Ακτινοβολία µικρού µήκους κύµατος

Transcript

1 Ακτινοβοία µικρού µήκους κύµατος 1 Ακτινοβοία µικρού µήκους κύµατος 1.1.Γενικά Ο Ήιος είναι µια γιγαντιαία µηχανή θερµοπυρηνικής σχάσης. Κάτω από συνθήκες πού υψηών πιέσεων και θερµοκρασιών στο εσωτερικό του, τα άτοµα του υδρογόνου µετατρέπονται σε ήιο. Η διαδικασία αυτή απεευθερώνει τεράστια ποσά ενέργειας, που Εικόνα 1. H θερµοκρασία του Ήιου στο εσωτερικό του φτάνει τους βαθµούς Κέβιν, όγω των πυρηνικών αντιδράσεων που αµβάνουν χώρα εκεί. Η ακτινοβοία του πυρήνα απορροφάται έντονα από ένα στρώµα, όπου υπάρχουν άτοµα υδρογόνου, κοντά στην επιφάνεια του Ήιου. Η επιφάνεια αυτή ονοµάζεται φωτόσφαιρα και βρίσκεται σε θερµοκρασία περίπου ίση µε Κ, προσεγγίζοντας ένα µέαν σώµα. εκπέµπονται σαν ηεκτροµαγνητική ακτινοβοία. Ταξιδεύοντας µε την ταχύτητα του φωτός, η ηιακή ακτινοβοία χρειάζεται ίγο περισσότερο από 8 επτά για να διανύσει τα 149,6 εκατοµµύρια χιιόµετρα που µεσοαβούν ανάµεσα στη Γη και τον Ήιο. Ένα ποσοστό µικρότερο από το ένα δισεκατοµµυριοστό αυτής της ηεκτροµαγνητικής ενέργειας που εκπέµπει ο Ήιος φτάνει στη Γη, αά αυτό το µικρό κοµµάτι της ηιακής ακτινοβοίας αποτεεί την κύρια πηγή ενέργειας για τη Γή. Αν αυτό εξέειπε τα αποτεέσµατα θα ήταν ιδιαίτερα οδυνηρά. Μέσα σε µια εβδοµάδα, η µέση επιφανειακή θερµοκρασία του πανήτη θα έπεφτε στους -20 C περίπου και σε ένα χρόνο θα κατρακυούσε στους -75 C. Σε µερικές εκατοντάδες χιιάδες χρόνια οι ωκεανοί θα ήταν στερεό σώµα και η θερµοκρασία θα συνέχιζε πτωτικά, για να φθάσει σε µια θερµοκρασία "ισορροπίας" -240 C µέσα σε κάποια εκατοµµύρια χρόνια. Στην θερµοκρασία αυτή, η ροή θερµότητας από τον θερµό πυρήνα της Γης προς την επιφάνεια θα εξισωνόταν µε την απώεια θερµότητας της επιφάνειάς της προς το διάστηµα. Οι περισσότερες από τις παρατηρούµενες διεργασίες που αµβάνουν χώρα στο σύστηµα Γης Ατµόσφαιρας οφείονται στην ενέργεια που παρέχεται από τον Ήιο. Η ενέργεια αυτή προέρχεται από την απορρόφηση της ηιακής ακτινοβοίας και είναι η κινητήρια δύναµη για της όποιες θερµικές αντααγές συµβαίνουν στο σύστηµα γηςατµόσφαιρας.

2 2 Ακτινοβοία µικρού µήκους κύµατος 1.2.Χαρακτηριστικά της ηιακής ακτινοβοίας Η ηεκτροµαγνητική ακτινοβοία διαδίδεται µε την µορφή ηεκτροµαγνητικών κυµάτων µε την ταχύτητα του φωτός c (c= cm sec -1 στο κενό). Τα ηεκτροµαγνητικά κύµατα συχνά περιγράφονται µε το µήκος κύµατος ή µε την συχνότητα ν (c=ν ) Εικόνα 2. Φάσµα εκποµπής µέανος σώµατος για διάφορες θερµοκρασίες. Η ηεκτροµαγνητική ακτινοβοία την οποία ένα µέαν σώµα, εκπέµπει όγω της θερµοκρασίας του, είναι διαφορετική σε κάθε µήκος κύµατος και ακοουθεί τον νόµο του Plank. Η µορφή της καµπύης παραµένει ίδια αά η ένταση αάζει, µεταβαοµένου του πάτους και της θέσης του µεγίστου όπως φαίνεται στην Εικόνα 2. Η εικόνα παρουσιάζει ακριβώς τον νόµο αυτό, όπου η πυκνότητας ροής της ενέργειας της ακτινοβοίας µεταξύ των µηκών και +d παρουσιάζεται σαν συνάρτηση του µήκους κύµατος. Η θέση του µεγίστου προσδιορίζεται µε τον νόµο του Wien. Σύµφωνα µε τον νόµο µετατόπισης του Wien, το µήκος κύµατος στο οποίο ένα µέαν σώµα εµφανίζει το µέγιστο της εκποµπής ακτινοβοίας max είναι αντιστρόφως ανάογο µε την θερµοκρασία του σώµατος και η σχέση που συνδέει τα δύο αυτά µεγέθη είναι: (0.1) α m = όπου α= cm Κ T Με βάση αυτό το νόµο, όταν το µέαν σώµα βρίσκεται σε χαµηές θερµοκρασίες, το max είναι µεγάο. Άρα θα βρίσκεται στην υπέρυθρη (µη ορατή) περιοχή του φάσµατος, όπως συµβαίνει µε την ακτινοβοία της επιφάνειας της Γης, η οποία δεν είναι ορατή. Όταν όµως η θερµοκρασία αυξηθεί, τότε το max θα µετατοπισθεί προς µικρότερες τιµές µήκους κύµατος περνώντας στην περιοχή του ορατού και µετατοπιζόµενο από το ερυθρό προς το ιώδες καθώς η Εικόνα 3. Το ηιακό φάσµα στο όριο της ατµόσφαιρας µαζί µε το φάσµα µέανος σώµατος 6000 K.

