Dr inż. Mariusz Szewczyk
Politechnika Rzeszowska im. I. A
ukasiewicza
Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa
Katedra Termodynamiki
35-959 Rzeszów, ul. W. Pola 2
Energia słoneczna i cieplna biosfery
Oddziaływanie promieniowania słonecznego z
atmosferÄ…
składniki podstawowe i śladowe prawo Bouguera-Lamberta
atmosfery
masa optyczna atmosfery
procesy generacji i usuwania
współczynnik przez
roczystości atmosfery
ośrodek mętny - rozpraszanie
silna absorpcja w niejednolitym ośrodku
rozpraszanie  rodzaje
transmitancja atmosfery
rozpraszanie Ramanowskie, Rayleigha,
widmo promieniowania słonecznego -
Mie, geometryczne
wpływ masy optycznej
rozkład promieniowania nieba w
promieniowanie zwrotne Ziemi  prom.
bezchmurny dzień
powierzchni i atmosfery
absorpcja  pasma absorpcyjne
składników
Składniki podstawowe atmosfery
1951
Składniki podstawowe (udział w atmosferze suchej):
" azot N2  78,08 % - udział w procesach biologicznych i chemicznych;
" tlen O2  20,95 % - pochodzenie biologiczne, udział w procesach biologicznych i
chemicznych;
" gazy szlachetne  0,93 %, (Argon Ar  9340 ppm, Neon Ne  18 ppm, Krypton Kr
 1 ppm)  obojętne, Hel He  5 ppm  procesy fizykochemiczne
" ditlenek wÄ™gla CO2  stężenie zmienne (200 ÷ 400 ppm), Å›rednio 0,038 % -
pochodzenie fizykochemiczne, biologiczne, antropogeniczne, udział w procesach
biologicznych i chemicznych;
" woda H2O - w postaci wszystkich trzech stanów skupienia (większość w postaci
pary)  stężenie zmienne zależne od warunków klimatycznych 0,001 ÷ 1 %, udziaÅ‚
w procesach biologicznych i fizyko-chemicznych
M
B
i
L
w
Składniki śladowe atmosfery
1951
Związki węgla półtrwałe o względnie stałym stężeniu:
" metan CH4  1,72 ppm - pochodzenie biologiczne, antropogeniczne, chemiczne;
" tlenek węgla CO  0,06 ppm p. południowa, 0,12 ppm p. północna - pochodzenie
antropogeniczne, chemiczne.
Związki azotu o stałym stężeniu:
" podtlenek azotu N2O  0,31 ppm - pochodzenie biologiczne, chemiczne.
ZwiÄ…zki azotu silnie reaktywne:
" amoniak NH3  10-4 ÷ 10-5 ppm - pochodzenie biologiczne, chemiczne;
" tlenki azotu NOx  10-6 ÷ 10-2 ppm - pochodzenie antropogeniczne, biologiczne, chemiczne.
ZwiÄ…zki siarki silnie reaktywne i zwiÄ…zane z obiegiem wody:
" siarkowodór H2S - pochodzenie biologiczne, antropogeniczne, chemiczne;
" tlenki siarki SO2, SO3 - 10-4 ÷ 10-5 ppm - pochodzenie antropogeniczne, biologiczne,
chemiczne.
Gazy zwiÄ…zane z obiegiem ozonu:
" ozon O3 - 10-2 ÷ 10-1 ppm - pochodzenie antropogeniczne, biologiczne, chemiczne;
" chlor Cl2 i freony - pochodzenie antropogeniczne, biologiczne, chemiczne.
Składniki niegazowe:
" pyły, aerozole,sól, sadza - pochodzenie antropogeniczne, fizykochemiczne.
M
B
i
L
w
Procesy generacji i usuwania składników atmosfery
1951
Procesy wprowadzające składniki do atmosfery to przede wszystkim:
" erupcje wulkanów;
" działalność ludzka;
" naturalne procesy biologiczne (fotosynteza, oddychanie, procesy
mikrobiologiczne, bagna);
" reakcje chemiczne wewnÄ…trz atmosfery;
" procesy wietrzeniowe;
" wydzielanie z hydrosfery;
" meteoryty,
" pożary,
" zdmuchiwanie fal morskich.
Podstawowe procesy usuwające składniki z atmosfery to:
" wymywanie opadami;
" naturalne procesy biologiczne (fotosynteza, procesy mikrobiologiczne);
" rozpuszczanie w hydrosferze;
" reakcje ze składnikami litosfery.
