными резервуарами. Углерод может существовать в карбонатных породах (таких как известняк), запасах ископаемого топлива (таких как уголь, нефть или природный газ), в атмосфере, в океанах или в молекулах биологических организмов.Крупномасштабное сжигание ископаемого топлива удаляет накопленный органический углерод из земной коры и выбрасывает углекислый газ в атмосферу. Это изменило состав атмосферы, так что она более эффективно улавливает уходящее тепло. Таким образом, люди изменили естественный энергетический баланс Земли.

Даже без людей на Земле произошли изменения в энергетическом балансе. В течение геологического времени произошли резкие изменения в потоке энергии через Землю.Например, Земля была полностью расплавлена ​​в начале своей геологической истории и была покрыта льдом в докембрийский период. Когда-то Солнце было на 30% тусклее, чем сегодня.

Исследуйте эти идеи в контексте Учения о ранней Земле.

Эти драматические изменения иллюстрируют, как изменяющиеся потоки энергии через систему Земли изменили ход истории Земли. Учащиеся могут оценить, как на энергетический баланс планеты повлияло как природное, так и человеческое влияние.

 

Помощь учащимся в понимании этих идей

Эти понятия тонкие. Гораздо легче понять знакомый наблюдаемый физический процесс, чем понять энергию, которая им управляет. Начните с процессов, в которых энергию легко наблюдать, таких как извержения вулканов или ураганы. Оттуда студенты могут оценить, как энергия является частью почти каждого процесса на Земле. Предложите учащимся использовать концептуальную карту, чтобы связать процесс с задействованными типами энергии.Вернитесь к Энергетическому Принципу 1 за списком различных форм энергии.

В качестве альтернативы педагоги могут использовать системный подход. Используя гидросферу в качестве одного из примеров, учащиеся могут изучить, как энергия поглощается на протяжении всего цикла. Солнечная энергия вызывает испарение; неравномерный нагрев Земли вызывает движение воздушных масс; Силы Кориолиса помогают штормам обрести форму; и гравитация заставляет реки течь вниз по склону. Другим важным фактором является высокая теплоемкость (или удельная теплоемкость) воды.Это означает, что для изменения температуры воды требуется много энергии. Этот смягчающий эффект позволяет водной среде оставаться при относительно стабильной температуре по сравнению с воздухом. Это также объясняет, почему в районах вблизи больших водоемов температура умеренная с меньшим количеством экстремальных температур, чем в местах, удаленных от воды.

При обучении изменению климата подумайте, как потепление атмосферы влияет на другие процессы, такие как бури, волны тепла и другие формы экстремальных погодных явлений.Благодаря высокой теплоемкости воды океаны могут поглощать большую часть тепла, вызванного изменением климата. Но какие еще последствия это имеет?

Еще один способ связать эти идеи с изучением изменения климата — взглянуть на альбедо. Эта концепция исследует, как энергия Солнца может поглощаться поверхностью Земли или отражаться от нее и отражаться обратно в космос. Снег и лед отражают большую часть поступающей радиации. Более темные поверхности, такие как открытый океан и голая земля, поглощают больше энергии.По мере отступления ледников и таяния морского льда потеря площади, покрытой льдом, способствует дальнейшему потеплению. Это один из примеров самоусиливающегося цикла обратной связи.

 

Принесите эти идеи в свой класс

Этот принцип можно внедрить в уроки о процессах на Земле, чтобы учащиеся ознакомились с идеей о том, что энергия является неотъемлемой частью почти всех процессов на Земле. Обучение потоку энергии в системах является одним из способов поощрения системного мышления у учащихся.

Поскольку эти идеи могут быть абстрактными, педагогические приемы, воплощающие их в жизнь, полезны. Визуализация и моделирование могут выявить скрытые процессы в работе. Картирование понятий может помочь учащимся найти связь между причиной и следствием. Студенты могут даже принять стратегию ролевой игры, чтобы стать атомом углерода или тропическим штормом. Как только учащиеся познакомятся с идеей о том, что энергия присуща земным процессам, эти принципы могут быть включены во многие темы наук о Земле.


Учебные материалы из коллекции CLEAN


Средняя школа

  • Удивительное альбедо — это лаборатория, в которой учащиеся используют термометры, белую и темную бумагу и лампы для измерения различий в альбедо.Установлены связи с альбедо в Антарктиде.
  • Геотермальная энергия: использование силы Земли — в этом коротком видеоролике объясняется, как геотермальная энергия используется, преобразуется в пар, транспортируется в генераторы и преобразуется в электричество.


Средняя школа

  • Визуализация «Земля — это система» помогает объяснить, почему понимание Земли как интегрированной системы компонентов и процессов необходимо для естественнонаучного образования. Видео «Удар по солнечному балансу» использует красочную анимацию, чтобы проиллюстрировать энергетический баланс Земли.
  • Что делает парниковый газ парниковым газом? и почему некоторые молекулы поглощают энергию? предложить учащимся два интерактивных способа (компьютерное моделирование и построение модели на практике) для изучения того, как газы могут улавливать тепло.
  • Анимация
  • Ветер и циркуляция океана иллюстрирует след энергии, которая течет от атмосферных ветров к океанским течениям. Высокое качество анимации привлекает внимание и было бы очень полезно для объяснения сложных процессов, которые трудно себе представить.
  • В задании «Ураганы как тепловые двигатели» учащиеся изучают влияние ураганов на температуру поверхности моря, чтобы понять, как ураганы извлекают тепловую энергию с поверхности океана.