3 Ακτινοβοία µικρού µήκους κύµατος 3 θερµοκρασία αυξάνεται. Με την βοήθεια αυτού του νόµου βρέθηκε ότι η θερµοκρασία της επιφανείας του Ήιου βρίσκεται στους 6000 Κ περίπου. Το ηιακό φάσµα, δηαδή η κατανοµή της ενέργειας της ηεκτροµαγνητικής ακτινοβοίας του Ήιου σε σχέση µε τα µήκη κύµατος, φαίνεται στην Εικόνα 3 µαζί µε την αντίστοιχη καµπύη εκποµπής µέανος σώµατος θερµοκρασίας 6000 K. Είναι φανερό ότι τα µεγαύτερα ποσά ενέργειας φέρονται από τα µικρότερα µήκη κύµατος. Το φάσµα του Ήιου καύπτει ένα µεγάο εύρος µηκών κύµατος, από 0.01µm, έως 3µm περίπου. Ως εκ τούτου χαρακτηρίζεται ως ακτινοβοία µικρού µήκους κύµατος (short wave radiation). Το τµήµα του ηιακού φάσµατος που περιαµβάνεται µεταξύ µηκών κύµατος 0.40µm και 0.76µm, αντιστοιχεί στο ορατό µέρος του φάσµατος. Μικρότερα µήκη κύµατος ανήκουν στο υπεριώδες ενώ µεγαύτερα στο υπέρυθρο µέρος του φάσµατος. Εικόνα 4. Το ορατό τµήµα του φάσµατος αποτεεί µέρος του οικού φάσµατος του Ήιου. 1.3.Βασικά µεγέθη της ακτινοβοίας Προκειµένου να µετρήσουµε την ακτινοβοία, πρέπει να ορίσουµε µεγέθη που προσδιορίζουν την "ποσότητα" της ακτινοβοίας. Εδώ πρέπει να παρατηρήσουµε ότι µπορεί κανείς να δει το θέµα από δύο απόψεις. Αυτήν της πηγής που την εκπέµπει και εκείνη του

4 4 Ακτινοβοία µικρού µήκους κύµατος σώµατος που την δέχεται. Επειδή σκοπός µας είναι να µετρήσουµε την ποσότητα ενέργειας που δέχονται επιφάνειες από τον Ήιο, στα επόµενα θα παραθέσουµε την περίπτωση του δέκτη της ακτινοβοίας. Στερεά γωνία Στερεά γωνία dω ορίζεται ως ο όγος µιας στοιχειώδους επιφάνειας dα στην επιφάνεια µιας σφαίρας προς το τετράγωνο της ακτίνας από το κέντρο της σφαίρας, δηαδή: da (0.2) d ω = 2 r και µετράται σε στερακτίνια (steradians). Η στοιχειώδης επιφάνεια dα που αποκόπτεται από την στερεά γωνία dω (Εικόνα 5) είναι: (0.3) da= ( rdθ)( rsinθdϕ) όπου θ και φ είναι η ζενιθιακή και αζιµουθιακή γωνία αντίστοιχα σε σφαιρικές συντεταγµένες. Εικόνα 5. Στερεά γωνία. Πυκνότητα ροής F To ποσόν της ενέργειας που διέρχεται από την µονάδα της επιφάνειας, προερχόµενο εξ όων των διευθύνσεων εντός του ηµισφαιρίου, στην µονάδα του χρόνου καείται πυκνότητα ροής F και εκφράζεται ως εξής: (0.4) de F = da dt όπου de το ποσόν της ενέργειας, και da η στοιχειώδης επιφάνεια. Ένταση ακτινοβοίας Ι Ως ένταση ακτινοβοίας ορίζεται το ποσόν της ενέργειας το προερχόµενο από µία στοιχειώδη στερεά γωνία dω, το οποίο διέρχεται στην µονάδα του χρόνου από την µονάδα της στοιχειώδους επιφάνειας da τοποθετηµένης κάθετα προς τον άξονα της στερεάς γωνίας (0.5) de ω de df I = d = = da dt dadt dω dω όπου dω η στοιχειώδης στερεά γωνία. Στην περίπτωση που η επιφάνεια da σχηµατίζει γωνία θ µε τη διεύθυνση διάδοσης, τότε η ένταση δίνεται από τη σχέση: Εικόνα 6. Ένταση

