Сонячне випромінювання є важливою метеорологічною змінною, яка служить для визначення кількості «тепла», яке ми отримаємо від сонця на земній поверхні. Ця кількість сонячної радіації змінюється внаслідок зміни клімату та утримання парникових газів.
Сонячне випромінювання здатне нагрівати поверхню землі та предмети (навіть у нас) без насиченого нагрівання повітря. Крім того, ця змінна є дуже важливою для оцінки роботи, яку ми робимо в боротьбі зі зміною клімату. Ви хочете знати все про сонячну радіацію?
Сонячне випромінювання проходить через атмосферу
Коли ми знаходимось на пляжі в один із таких спекотних літніх днів, ми лягаємо «до сонця». Коли ми довше залишаємося в рушнику, ми помічаємо, як наше тіло нагрівається і підвищує температуру, поки нам не потрібно приймати ванну або потрапляти в тінь, оскільки ми опікаємось. Що тут сталося, якщо повітря не таке гаряче? Що сталося, так це сонячні промені пройшли через нашу атмосферу і зігріли наше тіло майже не нагріваючи повітря.
Щось подібне до того, що відбувається з нами в цій ситуації, це те, що відбувається із Землею: атмосфера майже `` прозора '' для сонячного випромінювання, але поверхня Землі та інші тіла, розташовані на ній, поглинають її. Енергія, що передається Сонцем на Землю, називається променевою енергією або випромінюванням. Випромінювання подорожує космосом у вигляді хвиль, що несуть енергію. Залежно від кількості енергії, яку вони несуть, їх класифікують по електромагнітному спектру. У нас є найбільш енергійні хвилі, такі як гамма-промені, рентгенівські промені та ультрафіолет, а також хвилі з меншою енергією, такі як інфрачервоні, мікрохвильові та радіохвилі.
Всі тіла випромінюють випромінювання
Всі тіла випромінюють випромінювання залежно від температури. Це дає Закон Стефана-Больцмана в якому зазначається, що енергія, яку випромінює тіло, прямо пропорційна четвертій потужності його температури. Ось чому і Сонце, палаючий шматок дерева, наше власне тіло і навіть шматок льоду випромінюють енергію безперервно.
Це змушує нас задати собі питання: чому ми можемо "бачити" випромінювання, яке випромінює сонце або палаючий шматок дерева, і ми не можемо бачити випромінювання, яке ми випромінюємо, поверхню Землі або шматок льоду? Також, це багато в чому залежить від температури, досягнутої кожним з них, а отже, кількість енергії, яку вони переважно виділяють. Чим вища температура тіл, тим більшу кількість енергії вони випромінюють у своїх хвилях, і саме тому вони будуть виднішими.
Сонце має температуру 6.000 К і випромінює випромінювання переважно у хвилях видимого діапазону (загальновідомих як світлові хвилі), воно також випромінює ультрафіолетове випромінювання (яке має більше енергії, і тому воно спалює нашу шкіру при тривалому впливі) і Решта, яке він випромінює, - це інфрачервоне випромінювання, яке не сприймається людським оком. Ось чому ми не можемо сприймати випромінювання, яке випромінює наше тіло. Тіло людини знаходиться приблизно на 37 градусах Цельсія, а випромінювання, яке воно випромінює, знаходиться в інфрачервоному діапазоні.
Як працює сонячна радіація
Напевно, знання того, що тіла постійно випромінюють випромінювання та енергію, наведе на голову ще одне питання. Чому, якщо тіла випромінюють енергію та випромінювання, вони не поступово охолоджуються? Відповідь на це запитання проста: поки вони випромінюють енергію, вони її також поглинають. Існує ще один закон, який полягає у випромінювальній рівновазі, який говорить, що об’єкт випромінює таку ж кількість енергії, що і поглинає, саме тому вони здатні підтримувати постійну температуру.
Таким чином, у нашій системі земної атмосфери відбувається низка процесів, в яких енергія поглинається, випромінюється і відбивається, так що остаточний баланс між випромінюванням, яке досягає вершини атмосфери від Сонця, і тим, що виходить у відкритий космос, дорівнює нулю. Іншими словами, середньорічна температура залишається постійною. Коли сонячне випромінювання потрапляє на Землю, більша частина його поглинається поверхнею Землі. Дуже мало падаючої радіації поглинається хмарами та повітрям. Решта випромінювання відбивається поверхнею, газами, хмарами і повертається в космічний простір.
