FYZIKÁLNÍ LABORATOŘ
PŘEPRACOVÁNÍ VERZE 1 · ŠEST EXPERIMENTŮ

Ptejte se grafů.
Jak Země vyzařuje?

Změňte jeden parametr, porovnejte dva stavy a hledejte fyzikální příčinu rozdílu.

Začínáme radiačním modelem: zadáváme teploty a počítáme záření. Klimatický model by také počítal vývoj teplot, proudění, vlhkosti, oblaků a výměnu s oceánem. Naše průsečíky proto závisejí na zvoleném pravidlu změny atmosféry.

Jak číst grafy a co znamenají OLR a ASR?

Reference je uložený stav. Uložte ji a měňte jeden parametr; pokud změníte více věcí, rozdíl zahrnuje všechny. Tlačítka porovnání připraví shodné ostatní podmínky.

OLR (Outgoing Longwave Radiation) je odcházející dlouhovlnný, tedy tepelný tok do vesmíru. ASR (Absorbed Solar Radiation) je pohlcený sluneční tok. Oba uvádíme v W m⁻², tedy ve wattech na metr čtvereční, v průměru přes celou planetu.

TOA (Top of Atmosphere) je horní hranice atmosféry, kde porovnáváme příjem a výdej energie celé planety. V atmosférických pokusech ji zastupuje horní okraj modelového sloupce ve výšce 50 000 m. Bilance N = ASR − OLR je kladná, když příjem převyšuje výdej; při N = 0 je vyrovnaná. Značka Δ znamená změnu oproti referenčnímu stavu, například ΔOLR = OLR aktuální − OLR reference.

Teploty uvádíme v K i °C: t [°C] = T [K] − 273,15. Teplotní rozdíl má v obou jednotkách stejnou číselnou hodnotu: změna o 1 K je změna o 1 °C. Ve fyzikálních rovnicích používáme absolutní teplotu v kelvinech.

Ve spektrech je vodorovně vlnočet v m⁻¹. Menší vlnočet znamená delší vlnovou délku, kterou ukazuje kurzor. U vertikálních profilů je výška v metrech na svislé ose; u teplotního profilu je teplota na vodorovné ose. Hodnoty zobrazíte dotykem či šipkami; výběr místa ve spektru potvrdíte Enterem.

V klimatickém modelu změna toku ovlivní teploty a ty zase množství vodní páry, oblaka či teplotní rozdíly mezi vrstvami. Oceán ukládá a přenáší teplo. Proto se může změnit nejen konečná povrchová teplota, ale také profil, albedo a rychlost odezvy; zde tyto děje samostatně nepočítáme.

Spektrální optické tloušťky pocházejí z Oxfordského atlasu. Jejich rozdělení do výšky je náš zjednodušený předpoklad. Teplotní profil ani molekulové koeficienty se samy nepřizpůsobují. Rovnice a předpoklady.

Jak skleníkové plyny ovlivňují energetickou bilanci

Skleníkové plyny umožňují atmosféře účinně pohlcovat a vyzařovat infračervené záření. Pohlcováním atmosféra radiačně získává energii, vyzařováním ji ztrácí. Rozdíl mezi pohlcenou a vyzářenou energií přispívá k ohřívání či ochlazování jednotlivých vrstev, a tím ke změně teplotního pole atmosféry.

Zvýšení množství těchto plynů mění optickou tloušťku — míru zeslabení záření při průchodu atmosférou na daném vlnočtu. Při nezměněných teplotách se tím mění dlouhovlnný tok na TOA. Pro obvyklý zemský teplotní profil má zvýšení CO₂ celkové kladné radiační působení (forcing). Znaménko však není vlastností absorpce samotné: při stejné teplotě povrchu a celé atmosféry se zde OLR nemění; při některých inverzních profilech může naopak vzrůst.

Vznikne-li energetická nerovnováha, systém na ni reaguje změnou svého stavu, zejména teplot povrchu a atmosféry včetně jejího vertikálního profilu. V nové globální energetické rovnováze se OLR na TOA opět rovná ASR. Pokud se během odezvy změní albedo, změní se také hodnota ASR.

V této laboratoři teploty vrstev zadáváte; jejich místní ohřívání a ochlazování nepočítáme. Experimenty 2 a 3 ukazují změnu OLR při pevných teplotách, experiment 6 hledá novou povrchovou teplotu podle zvoleného pravidla změny atmosféry. Podrobné vysvětlení dlouhovlnné složky působení a následné odezvy najdete v rozbalovacích výkladech experimentů 2 a 6.

Otázka→Pokus→Pozorování→Vysvětlení
01

Povrch bez atmosféry

Jak teplota mění spektrum a celkový výdej?

Najděte průsečík příjmu a výdeje. Potom změňte albedo.

Otevřít pokus →
02

Přidávání CO₂

Kde ve spektru se projeví zdvojnásobení CO₂?

Porovnejte rozdíl a příspěvky obou stavů při zvoleném vlnočtu.

Otevřít pokus →
03

Teplotní profil

Může více CO₂ zvýšit odcházející tok?

Vyzkoušejte pokles teploty, plnou izotermii a inverzi.

Otevřít pokus →
04

Izotermická vrstva

Co nahradí zeslabené záření povrchu?

Sledujte dvě části toku a jejich součet při změně absorpce.

Otevřít pokus →
05

Překryv plynů

Je účinek CO₂ stejný s vodou a bez vody?

Porovnejte oba zásahy a prozkoumejte překryv spekter.

Otevřít pokus →
06

Radiační rovnováha

Jak změna toku posune rovnováhu?

Oddělte počáteční změnu bilance od hledání nové teploty.

Otevřít pokus →

Co v laboratoři opravdu počítáme

Planckův zákon a přenos záření určují výsledky. Spektrální absorpce pochází z veřejného Oxfordského atlasu (RFM, HITRAN 2012). Žádná absorpční pásma nejsou nakreslená odhadem.

Fyzikální zákony Planckův zákon, Stefanův–Boltzmannův zákon a Schwarzschildova rovnice bez rozptylu, v lokální termodynamické rovnováze.

Numerická aproximace 50 homogenních vrstev, úhlově integrovaný přenos a spektrální vzorkování. Výpočty probíhají před zprůměrováním grafu.

Zjednodušený model Původní sloupcová absorpce je rozdělená do výšky exponenciálně. Koeficienty se při změně teploty ani tlaku nepřepočítávají. Oblaka, rozptyl, konvekce a samostatný výpočet vodního kontinua nejsou přidané.

Odborné klimatické výsledky Hodnota 3,7 W m⁻² pro zdvojnásobení CO₂ je literární odhad po přizpůsobení stratosféry. Tento model ji nepoužívá k úpravě výsledků. Počítá změnu OLR při zadaném profilu.

Grafy ukazují důsledky uvedeného modelu. Výšky příspěvků a rovnovážné teploty nejsou měřením Země ani předpovědí klimatu.

Úplná fyzikální dokumentace · Kontroly přepracování · Pedagogická rozhodnutí · Návod