5 Ακτινοβοία µικρού µήκους κύµατος 5 (0.6) I de = dω de df = = da dt cosθ dadt dω cosθ dω cosθ Αν θεωρήσουµε ότι η ακτινοβοία προέρχεται από ένα θόο µεγέθους ηµισφαιρίου, τότε από την (0.6) προκύπτει ότι η πυκνότητα ροής συνδέεται µε την ένταση ακτινοβοίας µε τη σχέση: 2π (0.7) F = I cosθ dω 0 Μονοχρωµατική πυκνότητα ροής F. Ένταση µονοχρωµατικής ακτινοβοίας I Επειδή η ενέργεια των φασµάτων ηεκτροµαγνητικής ακτινοβοίας είναι συνάρτηση του µήκους κύµατος, είναι χρήσιµο να ορίσουµε την µονοχρωµατική πυκνότητα ροής (ή πυκνότητα ροής µονοχρωµατικής ακτινοβοίας) F που είναι η ενέργεια µε µήκη κύµατος µεταξύ και +d που διέρχεται από την µονάδα της επιφάνειας στην µονάδα του χρόνου. (0.8) F de = dadt d Οµοίως µπορούµε να ορίσουµε και την ένταση µονοχρωµατικής ακτινοβοίας I που είναι το ποσόν της ενέργειας το προερχόµενο από µία στοιχειώδη στερεά γωνία dω, το οποίο διέρχεται στην µονάδα του χρόνου από την µονάδα της στοιχειώδους επιφάνειας da τοποθετηµένης κάθετα προς τον άξονα της στερεάς γωνίας, µεταξύ των µηκών κύµατος και +d. (0.9) I de df = = dadt dω cosθ d dω cosθ Οπότε αντίστοιχα η σχέση (0.7) γίνεται: 2π (0.10) F = I cosθ dω 0 Με βάση τον ορισµό της στερεάς γωνίας και αµβάνοντας υπόψη ότι η γωνία θ µεταβάεται από 0 ως π/2, η δε γωνία φ από 0 ως 2π, η εξίσωση (0.10) γίνεται: 2ππ 2 (0.11) F = I ( θ ϕ) 0 0, cosθ sinθ dθ dϕ Αυτή είναι και η γενική έκφραση της σχέσης µεταξύ έντασης και ροής ακτινοβοίας. Είναι προφανές ότι για ισότροπο πεδίο ακτινοβοιών, δηαδή όταν η ένταση της ακτινοβοίας είναι ανεξάρτητος της διεύθυνσης, ισχύει: (0.12) F = πi

6 6 Ακτινοβοία µικρού µήκους κύµατος Η οική πυκνότητα ροής F, δηαδή η ενέργεια που αµβάνει η µονάδα της επιφάνειας στην µονάδα του χρόνου, για όα τα µήκη κύµατος του φάσµατος της ηεκτροµαγνητικής ακτινοβοίας θα είναι: (0.13) F = F d Η ηιακή ακτινοβοία Το ποσό της οικής πυκνότητας ροής ακτινοβοίας που δέχεται από τον ήιο µία επιφάνεια στο διάστηµα η οποία απέχει απόσταση D από αυτόν, δίνεται από τη σχέση: 2 Rs (0.14) H = H 2 0 D όπου: H 0 η πυκνότητα ροής στην επιφάνεια του ήιου (όπως προκύπτει από την εξίσωση Stefan- Boltzman), R S η ακτίνα του ήιου και D η απόσταση από τον Ήιο. Εικόνα 7. Σύγκριση της έντασης της ηιακής ακτινοβοίας έξω από την ατµόσφαιρα της Γης, µε την αντίστοιχη που φτάνει στην επιφάνειά της. Η πυκνότητα ροής της ηιακής ακτινοβοίας που φτάνει στο όριο της ατµόσφαιρας ορίζεται ως ηιακή σταθερά. Η τιµή της ηιακής σταθεράς είναι ίση µε 1367W/m 2 και κυµαίνεται στη διάρκεια του έτους µεταξύ µιας εαχίστης τιµής 1321W/m 2 κατά τις αρχές Ιουίου και µιας µεγίστης τιµής 1471 W/m 2 κατά τις αρχές Ιανουαρίου, σαν αποτέεσµα της µεταβοής της απόστασης της Γης από τον Ήιο. Η ηιακή σταθερά εµφανίζει ακόµη διακυµάνσεις που εξαρτώνται από την ηιακή δραστηριότητα. Εξασθένηση της εισερχόµενης ηιακής ακτινοβοίας Το ποσό της ηιακής ακτινοβοίας που φτάνει στην επιφάνεια της Γης είναι πού µικρότερο από εκείνο που φθάνει στο όριο της ατµόσφαιρας, ακόµη και σε µια τεείως αίθρια ηµέρα. Αυτό οφείεται στις φυσικές διεργασίες εξασθένησης (σκέδαση και απορρόφηση) που υφίσταται η ηιακή ακτινοβοία από τα συστατικά της ατµόσφαιρας και τα σωµατίδια που αιωρούνται σε αυτή. Η ατµόσφαιρα της Γης µε τα νέφη, τους υδρατµούς και τη σκόνη επηρεάζει έντονα την ηιακή ακτινοβοία κατά τη διέευσή της µέσα από αυτή. Τα αέρια της ατµόσφαιρας (Ο 2, Ο 3, Η 2, CΟ 2, ΝΟ x, ενώσεις του θείου κπ) και η σκόνη έχουν σαν αποτέεσµα τη απορρόφηση και σκέδαση της ακτινοβοίας. Μέρος αυτής της Εικόνα 8. Το ηιακό φάσµα πάνω από την ατµόσφαιρα (A) και κοντά στην επιφάνεια της Γης (Β), µε τα κύρια στοιχεία που απορροφούν. Με την καµπύη (C) απεικονίζεται το φάσµα της ακτινοβοίας που είναι ορατή

