Saulės spinduliuotė yra svarbus meteorologinis kintamasis, kuris padeda nustatyti „šilumos“ kiekį, kurį gausime iš saulės žemės paviršiuje. Tokį saulės spinduliuotės kiekį keičia klimato kaita ir sulaikomos šiltnamio efektą sukeliančios dujos.
Saulės spinduliuotė sugeba šildyti žemės paviršių ir daiktus (net mūsų), beveik nešildant oro. Be to, šis kintamasis yra labai svarbus norint įvertinti mūsų atliekamą darbą kovojant su klimato kaita. Ar norite sužinoti viską apie saulės spinduliuotę?
Saulės spinduliuotė praeina per atmosferą
Vieną iš šių karštų vasaros dienų būdami paplūdimyje, mes atsigulame „prie saulės“. Būdami ilgiau rankšluosčiu, pastebime, kaip mūsų kūnas sušyla ir padidina jo temperatūrą, kol mums reikia išsimaudyti ar patekti į šešėlį, nes mes apdeginame. Kas čia nutiko, jei oras nėra toks karštas? Tai, kas nutiko, yra tas saulės spinduliai praleido mūsų atmosferą ir šildė kūną mažai šildydami orą.
Kažkas panašaus į tai, kas nutinka mums šioje situacijoje, nutinka Žemei: atmosfera yra beveik „skaidri“ saulės spinduliuotei, tačiau Žemės paviršius ir kiti joje esantys kūnai ją sugeria. Saulės perduodama energija Žemei yra tai, kas vadinama spinduliavimo energija arba radiacija. Radiacija per kosmosą sklinda bangomis, kurios neša energiją. Priklausomai nuo jų nešamos energijos kiekio, jie klasifikuojami pagal elektromagnetinį spektrą. Mes turime daugiausia energinių bangų, tokių kaip gama spinduliai, rentgeno spinduliai ir ultravioletiniai spinduliai, taip pat mažiau energijos turinčių bangų, tokių kaip infraraudonieji spinduliai, mikrobangų krosnelės ir radijo bangos.
Visi kūnai skleidžia radiaciją
Visi kūnai skleidžia radiaciją pagal savo temperatūrą. Tai suteikia Stefano-Boltzmanno įstatymas kuriame teigiama, kad kūno skleidžiama energija yra tiesiogiai proporcinga ketvirtai jo temperatūros galiai. Štai kodėl ir Saulė, ir degantis medžio gabalas, ir mūsų pačių kūnas, ir net ledo gabalas nuolat skleidžia energiją.
Tai verčia mus užduoti sau klausimą: kodėl mes galime „pamatyti“ saulės skleidžiamą spinduliuotę ar degantį medienos gabalą ir negalime pamatyti mūsų skleidžiamos spinduliuotės, Žemės paviršiaus ar ledo gabalas? Taip pat, tai labai priklauso nuo kiekvieno iš jų pasiekiamos temperatūros, taigi ir energijos kiekį, kurį jie daugiausia išskiria. Kuo daugiau temperatūros kūnai pasieks, tuo didesnis energijos kiekis, kurį jie skleidžia savo bangose, ir todėl jie bus geriau matomi.
Saulė yra 6.000 K temperatūros ir spinduliuoja daugiausia matomo diapazono bangomis (paprastai vadinamomis šviesos bangomis), ji taip pat skleidžia ultravioletinę spinduliuotę (kuri turi daugiau energijos ir todėl degina mūsų odą esant ilgoms ekspozicijoms) ir likusi jos skleidžiama infraraudonoji spinduliuotė, kurios žmogaus akis nesuvokia. Štai kodėl mes negalime suvokti radiacijos, kurią skleidžia mūsų kūnas. Žmogaus kūne yra apie 37 laipsniai šilumos, o jo skleidžiama spinduliuotė yra infraraudonųjų spindulių.
Kaip veikia saulės spinduliai
Tikrai žinant, kad kūnai nuolat skleidžia radiją ir energiją, jums kils dar vienas klausimas. Kodėl, jei kūnai skleidžia energiją ir radiaciją, jie po truputį neatvėsta? Atsakymas į šį klausimą yra paprastas: kol jie skleidžia energiją, jie taip pat sugeria ją. Yra dar vienas dėsnis, ty radiacinės pusiausvyros įstatymas, sakantis, kad objektas skleidžia tiek energijos, kiek sugeria, todėl jie sugeba palaikyti pastovią temperatūrą.
Taigi mūsų žemės ir atmosferos sistemoje vyksta daugybė procesų, kuriuose energija absorbuojama, skleidžiama ir atspindima, taigi galutinis balansas tarp radiacijos, pasiekiančios atmosferos viršų iš Saulės, ir tos, kuri išeina į kosmosą, yra nulis. Kitaip tariant, vidutinė metinė temperatūra išlieka pastovi. Saulės spinduliuotei patekus į Žemę, didžiąją jos dalį sugeria Žemės paviršius. Labai mažai krintančios spinduliuotės sugeria debesys ir oras. Likusią radiacijos dalį atspindi paviršius, dujos, debesys ir ji grąžinama į kosmosą.
