Streszczenie Promieniowanie słoneczne i bilans energetyczny
Promieniowanie Słoneczne i Bilans Energetyczny: Kompletny Przewodnik
Wstęp
Promieniowanie słoneczne jest głównym źródłem energii dla powierzchni Ziemi i atmosfery. Niniejszy materiał przedstawia przegląd podstawowych pojęć dotyczących intensywności, widma i zmian promieniowania słonecznego w atmosferze. Materiał jest przeznaczony do samodzielnej nauki i kładzie nacisk na jasne wyjaśnienie, przykłady oraz porównanie pojęć.
Definicja: Irradiancja słoneczna to intensywność promieniowania elektromagnetycznego padającego na jednostkową powierzchnię prostopadłą do promieni. Stała słoneczna to wartość tej irradiancji na górnej granicy atmosfery przy średniej odległości Ziemi od Słońca.
1. Insolacja i podstawowe pojęcia
Czym jest insolacja
- Insolacja określa intensywność słonecznego promieniowania elektromagnetycznego docierającego do powierzchni poziomej. Zależy głównie od odległości zenitalnej Słońca.
- Przy prostopadłym padaniu promieni na jednostkę powierzchni dociera więcej energii niż przy ukośnym padaniu.
Definicja: Insolacja pozaziemska to insolacja na górnej granicy atmosfery; a jej roczny przebieg nazywamy klimatem słonecznym.
Praktyczny przykład: Gdy Słońce znajduje się bezpośrednio nad głową (w zenicie), dzienna insolacja na jednostkę powierzchni jest najwyższa; przy zachodzie Słońca energia na tej samej powierzchni maleje z powodu większego kąta padania promieni.
Stała słoneczna i TSI
- Historycznie używana wartość stałej słonecznej wynosi około $1366\ \mathrm{W,m^{-2}}$ (istnieją też inne szacunki, np. $1353{,}732\ \mathrm{W,m^{-2}}$ według niektórych źródeł).
- Ponieważ Ziemia krąży po elipsie, a aktywność Słońca się zmienia, warto używać pojęcia całkowite napromieniowanie słoneczne (TSI, total solar irradiance), które może się wahać.
Definicja: TSI to całkowity strumień energii słonecznej docierający do jednostkowej powierzchni prostopadłej do promieni w odległości 1 AU, uwzględniający zmiany spowodowane aktywnością słoneczną.
Czy wiesz, że wartość TSI zmienia się wraz z 11-letnim cyklem słonecznym i nieznacznie pod wpływem ekscentryczności orbity Ziemi?
2. Spektrum promieniowania słonecznego
Podział według długości fali
- Ultrafioletowe (UV): $0{,}10$ do $0{,}38\ \mu\mathrm{m}$
- Widzialne: $0{,}38$ do $0{,}75\ \mu\mathrm{m}$
- Podczerwone: $>0{,}75\ \mu\mathrm{m}$
- Termiczne: $>10\ \mu\mathrm{m}$
W meteorologii i klimatologii często stosuje się prosty podział:
- Promieniowanie krótkofalowe: $0{,}1$ do $4\ \mu\mathrm{m}$ (około $99%$ promieniowania słonecznego)
- Promieniowanie długofalowe: $>4\ \mu\mathrm{m}$ (charakterystyczne dla promieniowania Ziemi i atmosfery)
Tabela: porównanie rodzajów promieniowania
| Rodzaj promieniowania | Długość fali | Główna cecha |
|---|---|---|
| Ultrafioletowe | $0{,}10-0{,}38\ \mu\mathrm{m}$ | Wysoka energia, wpływa na warstwę ozonową |
| Widzialne | $0{,}38-0{,}75\ \mu\mathrm{m}$ | Postrzegane przez ludzkie oko |
| Podczerwone | $>0{,}75\ \mu\mathrm{m}$ | Efekty cieplne |
| Krótkofalowe (podsumowanie) | $0{,}1-4\ \mu\mathrm{m}$ | Prawie całe promieniowanie słoneczne |
| Długofalowe | $>4\ \mu\mathrm{m}$ | Emisja Ziemi i atmosfery |
Ciekawostka: Światło słoneczne zawiera około 99% energii w postaci promieniowania krótkofalowego, które obejmuje światło widzialne oraz większość fal UV i krótszych fal IR.
3. Interakcja promieniowania słonecznego z atmosferą
Promieniowanie słoneczne przechodzi przez atmosferę i podlega trzem głównym procesom:
- Absorpcja
- Rozpraszanie
- Odbicie (albedo)
Absorpcja
- Różne gazy absorbują różne części widma:
- Azot: słaba absorpcja w wąskim paśmie UV
- Tlen: absorbuje części widma widzialnego i UV
- Ozon: silna absorpcja UV w wyższych warstwach
- W niższych warstwach: podczerwień absorbują głównie CO$_2$, para wodna i cząstki
- Szacuje się, że atmosfera absorbuje około $15%$ bezpośredniego promieniowania słonecznego (wartość orientacyjna).
Definicja: Absorpcja to proces przekształcania energii
Zarejestruj się po pełne podsumowanieMasz już konto? Zaloguj się
Promieniowanie słoneczne – przegląd
Klíčové pojmy: Irradiancja słoneczna na górnej granicy atmosfery często podawana jest jako $1366\ \mathrm{W\,m^{-2}}$, TSI jest zmienną wielkością, zależną od aktywności słonecznej i odległości Ziemi od Słońca, Promieniowanie krótkofalowe $0{,}1-4\ \mu\mathrm{m}$ stanowi około 99% energii słonecznej, Promieniowanie długofalowe $>4\ \mu\mathrm{m}$ jest typowe dla Ziemi i atmosfery, Procesy atmosferyczne: pochłanianie, rozpraszanie, odbicie (albedo), Pochłanianie: ozon silnie pochłania UV, CO$_2$ i para wodna pochłaniają IR, Rozpraszanie: rozpraszanie Rayleigha $\propto \lambda^{-4}$ wyjaśnia błękit nieba, Albedo $a = \frac{I_R}{I_T}\cdot 100\%$, średnio około 30%, Roczne zmiany insolacji spowodowane ekscentrycznością orbity, 11-letni cykl Schwabe'a wpływa na TSI i aktywność słoneczną