7 Ακτινοβοία µικρού µήκους κύµατος 7 σκεδαζόµενης ακτινοβοίας οδεύει προς την επιφάνεια της Γης, δηµιουργώντας τη διάχυτη ακτινοβοία, η οποία παίζει σηµαντικό ρόο στη θέρµανση της Γης. Αυτή η σκέδαση της ηιακής ακτινοβοίας από τα αέρια µόρια της ατµόσφαιρας (σκέδαση Rayleigh) έχει σαν αποτέεσµα το µπε χρώµα του ουρανού. Χωρίς αυτά τα σωµατίδια της ατµόσφαιρας, ο ουρανός θα ήταν µαύρος, όπως είναι ο ουρανός της σεήνης. Η σκέδαση είναι η διαδικασία όγω της οποίας η Γη φαίνεται σαν ένας φωτεινός γαάζιος πανήτης όταν παρατηρείται από το διάστηµα. Ως γνωστόν ηεκτροµαγνητική ακτινοβοία διερχόµενη από κάποιο µέσο εξασθενεί ανάογα µε το είδος του µέσου και την διαδροµή που διατρέχει (νόµος των Beer-Lambert). Για την ατµόσφαιρα ισχύει: (0.15) I I0 = e τ όπου Ι 0 η ένταση ακτινοβοίας στο όριο τις ατµόσφαιρας για µήκος κύµατος, Ι η ένταση ακτινοβοίας στην επιφάνεια του εδάφους σε διαδροµή κάθετη προς το έδαφος και τ το (οικό) οπτικό βάθος της ατµόσφαιρας, σχέση η οποία ορίζει και το οπτικό βάθος. Στην περίπτωση που η διαδροµή δεν πραγµατοποιείται κάθετα στην επιφάνεια του εδάφους η σχέση γίνεται: (0.16) I = I 0 e mτ όπου m η σχετική οπτική µάζα που είναι ανάογη του Ήιου (Εικόνα 5). 1 cosϑ, όπου θ η ζενιθιακή γωνία του Το οικό οπτικό βάθος τ, δηαδή ο συντεεστής εξασθένησης όγω της διαδροµής της ακτινοβοίας εντός υικού µέσου, οφείεται σε διάφορες απορροφήσεις και σκεδάσεις που συµβαίνουν. Μπορεί να εκφρασθεί σαν άθροισµα των επί µέρους όρων που την προκαούν, δηαδή: (0.17) τ = τ + τα + τ + τ + τ + τ R O3 H2O gas NO2 όπου: τ R η σκέδαση Rayleigh από τα αέρια συστατικά της ατµόσφαιρας, τ α η σκέδαση Mie από τα σωµατίδια της σκόνης, τους υδρατµούς, τ O 3 η απορρόφηση από το όζον, τ H 2 O η απορρόφηση από τ gas η απορρόφηση από µίγµατα διαφόρων αερίων και απορρόφηση από το διοξείδιο του αζώτου. Το ποσό της ηιακής ακτινοβοίας που εισέρχεται στην ατµόσφαιρα προς την επιφάνεια της Γης πάνω από έναν τόπο σε µια ορισµένη χρονική στιγµή, εξαρτάται κυρίως από: Α. Την τιµή της ηιακής σταθεράς η οποία επηρεάζεται από: Α 1 Την ηιακή δραστηριότητα Α 2 Την απόσταση Γης-Ηίου τ NO 2 η Εικόνα 9. Απεικόνιση της γεωγραφικής κατανοµής της προσαµβανόµενης ηιακής ακτινοβοίας.

8 8 Ακτινοβοία µικρού µήκους κύµατος Β. Τη γωνία πρόσπτωσης των ηιακών ακτίνων σε σχέση µε την επιφάνεια της Γης η οποία κατ' επέκταση είναι συνάρτηση: Β 1 Της εποχής. Β 2 Του γεωγραφικού πάτους. Β 3 Της ώρας της ηµέρας. Ένα µέρος της ηιακής ακτινοβοίας (20% κατά µέσον όρο) ανακάται από τα νέφη. Το ποσοστό της ακτινοβοίας που ανακάται µε αυτόν τον τρόπο ποικίει µε την ποσότητα και το είδος των νεφών και σε κάποια κίµατα ή περιπτώσεις µπορεί να φτάνει και το 75% της ηιακής ακτινοβοίας. Οι απώειες της ηιακής ακτινοβοίας όγω της παρουσίας νεφών είναι µεγαύτερες σε κίµατα των µέσων γεωγραφικών πατών, όπου όγω της συνάντησης ψυχρών και θερµών αέριων µαζών, απαντώνται οι πέον νεφοκαυµµένες περιοχές του πανήτη. Εικόνα 11. Το ισοζύγιο της ηιακής ακτινοβοίας. κυµαίνονται από 45% έως 95%). Στην εποµένη εικόνα φαίνονται διάφορες τιµές ανακαστικότητας. Η ηιακή ακτινοβοία ανακάται επίσης από την επιφάνεια της Γης και την ατµόσφαιρα. Οι ανακαστικότητες των διαφορετικών επιφανειών ποικίουν πού, ανάογα µε το υικό και το χρώµα. Τα σκούρα χρώµατα ανακούν ίγο αά απορροφούν πού. Οι πιο ανοιχτόχρωµες επιφάνειες ανακούν πού αά απορροφούν ιγότερο. Σε ορισµένες περιπτώσεις, όπως για παράδειγµα σε εκτάσεις καυµµένες µε πάγους ή χιόνι το ποσοστό της ανακώµενης ακτινοβοίας µπορεί να φθάσει σε πού υψηά ποσοστά που Ο όγος της ανακώµενης ηιακής ακτινοβοίας από µια επιφάνεια προς την προσπίπτουσα σε αυτήν, για όα τα µήκη κύµατος, ορίζεται ως ευκαύγεια (albedo) α. (0.18) I α = I Εικόνα 10. Τιµές ευκαύγειας διαφόρων επιφανειών στο ορατό τµήµα του ηιακού φάσµατος (0.4µm-0.76µm). Η ευκαύγεια στο άα µήκη κύµατος µπορεί να είναι τεείως διαφορετική. Π.χ. η ευκαύγεια του χιονιού στο υπέρυθρο είναι µηδαµινή.