Radiacijos kiekis, kurį atspindi kūnas, atsižvelgiant į krintančią spinduliuotę, vadinamas „albedo“. Todėl mes galime tai pasakyti žemės ir atmosferos sistemos albedas yra vidutiniškai 30%. Naujai iškritusio sniego ar kai kurių labai vertikaliai išsivysčiusių gumulėlių albedo yra beveik 90%, o dykumose - apie 25%, o vandenynuose - apie 10% (jie sugeria beveik visą juos pasiekiančią radiaciją).
Kaip mes matuojame radiaciją?
Norėdami išmatuoti saulės spinduliuotę, kurią gauname tam tikrame taške, naudojame prietaisą, vadinamą piranometru. Ši dalis susideda iš jutiklio, uždaryto skaidriame pusrutulyje, kuris perduoda visą labai mažo bangos ilgio spinduliuotę. Šis jutiklis turi kintančius juodos ir baltos spalvos segmentus, kurie sugeria radiacijos kiekį kitaip. Temperatūros kontrastas tarp šių segmentų kalibruojamas pagal radiacijos srautą (matuojamas vatais kvadratiniam metrui).
Apskaičiuoti saulės spinduliuotės kiekį, kurį mes gauname, taip pat galima gauti matuojant saulės valandų skaičių. Norėdami tai padaryti, mes naudojame instrumentą, vadinamą heliografu. Tai formuoja stiklo rutulys, orientuotas į geografinius pietus, kuris veikia kaip didelis didinamasis stiklas, sutelkdamas visą gautą spinduliuotę į kaitinamąjį tašką, kuris degina specialią popieriaus juostą, graduotą dienos valandomis.
Saulės spinduliuotė ir padidėjęs šiltnamio efektas
Anksčiau minėjome, kad saulės spinduliuotės kiekis, patenkantis į Žemę ir išeinantis, yra vienodas. Tai nėra visiškai tiesa, nes jei taip, vidutinė pasaulinė mūsų planetos temperatūra būtų –88 laipsnių. Mums reikia kažko, kas padėtų sulaikyti šilumą, kad būtų tokia maloni ir tinkama gyventi temperatūra, kuri leidžia gyventi planetoje. Čia mes pristatome šiltnamio efektą. Kai saulės spinduliuotė patenka į žemės paviršių, ji grįžta beveik pusė atgal į atmosferą, kad išstumtų ją į kosmosą. Na, mes pakomentavome, kad debesys, oras ir kiti atmosferos komponentai sugeria nedidelę saulės spindulių dalį. Tačiau šio absorbuoto kiekio nepakanka, kad būtų galima palaikyti stabilią temperatūrą ir padaryti mūsų planetą gyvenamą. Kaip galime gyventi esant šiai temperatūrai?
Vadinamosios šiltnamio efektą sukeliančios dujos yra tos dujos, kurios išlaiko dalį žemės paviršiaus skleidžiamos temperatūros, kuri grįžta atgal į atmosferą. Šiltnamio efektą sukeliančios dujos yra: vandens garai, anglies dioksidas (CO2), azoto oksidai, sieros oksidai, metanas ir kt. Kiekvienos šiltnamio efektą sukeliančios dujos turi skirtingą gebėjimą sugerti saulės spinduliuotę. Kuo daugiau pajėgumų ji sugeria radiaciją, tuo daugiau šilumos ji sulaikys ir neleis grįžti į kosmosą.
Per visą žmonijos istoriją šiltnamio efektą sukeliančių dujų (įskaitant daugiausia CO2) koncentracija vis labiau didėjo. Šis padidėjimas kyla dėl to pramonės revoliucija ir iškastinio kuro deginimas pramonėje, energetikoje ir transporte. Deginant iškastinį kurą, pvz., Naftą ir anglį, išmetama CO2 ir metano. Dėl didėjančios emisijos dujų jie sulaiko daug saulės spindulių ir neleidžia jo grąžinti į kosmosą.
Tai vadinama šiltnamio efektu. Tačiau didindami šį efektą mes vadiname šiltnamiu tai neproduktyvu, nes tai, ką darome, vis labiau didina vidutinę pasaulio temperatūrą. Kuo didesnė šių radiaciją sugeriančių dujų koncentracija atmosferoje, tuo daugiau šilumos jie sulaikys, todėl aukštesnė temperatūra kils.
Saulės spinduliuotė ir klimato kaita
Visuotinis atšilimas yra žinomas visame pasaulyje. Šis temperatūros padidėjimas dėl didelio saulės radiacijos sulaikymo sukelia pasaulio klimato pokyčius. Tai ne tik reiškia, kad vidutinė planetos temperatūra pakils, bet ir klimatas bei viskas, kas su tuo susiję, pasikeis.
Temperatūros padidėjimas sukelia oro srovių, vandenynų masių, rūšių pasiskirstymo, sezonų eiliškumo destabilizaciją, ekstremalių meteorologinių reiškinių (tokių kaip sausros, potvyniai, uraganai ...) padidėjimą ir kt.. Štai kodėl, norėdami stabiliai atgauti radiacinę pusiausvyrą, turime sumažinti išmetamų šiltnamio efektą sukeliančių dujų kiekį ir atgauti klimatą.