Shrnutí na Sluneční záření a energetická bilance

## Úvod Sluneční záření je hlavní zdroj energie pro zemský povrch a atmosféru. Tento materiál přináší přehled základních pojmů týkajících se intenzity, spektra a změn slunečního záření v atmosféře. Materiál je určen pro samostudium a klade důraz na jasné vysvětlení, příklady a srovnání pojmů. > **Definice:** Solární (sluneční) irradiance je intenzita elektromagnetického záření dopadajícího na jednotkovou plochu kolmou k paprskům. Solární konstanta je hodnota této irradiance na horní hranici atmosféry při střední vzdálenosti Země od Slunce. ## 1. Insolace a základní pojmy ### Co je insolace - **Insolace** označuje intenzitu elektromagnetického slunečního záření dopadajícího na horizontální plochu. Závisí hlavně na zenitové vzdálenosti Slunce. - Při kolmém dopadu paprsků dopadá na jednotku povrchu více energie než při šikmém dopadu. > **Definice:** Extraterestrální insolace je insolace na horní hranici atmosféry; její roční průběh nazýváme solární klima. Praktický příklad: Pokud je Slunce přímo nad hlavou (zenit), denní insolace na jednotku plochy je nejvyšší; při západu Slunce energie na stejné ploše klesá kvůli většímu sklonu paprsků. ### Solární konstanta a TSI - Historicky používaná hodnota solární konstanty je přibližně $1366\ \mathrm{W\,m^{-2}}$ (existují i jiné odhady, např. $1353{,}732\ \mathrm{W\,m^{-2}}$ podle některých zdrojů). - Protože Země obíhá po elipse a aktivita Slunce se mění, je vhodné používat pojem **celkové sluneční záření (TSI, total solar irradiance)**, které může kolísat. > **Definice:** TSI je celkový tok sluneční energie dopadající na jednotkovou plochu kolmou k paprskům ve vzdálenosti 1 AU, včetně variací způsobených sluneční aktivitou. Did you know that hodnota TSI se mění s 11letým slunečním cyklem a mírně vlivem excentricity oběžné dráhy Země? ## 2. Spektrum slunečního záření ### Rozdělení podle vlnové délky - **Ultrafialové (UV):** $0{,}10$ až $0{,}38\ \mu\mathrm{m}$ - **Viditelné:** $0{,}38$ až $0{,}75\ \mu\mathrm{m}$ - **Infračervené:** $>0{,}75\ \mu\mathrm{m}$ - **Tepelné:** $>10\ \mu\mathrm{m}$ Pro meteorologii a klimatologii se často používá jednoduché rozlišení: - **Krátkovlnné záření:** $0{,}1$ až $4\ \mu\mathrm{m}$ (přibližně $99\%$ slunečního záření) - **Dlouhovlnné záření:** $>4\ \mu\mathrm{m}$ (typické pro záření Země a atmosféry) Tabulka: srovnání druhů záření | Druh záření | Vlnová délka | Hlavní vlastnost | |---|---:|---| | Ultrafialové | $0{,}10-0{,}38\ \mu\mathrm{m}$ | Vysoká energie, ovlivňuje ozónovou vrstvu | | Viditelné | $0{,}38-0{,}75\ \mu\mathrm{m}$ | Vnímáno lidským okem | | Infračervené | $>0{,}75\ \mu\mathrm{m}$ | Tepelné účinky | | Krátkovlnné (souhrn) | $0{,}1-4\ \mu\mathrm{m}$ | Téměř veškeré sluneční záření | | Dlouhovlnné | $>4\ \mu\mathrm{m}$ | Emise Země a atmosféry | Fun fact: Sluneční světlo obsahuje zhruba 99% energie ve formě krátkovlnného záření, které zahrnuje viditelné světlo a většinu UV a kratších IR vln. ## 3. Interakce slunečního záření s atmosférou Sluneční záření prochází atmosférou a podléhá třem hlavním procesům: 1. **Pohlcování** 2. **Rozptyl** 3. **Odraz (albedo)** ### Pohlcování - Různé plyny pohlcují různé části spektra: - Dusík: slabé pohlcování v úzkém pásmu UV - Kyslík: pohlcuje části viditelného a UV - Ozón: silné pohlcování UV ve vyšších vrstvách - V nižších vrstvách: infračervené pohlcují zejména **CO$_2$**, vodní pára a částice - Orientačně se uvádí, že atmosféra pohlcuje přibližně $15\%$ přímého slunečního záření (hodnota orientační). > **Definice:** Pohlcování je proces přeměny elektromagnetické energie na jinou formu (např. teplo) v atmosféře nebo na povrchu. Praktický dopad: Zvýšený obsah vodní páry a aerosolů vede k většímu pohlcování IR a tím ke změnám lokálního tepelného režimu. ### Rozptyl - Rozptyl je odchylování paprsků od původního směru; rozptýlené záření se šíří všemi směry. - Dva hlavní typy rozptylu: - **Molekulární (Rayleighův)** na malých částicích a molekulách; silně závisí na délce vlny ($\pro