9 Ακτινοβοία µικρού µήκους κύµατος 9 Οι τιµές της ευκαύγειας διαφοροποιούνται από µέρος σε µέρος και ανάογα µε το χρόνο, καθώς εξαρτώνται από το είδος της επιφάνειας (π.χ. υικό, βάστηση, κατάσταση) και τη γωνία πρόσπτωσης της ηιακής ακτινοβοίας στην επιφάνεια της Γης. Έτσι το ισοζύγιο της ηιακής ακτινοβοίας σε µία επιφάνεια εκτεθειµένη σε αυτήν, βάσει και της (0.18) θα είναι: (0.19) I n = I I = I α I = ( 1 α) I Η Γη και η ατµόσφαιρα ανακούν το 4% και το 26% αντίστοιχα της προσπίπτουσας ηιακής ακτινοβοίας. Ετσι, το σύστηµα Γη-Ατµόσφαιρα έχει συνοικά µία ευκαύγεια της τάξης του 30%. Η τιµή αυτή εξαρτάται φυσικά από διάφορους παράγοντες, όπως έχει ήδη αναφερθεί. Ένα µέρος της ηιακής ακτινοβοίας απορροφάται από τα συστατικά της ατµόσφαιρας και εκείνο το οποίο τεικά µετράµε από την επιφάνεια του εδάφους, είναι περίπου το 51% της εισερχόµενης ηιακής ακτινοβοίας, που φτάνει στην επιφάνεια, είτε άµεσα, είτε δευτερογενώς, κατόπιν σκέδασης σε πού µικρά σωµατίδια, οπότε διαχέεται προς όες τις διευθύνσεις. Αυτή η ακτινοβοία (άµεση ή διάχυτη από σκεδάσεις και ανακάσεις), θερµαίνει την επιφάνεια της Γης. Όπως προκύπτει και από όσα έχουν ήδη αναφερθεί, Η οική ηιακή ακτινοβοία που προσπίπτει πάνω σε µια οριζόντια ή κεκιµένη επιφάνεια, έχει δυο συνιστώσες: την άµεση και την διάχυτη ηιακή ακτινοβοία. Εικόνα 12. Το ισοζύγιο ακτινοβοιών για τα µικρά µήκη κύµατος από τους ακόουθους παράγοντες: Άµεση ηιακή ακτινοβοία Η άµεση ηιακή ακτινοβοία φτάνει απ' ευθείας από τον ηιακό δίσκο στην επιφάνεια του εδάφους. Η άµεση ηιακή ακτινοβοία εξαρτάται Την τιµή της ηιακής σταθεράς Την απόκιση το Ήιου (δ) Το ύψος του Ήιου (α) Το γεωγραφικό πάτος του τόπου (φ) Το υψόµετρο του τόπου (h) Την κίση της επιφάνειας επί της οποίας προσπίπτει Την απορρόφηση και σκέδαση την οποία υφίσταται µέσα στην ατµόσφαιρα, Εικόνα 13. Οι παράµετροι που προσδιορίζουν την σχετική θέση του Ήιου προς τον γήινο παρατηρητή.

10 10 Ακτινοβοία µικρού µήκους κύµατος η οποία εξαρτάται από την νεφοκάυψη και την ποσότητα των υδρατµών κυρίως. Η άµεση ακτινοβοία µετράται σε επιφάνειες κάθετες στην διάκεντρο Γης-Ηίου αά πρέπει να αναχθεί σε οριζόντια επιφάνεια για να αντιστοιχεί σε µια οµοιόµορφη χρονικά και χωρικά κατάσταση µετρήσεων που να δίνουν την ακτινοβοία σε επίπεδο έδαφος. Έτσι αν Ι Ο η ένταση ακτινοβοίας στο οριζόντιο επίπεδο, τότε αυτή θα αντιστοιχεί σε επιφάνεια da/cosθ z (βέπε Εικόνα 6 και Εικόνα 13) αν da η επιφάνεια που τοποθετήθηκε κάθετα στις ακτίνες του Ήιου. Οπότε θα ισχύει: (0.20) I = I cosθ = I sinα O z δεδοµένου ότι οι γωνία του ύψους του Ηίου α και η ζενιθιακή γωνία αυτού θ z είναι συµπηρωµατικές. ιάχυτη ηιακή ακτινοβοία Η διάχυτη ηιακή ακτινοβοία φθάνει στην επιφάνεια του εδάφους µετά την ανάκαση ή σκέδαση από τα συστατικά της ατµόσφαιρας, αά και µετά από ανάκαση πάνω στην επιφάνεια της Γης. Η διάχυτη ηιακή ακτινοβοία εξαρτάται από τους ακόουθους παράγοντες: Το ύψος του Ήιου(α) Το υψόµετρο του τόπου Τη ευκαύγεια του εδάφους Το ποσό και το είδος των νεφών, καθώς και από την παρουσία διαφόρων πυρήνων σκέδασης (αερουµάτων, υδροσταγόνων κ.α.) που υπάρχουν στην ατµόσφαιρα. Εάν τόσο η άµεση όσο και η διάχυτη ακτινοβοία µετρώνται επί οριζοντίου επιπέδου, το ποσοστό της διάχυτης ακτινοβοίας Ι D προς το σύνοο διάχυτης και οικής αάζει ανάογα µε το ύψος του ήιου και την κατάσταση της ατµόσφαιρας από πευράς νεφών, υδρατµών και αιωρούµενων σωµατιδίων και παίρνει την εάχιστη τιµή του για ένα ύψος του ήιου γύρω στις 35 ο µε 40 ο.η εάχιστη αυτή τιµή κατά τη διάρκεια αίθριας ηµέρας, µε χαµηή υγρασία και απουσία ρύπανσης µπορεί να φθάσει γύρω στο 0.1. Συνήθως κυµαίνεται γύρω στο 0.15, ενώ στην περίπτωση αυξηµένης ρύπανσης µπορεί να φθάσει το Προφανώς σε περίπτωση νεφοκάυψης, όπως και κατά τη διάρκεια µιας ανέφεης ηµέρας όταν ο ήιος βρίσκεται κάτω από τον ορίζοντα ίγο πριν από την ανατοή ή αµέσως µετά τη δύση, ο όγος αυτός ισούται µε την µονάδα, γιατί όη η ακτινοβοία οφείεται στη διάχυτη ακτινοβοία του ουρανού. Οική ηιακή ακτινοβοία Το άθροισµα της άµεσης ακτινοβοίας επί οριζοντίου επιπέδου (Ι Ο ) και της διάχυτης ακτινοβοίας (Ι D ) ορίζει την εγόµενη οική ηιακή ακτινοβοία (Ι Τ ), δηαδή: (0.21) I T = IO+ ID = Icos θz + ID = Isinα+ ID

