Promieniowanie

słoneczne

Słońce dzięki promieniowaniu cieplnemu wysyła na Ziemię niewyobraŜalną ilość energii. W skali roku jest to 5000-krotnie więcej energii niŜ zapotrzebowanie na energię ludności całego świata. Roczna ilość energii słonecznej wynosi 1 500 000·1012 kWh, natomiast całkowite zapotrzebowanie na energię na świecie to około 300·1012 kWh (ciepło, energia elektryczna, transport). Promieniowanie słoneczne to równomierny strumień energii wysyłany stale przez Słońce.

Moc promieniowania słonecznego wynosi 1353 W/m2 przy pionowo padającym promieniowaniu słonecznym docierającym do zewnętrznej warstwy atmosfery. Wartość ta jest nazywana stałą słoneczną i podlega jedynie niewielkim wahaniom rocznym. Promieniowanie słoneczne przechodząc przez atmosferę ziemską, zostaje częściowo odbite, rozproszone i pochłonięte i dlatego doZiemi przedostaje się jedynie część pierwotnego promieniowania. Ten udział, określany jako promieniowanie całkowite, jest efektywną mocą promieniowania słonecznego.Promieniowanie całkowite składa się z promieniowania bezpośredniego, rozproszonego i odbitego.

Promieniowanie bezpośrednie jest częścią promieniowania, które przy bezchmurnym niebie bez przeszkód przedostaje się przez atmosferę i moŜe być zaabsorbowane przez róŜne obiekty. Im większy kąt padania promieni słonecznych na obiekt, tym większa jest ilość zaabsorbowanej energii.

Promieniowanie rozproszone powstaje w wyniku odbicia promieniowania słonecznego od np. zanieczyszczeń pyłowych i gazowych. W wyniku rozproszenia dociera ono bez przeszkód ze zmniejszoną intensywnością na powierzchnię Ziemi. Zyski energetyczne są w rzeczywistości mniejsze niŜ zyski pochodzące od promieniowania bezpośredniego.Udział promieniowania rozproszonego, w promieniowaniu całkowitym, na terenie Polski waha się od 47% w miesiącach letnich do ok. 70% w grudniu, dając przeciętną ok. 50% w skali całego roku.

Promieniowanie odbite powstaje w wyniku odbicia od obiektów w pobliŜu np. budynków.

Rys. 1. Udział promieniowania bezpośredniego i rozproszonego w promieniowaniu całkowitym

Wielkość promieniowania słonecznego podobnie jak stosunek promieniowania bezpośredniego do rozproszonego są określane kaŜdorazowo w prognozach pogody. Przy bezchmurnym, niebieskim niebie - efektywne promieniowanie słoneczne wynosi do 1000 W/(m2·d), a podczas pochmurnego dnia zimowego moŜe spaść do 100 W/(m2·d). Zdecydowanie zaleŜy ono od pory roku i tym samym od usłonecznienia.

Potencjalna energia uŜyteczna w kWh/(m2 ·a) w wyróŜnionych rejonach Polski:

Rejon Rok (I-XII)

Półrocze letnie (IV-IX)

Sezon letni (VI-VIII)

Półrocze zimowe (X-III)

Pas Nadmorski1076 881 497 195

Wschodnia część Polski1081 821 461 260

Centralna część Polski985 785 449 200

Zachodnia część Polski z dorzeczem Odry 985 785 438 204

Południowa część Polski962 682 373 280

Południowo-zachodnia część Polski (Sudety) 950 712 393 238

Usłonecznienie wynosi rocznie ok. 3500 h na terenach nasłonecznionych na Ziemi. Natomiast w środkowej Europie słońce świeci średnio tylko ok. 2000 h/a. W Polsce wartość ta wynosi 1300 –1900 h/a, przy czym dla większej części kraju średnie roczne wynoszą 1600 h, co stanowi 40% astronomicznej długości dnia. Warunki meteorologiczne charakteryzują się bardzo nierównym rozkładem promieniowania słonecznego w cyklu rocznym. Około 80% całkowitejrocznej sumy nasłonecznienia przypada na sześć miesięcy sezonu wiosenno-letniego, od początku kwietnia do końca września, przy czym czas operacji słonecznej w lecie wydłuŜa się do 16 godz/dzień, natomiast w zimie skraca się do 8 godzin dziennie. Na podstawie wartości usłonecznienia na obszarze Polski wyznaczono trzy główne strefy:•północno-wschodnią, ze średnimi usłonecznienia powyŜej 1550 godzin,•środkową ze średnimi usłonecznienia w przedziałach 1480 - 1550 godzin,•południową z wartościami średnimi usłonecznienia poniŜej 1450 godzin.

