11.03.99
WYKŁAD IV
PROMIENIOWANIE
Jest specyficzną formą przekazywania energii pod postacią fal elektromagnetycznych, bez udziału środowiska materialnego. Każde ciało o temperaturze wyższej od zera bezwzględnego promieniuje, lecz intensywność i jakość tego promieniowania zależy od temperatury ciała emitującego energię; im jego temperatura jest wyższa, tym fale wzbudzone są krótsze.
W meteorologii i klimatologii interesuje nas ten przedział widma, w którym promieniowanie przejawia się w postaci światła i ciepła - a mieści się w znacznie węższym zakresie. Długości fal od tysięcznych części mm do setki mm. Długość l=4,0 mm dzieli ten zakres na promieniowanie krótkofalowe l<4,0 mm i długofalowe l>4,0 mm.
Promieniowanie słońca:
Słońce jest jedynym źródłem energii dla powierzchni Ziemi i jej atmosfery. Do powierzchni Ziemi dochodzi 0,000002 część energii wysłanej przez Słońce we wszystkich kierunkach. Ilość ta jest wystarczająca do podtrzymania życia na Ziemi, które wymaga światła i ciepła.
Promieniowanie słoneczne jest przyczyną cyrkulacji powietrza i wód oceanicznych. Ponieważ nierównomierne nagrzewanie powierzchni Ziemi powoduje wystąpienie różnic temperatur i ciśnienia, a w ich konsekwencji ruchy powietrza i wody.
Obieg wody w przyrodzie w różnych jej fazach wiąże się także z dopływem energii słonecznej.
Promieniowanie słoneczne charakteryzuje się długością fali, natężeniem promieniowania słonecznego, prędkością rozchodzenia się promieniowania.
Widmo słoneczne na górnej granicy atmosfery w 99% mieści się w zakresie 0,1<l<0,4 mm A więc właściwie w zakresie promieniowania krótkofalowego.
ultrafioletowe 0,1<l<0,4 7%
widzialne 0,4<l<0,76 46%
podczerwone 0,76<l 47%
Stała słoneczna:
Natężenie promieniowania słonecznego na górnej granicy atmosfery, a więc bez wpływu atmosfery, albo na powierzchni ziemi przy założeniu absolutnej przeźroczystości, oraz przy średniej odległości Ziemi od Słońca, nosi nazwę STAŁEJ SŁONECZNEJ. IO - stała słoneczna - należy rozumieć w sensie uniezależnienia od procesów zachodzących w atmosferze (pochłanianie, rozpraszanie).
Może ona podlegać pewnym zachodzącym drobnym wahaniom w związku ze zdolnością emisyjną słońca. IO=1,98 cal/cm2 min = 1381,4 W/m2.
Natężenie promieniowania:
Natężeniem promieniowania słonecznego nazywamy ilość energii (cal) jaką otrzymuje jednostka powierzchni (cm2) ustawiona prostopadle do biegu promieni w ciągu minuty.
I - stosunek mocy strumienia energetycznego do powierzchni.
Osłabienie promieniowania słonecznego w atmosferze:
W czasie przenikania przez atmosferę promieniowanie słoneczne ulega stopniowo osłabieniu w skutek pochłonięcia i rozproszenia promieni słonecznych przez składniki i zanieczyszczenia powietrza atmosferycznego. Powoduje to, że natężenie promieniowania bezpośredniego jest zawsze mniejsze od stałej słonecznej. Zmienia się także skład widmowy fali , promienie o różnej długości fali są w atmosferze niejednakowo pochłaniane i rozpraszane (np. para wodna i CO2 silnie pochłaniają promieniowanie w obszarze podczerwieni).
W atmosferze występuje ponad to nie selektywne pochłanianie promieni słonecznych w całym obszarze widma promieniowania przez ciała stałe i ciekłe zawieszone (rozproszone) w powietrzu.
Promieniowanie słoneczne całkowite: ( K )
Jest sumą promieniowania bezpośredniego i rozproszonego.
Jest to całe promieniowanie docierające do powierzchni Ziemi. Osiąga ono maksimum dzienne około południa, a maksimum roczne występuje w lecie lub późną wiosną. Powierzchnia Ziemi odbija część promieniowania słonecznego, tzn. Nie pochłania całkowicie promieniowania bezpośredniego i rozproszonego Słońca.
Promieniowanie bezpośrednie:
Stanowi ono część energii promienistej, która przez atmosferę dociera do powierzchni ziemi bezpośrednio pod postacią promieni równoległych. Natężenie zależy od wysokości Słońca nad horyzontem, a więc wykazuje przebieg dobowy i roczny.
W przebiegu rocznym maksymalnego natężenie promieniowania bezpośredniego należałoby się spodziewać w lecie, słońce najwyżej nad horyzontem. Minimum zaś w zimie. Tymczasem maksimum obserwowane jest na wiosnę dzięki dużej przejrzystości atmosfery.
Wraz ze wzrostem wysokości n.p.m. natężenie promieniowania bezpośredniego rośnie, bo zmniejsza się grubość warstwy atmosfery, powietrze jest czystsze.
Promieniowanie rozproszone:
Natężenie jego określa ilość energii otrzymana przez 1 cm2 powierzchni poziomej, w czasie 1 minuty.
Efekt cieplny tego promieniowania jest niewielki. Natężenie zmienia się w ciągu dnia, rośnie do południa, maleje po południu. Zmniejsza się ze wzrostem wysokości bo w rzadszym i czystszym powietrzu jest mniej zawiesin. Zmniejszenie przeźroczystości powietrza wpływa na wzrost tego natężenia, wobec większej ilości cząstek rozproszonych.
Promieniowanie słoneczne odbite:
Albedo - jest ot stosunek promieniowania odbitego do padającego na daną powierzchnię [%]. Wartość albedo zależy od rodzaju ciał na które to promieniowanie pada i ich wartości fizycznych (np. barwy). Przykłady:
wilgotny czarnoziem 8%
świerzo spadłego śniegu 75-90%
wody przy niskim położeniu słońca 70%
wody przy wysokim położeniu słońca 5%
Albedo Ziemi oceniane jest na około 30%, a wedłóg pomiarów satelitarnych (powierzchnia ziemi + atmosfera) wynosi około 28%.
Rośliny odbijają w głównej mierze promieniowanie zielone i podczerwone. Odbijanie pierwszych nadaje roślinności zielone zabarwienie, a odbijanie drugiego chroni przed nadmiernym nagrzewaniem.