11 Ακτινοβοία µικρού µήκους κύµατος 11 Η οική ηιακή ακτινοβοία εξαρτάται από τους ίδιους παράγοντες από τους οποίους εξαρτώνται η άµεση και η διάχυτη ακτινοβοία. Εικόνα 14. Σχέση άµεσης, διάχυτης και οικής ηιακής ακτινοβοίας για µια τυπική ατµόσφαιρα. Όσο µεγαύτερη είναι η απόσταση που διανύει η ηιακή ακτινοβοία µέσα στην ατµόσφαιρα, τόσο µικρότερο είναι το ποσό της ηιακής ακτινοβοίας που προσπίπτει στην επιφάνεια της Γης. Για τον όγο αυτό η ένταση της ηιακής ακτινοβοίας είναι πού µεγαύτερη κατά την θερινή περίοδο σε σχέση µε τη χειµερινή. Τέος, όσο πιο κάθετα προσπίπτει η ηιακή ακτινοβοία πάνω σε µια επιφάνεια στην Γη τόσο µεγαύτερη είναι η έντασή της. Γι' αυτό το όγο οι ηιακοί συέκτες προσανατοίζονται µε κίση προς τα νότια Ένα ποσοστό της άµεσης και της διάχυτης ηιακής ακτινοβοίας ανακάται στο έδαφος και επιστρέφει στην ατµόσφαιρα. Αυτό το ποσοστό αποτεεί την ανακώµενη ηιακή ακτινοβοία. Η συµβοή της ανακώµενης ηιακής ακτινοβοίας στην επανεκποµπή προς το έδαφος είναι πάρα πού µικρή και δεν επηρεάζει την ηιακή ακτινοβοία που φτάνει τεικά στο έδαφος. Η Εάδα παρουσιάζει ένα ιδιαίτερα υψηό ηιακό δυναµικό, περίπου kWh/(m 2 yr) ετησίως σε οριζόντιο επίπεδο, ανάογα µε το γεωγραφικό πάτος και το ανάγυφο της περιοχής. Η ηιακή ακτινοβοία είναι µια µορφή ενέργειας µε σχεδόν σταθερή και προβέψιµη ένταση στην διάρκεια του χρόνου και της ηµέρας. Η ηιακή ακτινοβοία παρουσιάζει την µέγιστη ένταση της κατά την διάρκεια του µεσηµεριού (µέγιστο ηιακό ύψος), τόσο κατά τη θερινή όσο και κατά τη χειµερινή περίοδο και είναι µεγαύτερη κατά τη θερινή περίοδο όγω την θέσης του ήιου, αά και όγω της αύξησης των ωρών ηιοφάνειας (µείωση των νεφώσεων). Η Εθνική Μετεωροογική Υπηρεσία (ΕΜΥ) καταγράφει εδώ και ποά χρόνια τις ώρες ηιοφάνειας ανά ηµέρα (hr/day), αά και σε κάποιες περιπτώσεις την οική ηιακή ακτινοβοία (kwh/m 2 ) για διάφορες περιοχές της χώρας µας. Hµερήσια πορεία άµεσης, διάχυτης και οικής ηιακής ακτινοβοίας. Η φαινόµενη κίνηση του Ήιου, που προκαείται από την περιστροφή της Γης γύρω από τον άξονά της, µεταβάει τη γωνία µε την οποία η άµεση συνιστώσα της ηιακής ακτινοβοίας προσπίπτει στην επιφάνεια της Γης, Από έναν συγκεκριµένο τόπο πάνω στην επιφάνεια, ο Ήιος φαίνεται να κινείται στον ουρανό. Η θέση του Ήιου εξαρτάται από τον τόπο πάνω στην επιφάνεια της Γης, την ώρα της ηµέρας και την εποχή του έτους. Η φαινόµενη κίνηση του Ήιου φαίνεται στο σχήµα που ακοουθεί (Εικόνα 16). Αυτή η φαινόµενη κίνηση του Ήιου έχει πού σηµαντική επίδραση στις τιµές της έντασης της ακτινοβοίας που καταγράφονται την επιφάνεια της Γης. Όταν οι ακτίνες του Ήιου

