Päikesekiirgus on oluline meteoroloogiline muutuja, mis aitab kindlaks määrata "soojuse" hulga, mille me päikeselt vastu saame Maa pinnal. Kliimamuutused ja kasvuhoonegaaside säilitamine muudavad seda päikesekiirguse hulka.
Päikesekiirgus on võimeline soojendama maapinda ja esemeid (isegi meie oma) õhku vaevalt soojendades. Lisaks on see muutuja väga oluline, et hinnata meie tööd kliimamuutuste vastases võitluses. Kas soovite päikesekiirgusest kõike teada saada?
Päikesekiirgus läbib atmosfääri
Ühel neist kuumadest suvepäevadest rannas olles lamame "päikese kätte". Pikemalt rätikus viibides märkame, kuidas meie keha soojeneb ja temperatuuri tõstab, kuni peame vanni minema või end varju panema, sest me põleme. Mis siin on juhtunud, kui õhk pole nii kuum? Mis on juhtunud, on see päikesekiired on meie atmosfääri läbinud ja meie keha soojendanud õhu vähese kuumutamisega.
Midagi sarnast sellele, mis juhtub meiega selles olukorras, juhtub Maaga: Atmosfäär on päikesekiirgusele peaaegu „läbipaistev“, kuid Maa pind ja muud sellel asuvad kehad neelavad selle. Päikese poolt Maale kantud energia on nn kiirgusenergia või kiirgus. Kiirgus liigub läbi ruumi energiat kandvate lainete kujul. Sõltuvalt nende energiahulgast liigitatakse nad mööda elektromagnetilist spektrit. Meil on kõige energeetilised lained nagu gammakiired, röntgenikiired ja ultraviolettkiirgus, aga ka vähem energiat omavad ained nagu infrapuna-, mikrolaineahjud ja raadiolained.
Kõik kehad kiirgavad kiirgust
Kõik kehad kiirgavad kiirgust vastavalt temperatuurile. Selle annab Stefan-Boltzmanni seadus mis ütleb, et keha kiiratav energia on otseselt proportsionaalne tema temperatuuri neljanda võimsusega. Seetõttu kiirgavad nii Päike, põlev puutükk, meie enda keha kui ka jääpala pidevalt energiat.
See sunnib meid küsima endalt: miks me suudame "näha" päikese või põleva puutüki kiiratavat kiirgust ja me ei suuda näha meie poolt eraldatud kiirgust, Maa pinda ega tükk jääd? Samuti, see sõltub suuresti temperatuurist, mille igaüks neist saavutabja seetõttu nende energiahulk, mida nad valdavalt eraldavad. Mida kõrgem on kehade temperatuur, seda suurem on energia hulk, mida nad oma lainetes eraldavad, ja seetõttu on nad paremini nähtavad.
Päike on temperatuuril 6.000 K ja kiirgab peamiselt nähtava ulatusega lainetes (üldtuntud kui valguslained), kiirgab ka ultraviolettkiirgust (milles on rohkem energiat ja seetõttu põletab meie nahka pika kokkupuute korral) ja ülejäänu, mida see kiirgab, on infrapunakiirgus, mida inimsilm ei taju. Sellepärast ei suuda me tajuda kiirgust, mida meie keha kiirgab. Inimkeha temperatuur on umbes 37 kraadi Celsiuse järgi ja tema kiiratav kiirgus on infrapuna.
Kuidas päikesekiirgus töötab
Kindlasti teadmine, et kehad kiirgavad pidevalt kiirgust ja energiat, tekitab teie peas uue küsimuse. Miks siis, kui kehad kiirgavad energiat ja kiirgust, ei jahu nad järk-järgult? Vastus sellele küsimusele on lihtne: samal ajal kui nad energiat eraldavad, neelavad nad ka seda. On veel üks seadus, see on kiirgustasakaal, mis ütleb, et objekt kiirgab sama palju energiat kui neelab, sellepärast suudavad nad püsivat temperatuuri hoida.
Seega toimub meie maa-atmosfääri süsteemis rida protsesse, milles energia neeldub, eraldub ja peegeldub, nii et lõplik tasakaal Päikeselt atmosfääri tippu jõudva kiiruse ja avakosmoses väljuva kiirguse vahel on null. Teisisõnu, aasta keskmine temperatuur püsib konstantsena. Kui päikesekiirgus satub Maale, neelab suurema osa sellest Maa pind. Pilved ja õhk neelavad väga vähe langevat kiirgust. Ülejäänud kiirgus peegeldub pinnal, gaasides, pilvedes ja viiakse tagasi kosmosesse.