Obszar Polski odznacza się ogólnie małą liczbą godzin słonecznych. Największe średnie roczne sumy godzin usłonecznienia rzeczywistego są notowane we wschodniej części kraju, w rejonie środkowego Bugu, w okolicach Skierniewic i na PobrzeŜu Gdańskim. Na tych obszarach średnia roczna suma usłonecznienia rzeczywistego przekracza 1650godzin. ZróŜnicowanie sum rocznych usłonecznienia w Polsce wynosi około 380 godzin. Zachmurzenie obok promieniowania zajmuje waŜne miejsce wśród parametrów klimatologicznych. Stopień pokrycia nieba przez chmury w zaczym stopniu ogranicza ilość promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni ziemi, przez co reguluje reŜim termiczny i wiele innych zjawisk meteorologicznych. Polska odznacza się przewagą dni pochmurnych. Dni o niewielkim zachmurzeniu jest mało i stanowią one niewielki procent. W ciągu roku najwięcej dni pogodnych (o małym zachmurzeniu) odnotowuję się wiosną.

Warunki europejskie

Jak widać na zamieszczonej mapie Europy, Polska w porównaniu z krajami śródziemnomorskimi ma znacznie mniejszy potencjał energii słonecznej, który moŜna wykorzystać. Kraje takie jak Włochy, Grecja, Hiszpania czy Portugalia mają niemalŜe dwukrotnie wyŜszą wartość natęŜenia promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni ziemi.

Albedo: stosunek

promieniowania odbitego

do

całkowitego padającego

na daną powierzchnię.

Wartości od 0 (brak

odbicia) do 1 (całe

padające

promieniowanie jest

odbijane)

Dla całej Ziemi=0,3

Odbijanie promieniowania od róŜnych rodzajów podłoŜa na powierzchni Ziemi:

Powierzchnia gruntu nagrzewa się dzięki docierającemu do jej powierzchni krótkofalowemu promieniowaniu słonecznemu. Ziemia nagrzewa się na skutek oddziaływania tegoŜ promieniowania słonecznego. Powietrze które styka się z powierzchnią gruntu, z kolei ogrzewa się od powierzchni Ziemi. Ilość energii promieniowania słonecznego docierająca do powierzchni

Ziemi jest uzaleŜniona od kąta zawartego między kierunkiem padania promieniowania słonecznego, a powierzchnią gruntu. Zjawisko to opisuje jedno z tzw. "praw promieniowania", opisane zaleŜnością zilustrowaną na zamieszczonym poniŜej rysunku:

Rys. 1. Zobrazowanie efektywnej wartości natęŜenia promieniowania

(I) przypadającej na jednostkę powierzchni.

Przyrządy pomiarowe

Aktynometr słuŜy do pomiaru promieniowania bezpośredniego. Odbiornikiem promieniowania jest tarcza ze srebrnej folii o grubości 0,003 mm i średnicy 11 mm, pokryta sadzą, do której przyspawane są czynne spojenia termobaterii złoŜonej z 24 (do 36) elementów termoelektrycznych ułoŜonych gwiaździście. Bierne spojenia (zaciemniona strona tarczy) przylutowane są do miedzianego pierścienia umieszczonego wewnątrz rury aktynometru. Wolne końce termobaterii połączone są z galwanometrem, którego wskazania są propocjonalne do róŜnicy temperatur między spoinami.

Czynny element umieszczony jest wewnątrz rury aktynometru ( o długości 11 cm i średnicy 20 mm) i zaopatrzony w przesłonę. Między obserwacjami rura jest zasłonięta.

Przyrząd ustawia się pod kątem równym szerokości geograficznej miejsca pomiaru, a następnie skierowuje się go na Słońce tak, aby promień świetlny padał przez otwór na ekranik na obudowie.

Pyranometr słuŜy do pomiaru promieniowania całkowitego, rozproszonego i odbitego. Element pochłaniający promieniowanie ma postać szachownicy z polami na przemian białymi i poczernionymi. Sąto termoelementy manganinowo - konstantanowe. Wskutek róŜnicy pochłaniania promieniowania przez poczernione i niepoczernionepowierzchnie, wytwarza się róŜnica temperatur między spoinami, proporcjonalna do natęŜenia promieniowania. Między końcami termobaterii wytwarza się siła elektromotoryczna powodująca wychylanie się wskazówki galwanometru.