M
B
i
L
w
Ośrodek mętny - rozpraszanie
1951
Atmosfera stanowi dla promieniowania słonecznego ośrodek mętny  pochłaniający
i rozpraszajÄ…cy.
Rozpraszanie promieniowania jest zjawiskiem polegajÄ…cym na zmianie kierunku
propagacji promieniowania bez zmiany jego częstotliwości - rozpraszanie elastyczne,
lub z niewielką zmiana częstotliwości - rozpraszanie nieelastyczne.
Rozpraszanie skutkuje tym że promieniowanie
słoneczne dociera do powierzchni Ziemi nie tylko
od strony Słońca ale także od oświetlonej przez
Słońce atmosfery, następuje podział na
promieniowanie bezpośrednie i rozproszone.
Rozpraszanie zachodzi tak na kropelkach i
kryształkach pyłów i aerozoli zawieszonych w
atmosferze jak i na czÄ…steczkach i atomach
gazowych składników atmosfery.
Charakterystyka rozpraszania jest zależna od
parametrów promieniowania ale przede
wszystkim od parametrów ośrodka
rozpraszajÄ…cego  rozpraszanie molekularne i
niemolekularne.
M
B
i
L
w
Rozpraszanie  rodzaje
1951
Ze względu na charakter oddziaływania promieniowania z ośrodkiem
rozpraszającym wyróżnia się rozpraszanie molekularne i niemolekularne.
" Rozpraszanie molekularne ma charakter natychmiastowego procesu dwóch
oddziaływań cząsteczki z polem promieniowania w wyniku którego znika jeden kwant a
w jego miejsce pojawia się inny o takiej samej lub nieco innej częstotliwości i innym
kierunku.
" Rozpraszanie niemolekularne wynika z oddziaływań promieniowania z drobinami
cieczy i ciał stałych polegających przede wszystkim na odbiciu, ugięciu, załamaniu czy
fluorescencji.
Głównym parametrem determinującym charakterystykę i opis rozpraszania
elastycznego są proporcje pomiędzy rozmiarem cząstek rozpraszających i długości fali
promieniowania  determinuje to podział na:
" Rozpraszanie Reyleigha  rozmiary cząstek są znacznie mniejsze od długości fali 
rozpraszania molekularne;
" Rozpraszanie Mie  rozmiary cząstek są tego samego rzędu co długość fali;
" Rozpraszanie geometryczne  rozmiary cząstek są znacznie większe od długości fali
 rozpraszania niemolekularne.
Specyficznym typem rozpraszania jest rozpraszanie Ramanowskie będące
rozpraszaniem molekularnym i nieelastycznym
M
B
i
L
w
Rozpraszanie Rayleigha - opis
1951
Dominuje na czystym i niezamglonym nieboskłonie.
Cząsteczki traktuje się jak dipole oddziałujące z promieniowaniem i nie oddziałujące
ze sobÄ….
Natężenie światła rozproszonego na cząsteczce opisane jest zależnością:
ëÅ‚ öÅ‚
16Ä„4r6 ìÅ‚ n2 -1÷Å‚1+ cos2 Åš
2
I,Åš = I ,
2
4R2 ìÅ‚ n2 +1÷Å‚
íÅ‚ Å‚Å‚
gdzie:
I  natężenie światła padającego,
r  rozmiar czÄ…stki,
R  odległość od cząstki rozpraszającej,
  długość fali padającego światła,
n  współczynnik załamania światła,
Ś  kąt rozproszenia liczony od kierunku padania światła.
Przy bezchmurnym nieboskłonie w atmosferze suchej oraz pozbawionej zapylenia i
aerozoli rozproszeniu ulega od 10 do 20 % promieniowania słonecznego.
M
B
i
L
w
Rozpraszanie Rayleigha - wnioski
1951
Kierunek rozpraszania najlepiej opisuje indykatrysa rozpraszania będąca obwiednią
natężenia promieniowania w funkcji kąta rozpraszania:
- największe natężenie promieniowania rozproszonego występuje z kierunku Słońca.
