promieniowanie słoneczne1

Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie - Katedra Agromcteorologii Temat: Promieniowanie słoneczne

Promieniowanie jest to zjawisko wysyłania fal elektromagnetycznych. Jest jedną z form przekazywania energii od jednego ciała do drugiego. Z klimatologicznego punktu widzenia najważniejszymi źródłami promieniowania są: Słońce, atmosfera i Ziemia.

Promieniow anie słoneczne jest podstawowym źródłem energii dla wszelkiego rodzaju procesów zachodzących na kuli ziemskiej i w jej otoczeniu. Do Ziemi dociera tylko 1/2 mld część emitowanej przez Słońce energii. Jednostką natężenia promieniowania jest W/m .

Właściwie niemal całe promieniowanie słoneczne docierające do atmosfery ziemskiej jest krótkofalowe i zawiera się w zakresie długości fal 170-4000 nm (0,17-4,0 pm). Można w nim wydzielić następujące pasma: ultrafioletowe (UV; >.<400 nm), widzialne (400<>.<700 nm) oraz bliską i środkową podczerwień (700<X<4000 nm).

Stała słoneczna (I₀) - ilość energii słonecznej dochodzącej do górnej granicy ziemskiej atmosfery. Wartość jej to ok. 1370 W/m². mierzona jest na jednostkowej powierzchni ustawionej prostopadle do promieniowania słonecznego, przy średniej odległości Ziemia - Słońce. Niewielkie odchylenia od tej wartości spowodowane są zmianami aktywności plam słonecznych.

Promieniowanie słoneczne przy przejściu przez atmosferę ulega osłabieniu (ekstynkcji), na którą składają się: pochłanianie (absorpcja), rozpraszanie (dyspersja) i odbicie (refleksja). W związku z tym wyróżnia się następujące rodzaje promieniowania:

• promieniowanie bezpośrednie - pochodzi z obszaru tarczy słonecznej i jest mierzone na powierzchni prostopadłej do tego promieniowania. Stanowa tą część promieniowania, która przeszła przez atmosferę bez jej oddziaływania. Jego natężenie zależy od stałej słonecznej, stanu fizycznego atmosfery i wysokości Słońca nad horyzontem. Najwyższe wartości występują w ciągu dnia w południe, a w ciągu roku - na wiosnę:

• promieniowanie rozproszone - promieniowanie pochodzące z obszaru całego nieba i związane jest z procesami rozpraszania w atmosferze. Przy całkowitym zachmurzeniu do powierzchni Ziemi dociera tylko takie promieniowanie; przy braku zachmurzenia stanowa 30% (lato) do 50% (zima) promieniowania bezpośredniego;

• promieniowanie całkowite - suma promieniowania bezpośredniego i rozproszonego; całkowita ilość energii dochodząca od Słońca na jednostkę powierzchni w jednostce czasu. Stopień osłabienia promieniowania (ekstynkcji) jest proporcjonalny do natężenia promieniowania padającego i liczby cząstek pochłaniających oraz rozpraszających. Ponadto, jeżeli Słońce znajduje się nisko nad horyzontem to droga promieniowania przez atmosferę jest dłuższa, a więc ekstynkcja będzie silniejsza.

Ekstynkcję promieniowania określa wzór Bouguera-Lamberta:

Im=l0*p^m (1)

gdzie: !<, - stała słoneczna, p - współczynnik przezroczystości atmosfery (równy w Polsce od 0.75 w lecic, do 0.85 w zimie), m - liczba mas optycznych.

Liczba mas optycznych wyznacza długość drogi promieniowania w atmosferze i zależy od kąta jego padania. Przy kącie równym 90° - m = I, przy kącie 45° - m = 1,4, przy kącie 5° - m =

10,1, przy kącie 2° - m = 19,8, a przy 0° - m = 39,7.

Ponieważ promieniowanie pada na powierzchnię poziomą zwykle pod kątem mniejszym od prostego, napromieniowanie (S) oblicza się według następującego wzoru:

S = I_m*sinh (2)

gdzie: h - kąt padania promieni słonecznych.

Dochodzące do powierzchni Ziemi promieniowanie jest w znacznej części przez nią pochłaniane, ale część ulega odbiciu. Procentowy stosunek ilości energii odbitej do padającej to albedo. Wartość albedo dla Ziemi jako planety jest oceniana na 28-42%. Przykładowo albedo świeżego śniegu w obszarach polarnych osiąga wartość do 95%, zaś asfaltu 5-20%. Dlatego też powierzchnie o dużym albedo wskutek niewielkiego pochłaniania energii słonecznej w'olno się nagrzewają.

Klimatologów i agrometeorologów' interesuje również czas trwania promieniowania bezpośredniego, tj. usłonecznicnic (mierzone w godzinach). Dzielimy je na:

- usłoncc/.nicnie możliwe - czas od wschodu do zachodu Słońca, wyrażany w godzinach, równy długości dnia astronomicznego;

- usłonecznicnic rzeczywiste - czas dopływu promieniowania bezpośredniego, wyrażany w' godzinach, zależny od długości dnia i zachmurzenia:

- usłonecznicnic względne - procentowy stosunek usłonccznienia rzeczywistego do możliwego (wynosi 100%, gdy w dzień nie było zachmurzenia; 0%, gdy przez cały dzień tarcza słoneczna była zasłonięta przez chmury).

Metody pomiaru usłonccznienia i promieniowania oraz podstawowe przyrządy

Większość metod pomiaru promieniowania słonecznego polega na wykorzystaniu efektu energetycznego, który powstaje w rezultacie oddziaływania promieniowania na materię.

Do pomiaru usłonccznienia rzeczywistego do niedawna używano głównie heliografu Cam-pbclla-Stokesa, gdzie szklana kula o średnicy ok.10 cm jest soczewką. Promienie skupiane są na heliogramie umieszczonym za kulą na metalowym kołnierzu i wypalają otwory lub szczeliny (rys. 2). Na koniec dnia sumuje się długości wypalonych otworów, z dokładnością do 10 minut. Obecnie używa się czujników' automatycznych, np. DSU 12 (rys. 1). Sensorem jest tu sześć par poczernionych tcrmoczułych elementów ułożonych w okręgu. Część zewnętrzna ter-moclcmcntu jest wystawiona na działanie promieniowania, zaś wewnętrzna jest osłonięta. Padające promieniowanie powoduje nagrzanie i odkształcenie zewnętrznego fragmentu, aż do zamknięcia obwodu - wtedy przekazywany jest sygnał, że Słońce nie jest zakryte chmurami.