home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1992 #31 / NN_1992_31.iso / spool / alt / games / gb / 1385 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1992-12-27  |  4.8 KB

  1. Path: sparky!uunet!zaphod.mps.ohio-state.edu!pacific.mps.ohio-state.edu!ohstpy!vancleef
  2. From: vancleef@ohstpy.mps.ohio-state.edu
  3. Newsgroups: alt.games.gb
  4. Subject: Surface temperatures (text)
  5. Message-ID: <15234.2b3d3a8d@ohstpy.mps.ohio-state.edu>
  6. Date: 27 Dec 92 05:09:33 EST
  7. Organization: The Ohio State University, Department of Physics
  8. Lines: 187
  9.  
  10. OK, here is the theory of radiative transfer in a grey atmosphere which
  11. might be useful is producng accurate planets:
  12.  
  13. (See 'The Physics of Atmospheres' by John T. Houghton (1986) for more details,
  14. but this is my interpretation of what he is trying to say :)
  15.  
  16. -Garrett
  17.  
  18.  
  19. -------------------------------------------------------------------
  20.  
  21.  
  22.  
  23. The intensity I absorbed as a function of path length z is the
  24.  
  25. 'optical density' X:
  26.  
  27.     X = integral(0, z) k rho dz
  28.  
  29. k = absorption coefficient, rho = molecular density.
  30.  
  31. X starts at the top of the atmosphere and increases towards the surface in
  32.  
  33. the following model.
  34.  
  35.                        -X
  36. So we have that  I = I
  37.                       0
  38.  
  39. The intensity emitted by a layer of atmosphere at optical density X is
  40.  
  41. B(T) dX where B(T) is the blackbody function at temperature T:
  42.  
  43.                    4                             -8
  44.     B = sigma T             sigma = 5.6703x10   W
  45.                                                    ----
  46.                                                     2 4
  47.                                                    m K
  48.  
  49. Now, consider a layer of atmosphere dX, let the outward flow of radiation
  50.     +                                        -
  51. be I  and the downward flow of radiation be I . With a little though it can
  52.  
  53. be shown that
  54.            -     -
  55.          dI  = -I dX + B dX
  56.  
  57. and that
  58.            +     +
  59.          dI  =  I dX - B dX (going against dX!  dX < 0 in this case)
  60.  
  61. We get two differential equations
  62.  
  63.          +                            -
  64.        dI     +                     dI        -
  65. (1)    --  = I  - B        and (2)  -- = B - I
  66.        dX                           dX
  67.  
  68.                        +    -
  69. Define:        phi = I  - I     (net flux outwards)
  70.  
  71.                        +    -
  72.       and       psi = I  + I     (total intensity radiated by the layer!)
  73.  
  74.          d    +    -           dT
  75. Now:     -- (I  - I ) = pho C  -- . In equilibrium dT/dt = 0 hence
  76.          dz                  p dt
  77.  
  78.  +    -
  79. I  - I  = constant = phi.   (The net flux is the same at each atmospheric level).
  80.                          d psi
  81. So, (1) + (2) gives:     ----- = phi
  82.                          d  X
  83.  
  84. and
  85.                          d phi
  86. (1) - (2) gives:         ----- = psi - 2B
  87.                          d  X
  88.  
  89. However since phi is constant then  psi = 2B.
  90.  
  91.            dB   phi
  92. So, then   -- = --- which gives the solution for B:
  93.            dX    2
  94.  
  95.                     phi
  96.                 B = --- X  + constant
  97.                      2
  98.  
  99. Now we apply boundary conditions at the top of the atmosphere (X = 0) where
  100.  -
  101. I  = 0, and there we have that
  102.           +
  103.    phi = I  = I               (I  is the necessary outward radiation flux to
  104.                0                0        balance the effect of solar heating,
  105.                                          I will discuss this below).
  106.            +
  107. and psi = I  = I .
  108.                 0
  109.  
  110.  
  111. Therefore for any X we have that the local blackbody function B is
  112.  
  113. given by:
  114.  
  115.          I
  116.           0
  117.      B = --- (X + 1)
  118.           2
  119.  
  120. Just above ground level we have that
  121.  
  122.            I
  123.             0
  124.      B  = --- (X  + 1)
  125.       g    2    g
  126.  
  127.  
  128. Note that this *does not* determine the ground temperature, and in fact
  129.  
  130. it is easy to show that there is a discontinuity at the ground, where the
  131.  
  132. black body of the surface B   is actually
  133.                            E
  134.  
  135.           I
  136.            0
  137.     B  = --- (X  + 2)
  138.      E    2    g
  139.  
  140. Note that in the case of no absorption that B   is simply I , that this
  141.                                              E             0
  142.  
  143. blackbody radiates the correct amount to maintain thermal equilibrium.
  144.  
  145.  
  146.  
  147.    How to determine 'decent' surface temperatures (based on this simple
  148.  
  149. radiative model) is then straightforward:
  150.                  4
  151.      B  = sigma T
  152.       E          E
  153.  
  154. so we have
  155.              4
  156.     2 sigma T  = I  (X  + 2)
  157.              E    0   g
  158.  
  159. or
  160.  
  161.        2         4
  162.      ---- sigma T  = I
  163.      2+X         E    0
  164.         g
  165.  
  166.            1
  167. Since I  = - (1-r) S  
  168.        0   4
  169.  
  170. (where r is the planet's albedo and S is the solar intensity)
  171.  
  172. Then it is easy to see that the planet's surface temperature is simply
  173.  
  174.          4    (1-r) S
  175.     T  = --------  
  176.              4e sigma
  177.  
  178. where the planet's emissivity e is related to the optical depth of the
  179.  
  180. atmosphere X by:
  181.            2
  182.      e = -----
  183.          2 + X
  184.               g
  185.  
  186.  
  187. So, based on knowledge of the optical depth of the planet, its albedo r
  188.  
  189. and the solar constant it should be quite easy to determine an accurate
  190.  
  191. value for the planet's surface temperature!
  192.  
  193.  
  194. -Garrett
  195.  
  196.  
  197.