Pyranometr – instrument do pomiaru irradiancji (czyli strumień przychodzącej energii słonecznej (w watach na metr kwadratowy)). w paśmie promieniowania słonecznego (od 300-4000 nm). Instrument jest tak skonstruowany, Ŝe mierzy przychodzące promieniowanie z wagą proporcjonalną do cosinusa kąta zenitalnego.

Pyranometr model SR11

heliograf Campbella-Stokesa

Heliograf przyrząd słuŜący do rejestracji (zapisu) czasu trwaniausłonecznienia. Najczęściej jest uŜywany heliograf Campbella-Stokesa. Zasadniczą częścią tego przyrządu jest szklana kula spełniająca funkcję soczewki skupiającej promienie słoneczne na umieszczonym w odległości ogniskowej pasku z cienkiego kartonu. W wyniku pozornego ruchu Słońca następuje wypalenie śladu na pasku. Zapis czasu trwania usłonecznienia otrzymany w postaci wypalonego śladu na pasku nosi nazwę heliogramu. Paski są zróŜnicowane w zaleŜności od pory roku - najdłuŜszy i najniŜej połoŜony pasek letni, pasek średni wiosenno-jesienny i najwyŜej wkładany oraz najkrótszy pasek zimowy). Promienie wypalają ślad, którego długość określa czas operowania Słońca z dokładnością do 10 min .

Pomiar promieniowania na płaszczyźnie prostopadłej do Słońca. Pyrheliometr umieszcza się na specjalnym urządzeniu, które podąŜa za Słońcem umoŜliwiając w ten sposób ustawienie przyrządu w kierunku tarczy Słońca. Pomiar dokonuje się przy uŜyciu pyrheliometru Angstrema. Przyrząd ten zbudowany jest z dwóch wyczernionych czujników bolometrycznymi, których temperatury porównywane są za pomocą termopary (termoogniwo - Składa się z połączenia dwóch róŜnych metali).

Pomiar promieniowania

bezpośredniego – pyrheliometr

Albedomierz – pomiar albeda powierzchni ziemi

Bilansomierze pomiar bilansu promieniowania słonecznego oraz ziemskiego

Pomiar promieniowania bezpośredniego – Fotometry

słoneczne

Detektor: spektrometry,

fotodiody krzemowe z

filtrami interferencyjnymi

Zakres spektralny: 300-

1100 nm

Stosuje się do pomiaru

ozonu, pary wodnej oraz

aerozolu atmosferycznego

Przyrządy do pomiaru promieniowania UV

Pomiar promieniowania na 2 długościach fal (λ1, λ2) w obszarze UV,

gdzie λ1 długość fali dla której promieniowanie jest silnie pochłaniane przez ozonλ2 długość fali poza

pasmem absorpcyjnym

Spektrofotometr Dobsona

DOBSON

� Jednostką uŜywaną do określenia całkowitej zawartości ozonu w atmosferze jest Dobson(1 Dobson [DU]= 0.01mm O3, warunki normalne: 1013hPa, 0oC)

� Odpowiada on grubości ozonu jaką otrzymamy po spręŜeniu go do ciśnienia panującego przy powierzchni ziemi. Wynosi średnio około 300 DU.

Promieniowanie UV a zdrowie człowieka

Nie zdając sobie sprawy z zagroŜenia wystawiamy się nazbyt często i długo na ich działanie.Cierpi przez to nasza skóra: oparzenia i alergie słoneczne, przyspieszone starzenie się skóry, plamy pigmentacyjne, nowotwory skóry oraz oczu: zaćma.Ultrafioletowa część promieniowania słonecznego jest aktywna biologicznie.Dzielimy ją umownie na 3 pasma: UV-C (100-280nm), UV-B (280-320nm) i UV-A(320-400nm).Zabójcze dla Ŝycia promieniowanie UV-C (stosowane do sterylizacji narzędzi chirurgicznych) jest na szczęście całkowicie pochłaniane przez górne warstwy atmosfery.Bardzo aktywne biologicznie promieniowanie UV-B, powodujące szybko widoczny efekt oparzenia skóry, jest w znacznej części pochłaniane przez warstwę ozonową w stratosferze (tylko kilka procent dociera do powierzchni Ziemi).Natomiast promieniowanie UV-A, w znikomym stopniu osłabiane przez atmosferę, wnika głębiej w skórę i wpływa na system immunologiczny. Musimy się zatem chronić przed nadmiernym dawkowaniem promieniowania ultrafioletowego, zwłaszcza naleŜy chronić dzieci, a te poniŜej 3 lat w ogóle nie powinny być wystawiane na bezpośrednie promieniowanie Słońca.Stopień szkodliwości promieniowania UV zaleŜy nie tylko od wielkości dawki UV ale takŜe od indywidualnej wraŜliwości skóry.