12 12 Ακτινοβοία µικρού µήκους κύµατος Εικόνα 15 Η φαινόµενη διαδροµή του Ήιου στο βόρειο ηµισφαίριο. προσπίπτουν κάθετα σε µία επιφάνεια, τότε η ένταση της ακτινοβοίας είναι µέγιστη, ενώ όταν η γωνία είναι διάφορη των 90 ή ένταση εαττώνεται. Κατά τη διάρκεια µιας αίθριας µέρας, η ηµερήσια πορεία της άµεσης αά και της οικής ηιακής ακτινοβοίας σε έναν τόπο µέσου γεωγραφικού πάτους, παρουσιάζει µια περίπου ηµιτονοειδή µορφή (Εικόνα 16). Το µέγιστο παρατηρείται την ώρα της αηθούς µεσηµβρίας, δηαδή της χρονικής στιγµής που ο Ήιος διέρχεται από τον µεσηµβρινό ενός τόπου (Local Solar Time, LST). Στην ίδια εικόνα φαίνεται επίσης η διαφορετική µορφή της καµπύης της έντασης της ηιακής ακτινοβοίας όταν ο ουρανός είναι ανέφεος και όταν καύπτεται σχεδόν πήρως από νέφωση. Στις εικόνες που ακοουθούν φαίνεται η ηµερήσια πορεία της οικής ηιακής ακτινοβοίας κατά τη διάρκεια µιας καοκαιρινής, µιας χειµερινής και µιας ηµέρας µεταβατικής περιόδου. Οι τρεις διαφορετικές καµπύες δείχνουν την επίδραση του γεωγραφικού πάτους και της απόκισης του Ήιου, που δηµιουργούν διαφορετική διάρκεια ηµέρας κατά τις εποχές του Εικόνα 16. H κατανοµή της έντασης της ηιακής ακτινοβοίας για µια ανέφεη και µια νεφοσκεπή µέρα του χειµώνα. Εικόνα 18. Η ηµερήσια πορεία της οικής ηιακής ακτινοβοίας κατά τη διάρκεια µιας χειµωνιάτικης ηµέρας Εικόνα 17. Η ηµερήσια πορεία της οικής ηιακής ακτινοβοίας κατά τη διάρκεια µιας καοκαιρινής ηµέρας. έτους και διαφορετική διαδροµή του ουρανού µέσα στον ουράνιο θόο. Στην Εικόνα 20 που ακοουθεί, φαίνεται η πορεία του Ήιου στον ουράνιο θόο κατά τη διάρκεια του χειµώνα, της άνοιξης και του καοκαιριού του Βόρειου ηµισφαιρίου.

13 Ακτινοβοία µικρού µήκους κύµατος 13 Εικόνα 19. Η ηµερήσια πορεία της οικής ηιακής ακτινοβοίας κατά τη διάρκεια µιας φθινοπωρινής ηµέρας θερινού ηιοστασίου, οπότε έχουµε και τη µεγαύτερη ηµέρα, η διάρκεια της θεωρητικής ηιοφάνειας κυµαίνεται µεταξύ 14h 51sec και 13h 56sec για βόρεια γεωγραφικά πάτη µεταξύ 30 και 40. Κατά τη διάρκεια του χειµερινού ηιοστασίου (21 εκεµβρίου) που έχουµε τη µικρότερη ηµέρα, ο χρόνος αυτός µειώνεται στις 10h 04sec έως 9h 09sec για τα ίδια γεωγραφικά πάτη. Κατά τη διάρκεια του θερινού ηιοστασίου, την 21 η Ιουνίου, ο Ήιος θα βρίσκεται στην πιο υψηή τροχιά του στον ουράνιο θόο. Καθώς προχωρούν οι µέρες, ο Ήιος χαµηώνει, έως την ισηµερία της 21 ης Σεπτεµβρίου. Η τροχιά του Ήιου µε το πιο χαµηό ύψος είναι αυτή του χειµερινού ηιοστασίου (21 εκεµβρίου). Η διαφορετική διάρκεια της ηµέρας σε κάθε γεωγραφικό πάτος (εκτός από την περιοχή των πόων όπου έχουµε έξι µήνες συνεχή µέρα και έξι µήνες συνεχή νύχτα) ορίζει τη διάρκεια της θεωρητικής ηιοφάνειας. Κατά τη διάρκεια του Εικόνα 20. Η ηµερήσια πορεία του Ήιου όπως αάζει µε τις εποχές, στο βόρειο ηµισφαίριο. Για να ισούται σε µια ηµέρα η διάρκεια της θεωρητικής ηιοφάνειας µε τη διάρκεια της πραγµατικής ηιοφάνειας θα πρέπει ο ορίζοντας του τόπου να είναι τεείως εεύθερος προς τα ανατοικά και τα δυτικά και να µην παρεµβάονται σύννεφα στον ηιακό δίσκο. Το κάσµα της ηιοφάνειας, που είναι ο όγος της πραγµατικής (n) προς τη θεωρητική (N) διάρκεια της ηιοφάνειας, είναι µικρότερο ή ίσο µε τη µονάδα (n/n 1). Ο προσδιορισµός της πραγµατικής ηιοφάνειας σε ένα τόπο είναι σηµαντικός, γιατί δια µέσου αυτής µπορεί να γίνει η εκτίµηση της πραγµατικής ηιακής ενέργειας που αµβάνει ο τόπος αυτός. Για τη µέτρηση της διάρκειας της πραγµατικής ηιοφάνειας χρησιµοποιούνται οι ηιογράφοι. Νεφεώδεις και νεφοσκεπείς ηµέρες Ως νεφεώδης χαρακτηρίζεται η µέρα κατά την οποία ο ήιος καύπτεται κατά διαστήµατα από σύννεφα. Νεφοσκεπής ηµέρα είναι εκείνη κατά την οποία υπάρχει καθοική κάυψη του ουρανού από σύννεφα. Στην περίπτωση όπου υπάρχουν σύννεφα στον ουρανό, η ένταση της οικής ακτινοβοίας µεταβάεται ανώµαα από επτό σε επτό και από ώρα σε ώρα. Η µεέτη των νεφών και των χαρακτηριστικών τους παίζει έναν πού σηµαντικό ρόο στη µεέτη και στην κατανόηση των διεργασιών που αµβάνουν χώρα στην ατµόσφαιρα.