Kiirguse hulka, mida keha peegeldava kiirguse suhtes kajastab, nimetatakse albedoks. Seetõttu võime seda öelda maa-atmosfäärisüsteemis on keskmine albeedo 30%. Äsja sadanud lumel või mõnel kõrgelt vertikaalselt arenenud mulgilibulal on albeedo ligi 90%, kõrbedes aga umbes 25% ja ookeanides umbes 10% (neelavad peaaegu kogu nendeni jõudva kiirguse).
Kuidas me mõõdame kiirgust?
Punktist saadud päikesekiirguse mõõtmiseks kasutame seadet, mida nimetatakse püranomeetriks. See osa koosneb andurist, mis on suletud läbipaistvasse poolkera ja mis edastab kogu väga väikese lainepikkusega kiirgust. Sellel sensoril on vaheldumisi mustvalgeid segmente, mis neelavad kiirgushulka erineval viisil. Nende segmentide temperatuuri kontrastsus kalibreeritakse vastavalt kiirgusvoole (mõõdetuna vattides ruutmeetri kohta).
Hinnangu meie poolt saadud päikesekiirguse hulga kohta saab ka meie päikesepaistetundide arvu mõõtmisega. Selleks kasutame instrumenti, mida nimetatakse heliograafiks. Selle moodustab geograafilisele lõunasuunale suunatud klaaskuul, mis toimib suure suurendusklaasina, koondades kogu vastuvõetud kiirguse hõõgpunkti, mis põletab spetsiaalset päevateedega lõpetatud paberilinti.
Päikesekiirgus ja suurenenud kasvuhooneefekt
Varem mainisime, et Maale siseneva ja väljuva päikesekiirguse hulk on sama. See pole päris tõsi, sest kui nii, siis oleks meie planeedi globaalne keskmine temperatuur -88 kraadi. Vajame midagi, mis aitaks meil soojust säilitada, et meil oleks nii meeldiv ja elamiskõlblik temperatuur, mis muudab elu planeedil võimalikuks. Seal tutvustame kasvuhooneefekti. Kui päikesekiirgus tabab Maa pinda, naaseb see peaaegu pool tagasi atmosfääri, et see kosmosesse tõrjuda. Noh, me oleme kommenteerinud, et pilved, õhk ja muud atmosfääri komponendid neelavad väikese osa päikesekiirgusest. Sellest imendunud kogusest ei piisa siiski stabiilse temperatuuri hoidmiseks ja meie planeedi elamiskõlblikuks muutmiseks. Kuidas me saame nende temperatuuridega elada?
Niinimetatud kasvuhoonegaasid on need gaasid, mis hoiavad osa atmosfääri tagasi naasvast maapinna poolt eraldatavast temperatuurist. Kasvuhoonegaasid on: veeaur, süsinikdioksiid (CO2), lämmastikoksiidid, vääveloksiidid, metaan jne. Igal kasvuhoonegaasil on erinev võime päikesekiirgust neelata. Mida suurem on tal kiirguse neelamise võime, seda rohkem soojust see hoiab ja ei lase tal kosmosesse naasta.
Kogu inimkonna ajaloo jooksul on kasvuhoonegaaside (sh kõige rohkem CO2) kontsentratsioon järjest suurenenud. Selle kasvu tõus on tingitud tööstusrevolutsioon ja fossiilkütuste põletamine tööstuses, energeetikas ja transpordis. Fossiilkütuste nagu nafta ja kivisüsi põletamine põhjustab CO2 ja metaani heitkoguseid. Need kasvava heitkogusega gaasid hoiavad neid suures koguses päikesekiirgust ja ei lase seda tagasi kosmosesse.
Seda tuntakse kasvuhooneefektina. Selle efekti suurendamiseks nimetame kasvuhoonet see on kahjulik, kuna see, mida me teeme, suurendab üha enam globaalset keskmist temperatuuri. Mida suurem on nende kiirgust neelavate gaaside kontsentratsioon atmosfääris, seda rohkem hoiab nad soojust ja seetõttu tõusevad temperatuurid.
Päikesekiirgus ja kliimamuutused
Globaalne soojenemine on tuntud kogu maailmas. See päikesekiirguse suurest säilitamisest tingitud temperatuuri tõus põhjustab muutusi globaalses kliimas. See ei tähenda mitte ainult seda, et planeedi keskmised temperatuurid tõusevad, vaid ka see, et kliima ja kõik sellega kaasnev muutub.
Temperatuuri tõus põhjustab õhuvoolude, ookeanimasside, liikide leviku, aastaaegade järjestikuse destabiliseerumise, äärmuslike meteoroloogiliste nähtuste (näiteks põud, üleujutused, orkaanid ...) suurenemist jne.. Seetõttu peame kiirgustasakaalu stabiilseks taastamiseks vähendama kasvuhoonegaaside heitkoguseid ja taastama kliima.