- natężenie światła rozproszonego bardzo silnie zależy od rozmiarów
2
I,Åš ~ r6,
molekuły:
2
I,Ś ~ -4,- najsilniej rozpraszane są fale krótkie a stosunek ilości promieniowania z
zakresu fioletu i czerwieni w promieniowaniu rozproszonym wynosi:
4
4
2 ëÅ‚ öÅ‚
If c 0,8
ëÅ‚ öÅ‚
= ìÅ‚ ÷Å‚ H" =16,
ìÅ‚ ÷Å‚
2
Ic ìÅ‚ f ÷Å‚ íÅ‚ 0,4
Å‚Å‚
íÅ‚ Å‚Å‚
- nieboskłon ma barwę niebieską bo barwa fioletowa jest rozpraszana 16 razy bardziej
niż czerwona,
- widmo promieniowania bezpośredniego jest przesuwane w stronę czerwieni,
- kolor tarczy słonecznej jest uzależniany od grubości atmosfery (wysokości Słońca nad
horyzontem) przez którą przechodzi promieniowanie słoneczne.
M
B
i
L
w
Rozkład promieniowania nieba w bezchmurny dzień
1951
M
B
i
L
w
Rozpraszanie Mie i rozpraszanie geometryczne
1951
Indykatrysa promieniowania rozproszonego ma kształt wydłużony i skierowany do
przodu (w skrajnym przypadku tylko do przodu)  promieniowanie rozpraszane jest
przede wszystkim do przodu.
Intensywność rozpraszania znacznie słabiej zależy od długości fali:
2
I ~ -2 ÷ ,
co powoduje że promieniowanie rozproszone traci barwę.
Rezultatem takiego rozpraszania jest np. biała otoczka wokół tarczy słonecznej czy
utrata koloru nieboskłonu występujące w warunkach zamglenia, wysokiej zawartości
pary wodnej lub innych aerozoli, zachmurzenia wysokimi chmurami.
W skrajnym przypadku przy braku widzialności tarczy słonecznej do powierzchni
Ziemi dociera tylko promieniowanie rozproszone.
M
B
i
L
w
Rozpraszanie Ramanowskie
1951
Podczas rozpraszania Ramanowskiego następuje zmniejszenie (rozpraszanie
stoksowskie) lub zwiększenie (rozpraszanie antystoksowskie) częstotliwości
promieniowania - zmiana częstotliwości (energii) fotonu związany jest z przejściem
molekuły na inny poziom oscylacyjny i/lub rotacyjny.
Rozpraszanie Ramanowskie z punktu widzenia energetycznego nie ma praktycznie
żadnego znaczenia  jego natężenie jest od 103 do 106 razy mniejsze od
rozpraszania elastycznego.
Rozpraszanie Ramanowskie ma duże znaczenie w badaniach atmosfery ponieważ
widmo promieniowania rozproszonego jest charakterystyczne dla molekuł
rozpraszajÄ…cych, a stosunek rozpraszania stoksowskiego do antystoksowskiego jest
zależny od temperatury.
M
B
i
L
w
Prawo Bouguera-Lamberta
1951
Sumarycznie zjawiska absorpcji i rozpraszania
powodują osłabienie promieniowania i wiązka
promieniowania o długości fali  i początkowym
natężeniu I po przejściu drogi ds zmieni się o:
- dI = K Ids,
gdzie: K  współczynnik osłabienia (ekstynkcji)
Åš
z
będący suma składowej od absorpcji i
Ä…s
rozpraszania:
K = a + S , K = f (,T , P,Ci),
zatem prawo Bouguera-Lamberta przybiera
postać:
dI
= -Kds.
I
M
B
i
L
w
Grubość optyczna
1951
Po przejściu drogi L:
L
îÅ‚ Å‚Å‚
(s)dsśł
ïÅ‚- K
+"
śł
ðÅ‚ 0 ûÅ‚

IL = I0eïÅ‚ = I0ek (L),
gdzie: k(L)  grubość optyczna (droga optyczna).
Gdy właściwości optyczne atmosfery na drodze L są niezmienne:
 
IL = I0ek (L) = I0e[K L],
M
B
i
L
w
Masa optyczna atmosfery  definicja
1951
Definiując masę optyczną jako stosunek masy atmosfery przez którą przeszło
promieniowanie do masy atmosfery mieszczącym się w pionowym słupie powietrza
nad miejscem obserwacji:
"
Á(s)ds
+"
M
0
AM = = ,
M0 " Á(z)dz
+"
0
prawo Bouguera-Lamberta można zapisać:
L
îÅ‚ Å‚Å‚
ïÅ‚-

+"Ä… (z)Á(z)dzśł AM
śł
ðÅ‚ 0 ûÅ‚
 0 
IL = I0eïÅ‚ = I0e-Ä… M AM = I0e-Ä AM ,
gdzie: - średnia wartość masowego współczynnika osłabienia,
Ä…
Ä - gÅ‚Ä™bokość optyczna atmosfery (grubość optyczna pionowego sÅ‚upa
powietrza):
" "
Ä = (z)Á(z)dz lub Ä =
+"Ä… +"Ä… M ,
  0
0 0
M
B
i
L
w
Masa optyczna atmosfery - obliczanie
1951
dla Åšz d" 70°
P
, dla Åšz d" 62°;
AM =
(P0 Å"cos¸Z)
gdzie: Śz - kąt zenitalny Słońca;
P  ciśnienie atmosferyczne;
P0  ciśnienie normalne, P0 = 1013,25 hPa.