Кількість випромінювання, яке відбивається тілом по відношенню до падаючого випромінювання, відоме як "альбедо". Тому ми можемо це сказати система земної атмосфери має середнє альбедо 30%. Щойно випав сніг або деякі високорозвинені купчасто-дощові кущі мають альбедо близько 90%, пустелі - близько 25%, а океани - близько 10% (вони поглинають майже всю радіацію, що потрапляє до них).
Як ми вимірюємо випромінювання?
Для вимірювання сонячного випромінювання, яке ми отримуємо в точці, ми використовуємо прилад, який називається піранометром. Цей розділ складається з датчика, укладеного в прозору півкулю, який пропускає все випромінювання дуже малої довжини хвилі. Цей датчик має чергуються чорно-білі сегменти, які по-різному поглинають кількість випромінювання. Контраст температури між цими сегментами відкалібрується відповідно до потоку випромінювання (вимірюється у ватах на квадратний метр).
Оцінку кількості одержуваної нами сонячної радіації також можна отримати, вимірявши кількість сонячних годин, які ми маємо. Для цього ми використовуємо прилад, який називається геліограф. Це утворено скляною кулею, орієнтованою на географічний південь, яка діє як велике збільшувальне скло, що концентрує все випромінювання, отримане в точці розжарювання, яка спалює спеціальну паперову стрічку, градуйовану з годинним часом.
Сонячне випромінювання та посилення парникового ефекту
Раніше ми вже згадували, що кількість сонячного випромінювання, яке потрапляє на Землю і те, що виходить, однакове. Це не зовсім вірно, бо якби так, то середня глобальна температура нашої планети становила б -88 градусів. Нам потрібно щось допомогти нам утримувати тепло, щоб мати таку приємну та придатну для проживання температуру, яка робить можливим життя на планеті. Саме тут ми вводимо парниковий ефект. Коли сонячна радіація потрапляє на поверхню Землі, вона повертається майже наполовину назад в атмосферу, щоб вигнати її у космічний простір. Ну, ми прокоментували, що хмари, повітря та інші компоненти атмосфери поглинають невелику частину сонячної радіації. Однак цієї поглинутої кількості недостатньо, щоб підтримувати стабільну температуру і зробити нашу планету придатною для життя. Як ми можемо жити за таких температур?
Так звані парникові гази - це ті гази, які зберігають частину температури, що виділяється земною поверхнею, яка повертається назад в атмосферу. Парниковими газами є: водяна пара, вуглекислий газ (CO2), оксиди азоту, оксиди сірки, метан та ін. Кожен парниковий газ має різну здатність поглинати сонячне випромінювання. Чим більшою ємністю він повинен поглинати випромінювання, тим більше тепла він збереже і не дасть йому повернутися в космічний простір.
Протягом історії людства концентрація парникових газів (включаючи найбільше СО2) дедалі більше зростала. Зростання цього збільшення зумовлене промислова революція та спалення викопного палива у промисловості, енергетиці та транспорті. Спалювання викопного палива, такого як нафта та вугілля, спричиняє викиди СО2 та метану. Ці гази при збільшенні викидів змушують їх утримувати велику кількість сонячного випромінювання і не дозволяють повернути його в космічний простір.
Це відоме як парниковий ефект. Однак, посилюючи цей ефект, ми називаємо парниковий ефект це контрпродуктивно, оскільки те, що ми робимо, все більше збільшує середні глобальні температури. Чим більше концентрація цих газів, що поглинають випромінювання, в атмосфері, тим більше тепла вони будуть утримувати і, отже, тим вище температура буде зростати.
Сонячна радіація та зміна клімату
Глобальне потепління відоме у всьому світі. Це підвищення температур через велике утримання сонячної радіації спричиняє зміну глобального клімату. Це не тільки означає, що середні температури на планеті будуть зростати, але що клімат і все, що за цим пов'язане, зміниться.
Підвищення температур викликає дестабілізацію повітряних потоків, океанічних мас, розподілу видів, послідовності сезонів, збільшення екстремальних метеорологічних явищ (таких як посуха, повені, урагани ...) тощо.. Ось чому для того, щоб стабільно відновити радіаційний баланс, ми повинні зменшити викиди парникових газів і відновити наш клімат.