Колледж

Связанные учебные материалы

Обучение системному мышлению для студентов колледжей

Обучающие комплексные системы со STELLA

  • Почему изменение климата делает штормы сильнее. В этом видео рассказывается, как повышение температуры в Арктике влияет на траекторию струйного течения, силу штормов и продолжительность отдельных погодных явлений.
  • Упражнение «Моделирование энергетического баланса Земли» использует программу моделирования STELLA Box для определения температуры Земли на основе входящего и исходящего излучения, альбедо и сложной атмосферы со скрытыми и явными потоками тепла.
  • Анимация «Парниковые газы — ИК-спектры» позволяет учащимся исследовать инфракрасные спектры парниковых газов и изображать спектры поглощения. Также могут быть наложены вибрационные моды и энергетический спектр Земли.

Найдите упражнения и наглядные материалы для преподавания этой темы

Поиск по уровню обучения: средняя школа средняя школа введение колледж старшие классы колледж поиск все уровни обучения

Сильные ветры питают электрические поля в верхних слоях атмосферы, НАСА ICON находит

Предоставлено: Центр космических полетов имени Годдарда НАСА.

То, что происходит на Земле, не остается на Земле.

Используя наблюдения миссии НАСА ICON, ученые представили первые прямые измерения долго теоретизируемого динамо Земли на границе космоса: ветряной электрогенератор, который охватывает земной шар на высоте 60 с лишним миль над нашими головами. Динамо вращается в ионосфере, электрически заряженной границе между Землей и космосом. Он питается от приливных ветров в верхних слоях атмосферы, которые быстрее большинства ураганов и поднимаются из нижних слоев атмосферы, создавая электрическую среду, которая может повлиять на спутники и технологии на Земле.

Новая работа, опубликованная сегодня в Nature Geoscience , улучшает наше понимание ионосферы, что помогает ученым лучше предсказывать космическую погоду и защищать наши технологии от ее воздействия.

Запущенная в 2019 году программа ICON, сокращенно от Ionospheric Connection Explorer, представляет собой миссию по расшифровке того, как погода на Земле взаимодействует с погодой в космосе. Радио- и GPS-сигналы проходят через ионосферу, которая является домом для полярных сияний и Международной космической станции. Пустые карманы или плотные скопления электрически заряженных частиц могут нарушить эти сигналы.

Ученые, изучающие атмосферу и космическую погоду, уже давно включают динамо-машину Земли в свои модели, поскольку знали, что она оказывает важное влияние. Но имея мало информации, им пришлось сделать некоторые предположения о том, как это работает. Данные ICON — это первое конкретное наблюдение за ветром, подпитывающим динамо-машину, в конечном итоге влияющим на космическую погоду, для использования в этих моделях.

«Первый год ICON в космосе показал, что предсказание этих ветров является ключом к улучшению нашей способности предсказывать, что происходит в ионосфере», — сказал Томас Иммель, главный исследователь ICON в Калифорнийском университете в Беркли и ведущий автор нового исследования.

В ионосфере высотные ветры, как правило, толкают массивные заряженные частицы больше, чем маленькие отрицательно заряженные электроны. Это разделение между ионами и электронами создает электрическое поле в области динамо у основания ионосферы. Авторы и права: Лаборатория концептуальной анимации НАСА.

Ионосфера подобна плещущемуся морю электрически заряженных частиц, созданных Солнцем и смешанных с нейтральными верхними слоями атмосферы.Зажатая между Землей и космосом, ионосфера реагирует на изменения как Солнца сверху, так и Земли снизу. Исследователям интересно выяснить, какое влияние оказывает каждая сторона. Изучая данные ICON за год, исследователи обнаружили, что большая часть наблюдаемых ими изменений возникла в нижних слоях атмосферы.

Генераторы

работают, многократно перемещая проводник с электричеством, например медный провод, через магнитное поле.Наполненная электрически заряженными газами, называемыми плазмой, ионосфера действует как провод, или, скорее, путаница проводов: электричество течет прямо сквозь нее. Подобно динамо-машине в ядре Земли, динамо-машина в атмосфере создает электромагнитные поля в результате движения.

Сильные ветры в термосфере, слое верхних слоев атмосферы, известном своими высокими температурами, толкают переносящую ток плазму в ионосфере через невидимые силовые линии магнитного поля, которые огибают Землю подобно луковице. Ветер имеет тенденцию толкать массивные положительно заряженные частицы больше, чем маленькие отрицательно заряженные электроны.«Плюсы движутся иначе, чем минусы», — сказал соавтор Брайан Хардинг, физик из Калифорнийского университета в Беркли. «Это электрический ток».

В большинстве генераторов эти компоненты тесно связаны между собой, поэтому они остаются на месте и действуют предсказуемо. Но ионосфера может двигаться как угодно. «Ток генерирует собственное магнитное поле, которое борется с магнитным полем Земли при прохождении», — сказал Иммель. «Итак, вы получаете провод, пытающийся уйти от вас. Это грязный генератор.»