M
B
i
L
w
Współczynnik przez
roczystości atmosfery
1951
ZapisujÄ…c:
AM
 
IL = I0e-Ä AM = I0(e-Ä ) = I0 p AM ,
gdzie: p  współczynnik przez
roczystości atmosfery zleżany tylko od jej stanu i
niezależny od wysokości słońca i natężenia promieniowania, bowiem w przypadku
gdy Słońce będzie w zenicie masa optyczna atmosfery: AM = 1 a
I,90
p = Ò! p < 1
I,0
współczynnik przez
roczystości określa ułamek promieniowania słonecznego
docierajÄ…cy do powierzchni Ziemi.
Współczynnik przez
roczystości zależy od długości fali:
 = 0,39 µm  = 0,45 µm  = 0,70 µm
p = 0,635 p = 0,812 p = 0,966
a największe wartości przyjmuje dla atmosfery suchej i czystej.
M
B
i
L
w
Silna absorpcja w niejednolitym ośrodku
1951
W niektórych zakresach długości fal
oddziaływanie promieniowania słonecznego
ze składnikami atmosfery jest tak silne że nie
docierajÄ… one do powierzchni.
Analiza zjawiska ekstynkcji w takim
przypadku uwidacznia że w atmosferze
występują warstwy o maksymalnej absorpcji
a do powierzchni Ziemi promieniowanie z
tych zakresów częstotliwości praktycznie nie
dociera.
Tłumaczy to położenie warstw jonosfery,
ozonosfery oraz pionowy profil temperatury
powietrza.
Zjawisko to dotyczy przede wszystkim
wysokoenergetycznej części widma
promieniowania słonecznego czyli
promieniowania ultrafioletowego.
M
B
i
L
w
Pasma absorpcyjne składników atmosfery
1951
M
B
i
L
w
Transmitancja atmosfery  okna atmosferyczne
1951
Odbicie wraz z rozpraszaniem wstecznym i pochłanianie promieniowania
słonecznego w atmosferze mniej więcej w tym samym stopniu prowadzą do
redukcji promieniowania dochodzÄ…cego do powierzchni Ziemi - do powierzchni
Ziemi dociera niecałe 60 % promieniowania docierającego do atmosfery w tym w
postaci bezpoÅ›redniego okoÅ‚o poÅ‚owy (44 ÷ 47 %).
Transmitancja atmosfery dla AM1,5.
M
B
i
L
w
Widmo promieniowania słonecznego - wpływ składników atmosfery
1951
W procesie selektywnego pochłaniania promieniowania słonecznego
odpowiadajÄ…cego za ekstynkcje okoÅ‚o 10 % (pochÅ‚anianie caÅ‚kowite - 20 ÷ 25 %)
promieniowania decydujÄ…cÄ… rolÄ™ odgrywajÄ… ozon O3 i para wodna H2O.
Wpływ pasm absorpcyjnych składników atmosfery na rozkład widmowy
promieniowania słonecznego.
M
B
i
L
w
Widmo promieniowania słonecznego - wpływ masy optycznej
1951
Rozkłady widmowe promieniowania słonecznego dla standardów AM0 (air mass),
AM1 i AM2.
M
B
i
L
w
Widmo promieniowania słonecznego  składowe dla AM 1,5
1951
Spektralny rozkład promieniowania słonecznego dla AM 1,5, przy czystej i bezchmurnej
atmosferze; gdzie odpowiednio: Extraterrestrial  promieniowanie słoneczne na granicy
atmosfery; Global  promieniowanie całkowite (Direct+ Diffuse); Direct - promieniowanie
docierające do powierzchni Ziemi z bezpośrednio widocznej tarczy słonecznej; Diffuse -
promieniowanie rozproszone przez atmosferÄ™ w kierunku Ziemi.
M
B
i
L
w
Widmo promieniowania rozproszonego
1951
M
B
i
L
w