Promieniowanie UV a zdrowie człowieka

Ilość docierającego do powierzchni ziemi promieniowania ultrafioletowego zaleŜy od: •wysokości Słońca nad horyzontem, tj. szerokości geograficznej, pory roku i pory dnia, najsilniejsze promieniowanie w strefie zwrotnikowej, najsłabsze w obszarach polarnych. W Polsce najsilniejsze promieniowanie występuje latem w godzinach południowych; •wysokości nad poziomem morza: największe wartości Indeksu UV występują w Tatrach; •rozpraszania w atmosferze przez aerozole i parę wodną; •zawartości ozonu w atmosferze; szacunkowo 1% zmiany całkowitego ozonu powoduje zmianę 1.1÷1.3% promieniowania UV; •pochłaniania i odbicia promieniowania przez powierzchnię Ziemi. Stosunek promieniowania odbitego do padającego jest nazywany albedo i wynosi dla lodu i śniegu ok. 0.5 a dla powierzchni roślinnej 0.03. Wpływ albedo zaznacza się najsilniej wysoko w górach (odbicie od skał i śniegu) i nad morzem (odbicie od piasku i wody); •wielkości i rodzaju zachmurzenia - promieniowanie UV jest silnie pochłaniane przez chmury.

Indeks UV - wskaźnik do praktycznego stosowaniaIndeks UV został początkowo zdefiniowany niezaleŜnie w poszczególnych krajach i stosowany w programach powszechnej informacji o promieniowaniu UV. Jego definicja została później znormalizowana i opublikowana przez Światową Organizację Zdrowia (WHO), Światową Organizację Meteorologiczną (WMO), Program Środowiskowy Narodów Zjednoczonych (UNEP) i Międzynarodową Komisję do Promieniowania Niejonizującego (ICNIRP). Indeks UV jest zalecany do stosowania w powszechnym rozbudzaniu świadomości o potencjalnie szkodliwym oddziaływaniu na zdrowie nadmiernej ekspozycji na promieniowanie UV i ostrzeganiu ludzi o konieczności stosowania środków ochronnych.Podstawy opracowywania prognozy Indeksu UV

Do opracowania prognozy na dzień następny (na 24 godziny) wykorzystywane jest pole ozonu całkowitego w atmosferze obliczane na podstawie danych odbieranych z satelity NOAA/TOVS oraz 48 godzinnych prognoz meteorologicznych z modelu ALADIN. Prognoza Indeksu UV jest oparta o statystyczny model prognozy ozonu całkowitego, opracowany w Ośrodku Aerologii i model transferu promieniowania LIBRATRAN.

Ze względu na duŜą zmienność zachmurzenia opracowywane są dwie wersje prognozy Indeksu UV: przy bezchmurnym niebie i z uwzględnieniem prognozy zachmurzenia. Czas opalania dla róŜnych typów skóry i Indeksu UV

I - Skóra bardzo jasna,często pokryta piegami,włosy jasny blond lub rude, oczy niebieskie.

II - Skóra jasna, włosy blond do brązowych, oczy niebieskie, zielone lub szare.

III - Skóra jasnobrązowa, włosy ciemnoblond lub brązowe

IV - skóra brązowa lub oliwkowa, włosy ciemnobrązowe

Przykład:

Dla Indeksu UV=8, częstego w Polsce w okresie letnim, czas opalania dla poszczególnych typów skóry wynosi: I - poniŜej 20 min, II - powyŜej 20 min, III - 30 min, IV-ok.40 min.

Czas opalania definiuje się jako maksymalny czas przebywania na słońcu bez Ŝadnejochrony, przy którym nie wystąpi opalenizna; nazywany jest równieŜ progowym czasemwystąpienia rumienia.