14 14 Ακτινοβοία µικρού µήκους κύµατος Εικόνα 21. Η αηεπίδραση της ακτινοβοίας µικρού µήκους κύµατος µε τα ψηά και επτά νέφη, που έχουν χαρακτηριστική ινώδη µορφή και ευκό χρώµα. Εικόνα 22. Η αηεπίδραση της ακτινοβοίας µικρού µήκους κύµατος µε τα χαµηά και παχιά νέφη, που έχουν γκρίζο χρώµα και οµοιόµορφη βάση. Τα χαµηά και παχιά νέφη (τύπου stratus), µε γκρίζο χρώµα και οµοιόµορφη βάση, που δίνουν ψιχάες ή επτούς κόκκους χιονιού, κυρίως ανακούν την ηιακή ακτινοβοία σε ποσοστό που µπορεί να φτάσει και το 70% και ψύχουν την επιφάνεια της Γης. Τα ψηά και επτά νέφη (τύπου cirrus), µε ινώδη µορφή και άσπρο χρώµα, είναι γενικά διαφανή στην εισερχόµενη ηιακή ακτινοβοία (η ένταση της οικής ηιακής ακτινοβοίας στο έδαφος µπορεί να ξεπεράσει το 70% αυτής που θα είχαµε µε αίθριο ουρανό), ενώ ταυτόχρονα δεσµεύουν µέρος της εξερχόµενης ακτινοβοίας και την επανεκπέµπουν προς την επιφάνεια της Γης, προκαώντας τη θέρµανσή της. Το αν η παρουσία της νέφωσης θα έχει σαν συνοικό αποτέεσµα τη θέρµανση ή την ψύξη της επιφάνειας της Γης εξαρτάται από ποούς παράγοντες, συµπεριαµβανοµένου του ύψους στο οποίο βρίσκεται, του µεγέθους του, και της σύνθεσής του. Εικόνα 23. Η αηεπίδραση της ακτινοβοίας µικρού µήκους κύµατος µε τα νέφη τύπου σωρείτη, που είναι πυκνό, µε υπόευκο χρώµα. Όταν στον ουρανό υπάρχει ένα µικρό ποσοστό από κατατεµαχισµένα νέφη, υπάρχει πάντα αύξηση της διάχυτης ακτινοβοίας του ουρανού. Για παράδειγµα, αν στον ουρανό εµφανιστεί ένα νέφος τύπου cumulus (νέφος ανοδικών ρευµάτων, πυκνό, µε χρώµα υπόευκο ή γκρι, αποτεούµενο από υδροσταγονίδια, το οποίο συνήθως δίνει Εικόνα 24. Καταγραφή της έντασης της ηιακής ακτινοβοίας παρουσία κατατεµαχισµένης νέφωσης.

15 Ακτινοβοία µικρού µήκους κύµατος 15 διαείπουσα βροχή), τότε η ένταση της οικής ηιακής ακτινοβοίας αν εκείνη τη στιγµή ο ήιος είναι ακάυπτος από σύννεφα, µπορεί να ξεπεράσει κατά 10% αυτή µε αίθριο ουρανό. Όσο αυξάνει η νέφωση, τόσο αυξάνει και η διάχυτη ακτινοβοία του ουρανού, προς µια µέγιστη τιµή, και στη συνέχεια τείνει να εαττωθεί, αν ο ουρανός γίνεται νεφοσκεπής. Η οική ηιακή ακτινοβοία είναι πού ασθενής όταν ο ήιος είναι τεείως καυµµένος από σύννεφα, ιδίως σκούρου χρώµατος. Λίγα επτά πριν ή µετά την κάυψη του Ήιου από σύννεφα, η ένταση της ακτινοβοίας παρουσιάζει µεγάες ανωµαίες. Φτάνει περίπου τα 1046W/m 2 στα µέσα γεωγραφικά πάτη, ενώ στους τροπικούς µπορεί να ξεπεράσει ακόµα και την τιµή της ηιακής σταθεράς. Το φαινόµενο αυτό είναι αποτέεσµα της ισχυρής διάχυσης της ηιακής ακτινοβοίας πάνω στα υδροσταγονίδια που βρίσκονται κοντά στα άκρα του σύννεφου. Η παρακοούθηση της επίδρασης της νέφωσης είναι µια δύσκοη εργασία. Σηµαντικά δεδοµένα σε αυτής την προσπάθεια δίνει και η δορυφορική τηεπισκόπηση µε το δίκτυο των ανιχνευτών που παρέχουν δεδοµένα γι' αυτή τη θεµατική περιοχή. Εικόνα 25. Είναι ποές οι δορυφορικές αποστοές που δίνουν δεδοµένα σχετικά µε την επίδραση της νέφωσης στα θέµατα του ισοζυγίου ακτινοβοιών. Εικόνα 26. Η άµεση (µε το κίτρινο χρώµα) και η διάχυτη (µε το γαάζιο χρώµα) ακτινοβοία, όπως καταγράφεται στις πευρικές επιφάνειες κτιρίων κατά τη διάρκεια γενικά ηιόουστης ηµέρας. Εικόνα 27. Οι αντίστοιχες καταγραφές της ακτινοβοίας για νεφοσκεπείς ηµέρες.