Μέτρηση της Ηλιακής Ακτινοβολίας

Transcript

1 Μέτρηση της Ηλιακής Ακτινοβολίας Ο ήλιος θεωρείται ως ιδανικό µέλαν σώµα Με την παραδοχή αυτή υπολογίζεται η θερµοκρασία αυτού αν υπολογιστεί η ροή ακτινοβολίας έξω από την ατµόσφαιρα Με τον όρο ροή ακτινοβολίας εννοούµε το ποσό της ενέργειας που διαπερνά µια ορισµένη επιφάνεια σε ορισµένο χρόνο Η ηλιακή σταθερά εκφράζει τη ροή της ακτινοβολίας που φτάνει στα εξωτερικά όρια της ατµόσφαιρας σε µια επιφάνεια κάθετη προς τις ηλιακές ακτίνες, στη µέση απόσταση της γης από τον ήλιο Αυτή αντιπροσωπεύει ποσότητα ηλιακής ενέργειας που αντιστοιχεί περίπου στις 2.0 cal.cm -2.min -1, µε ακρίβεια εκτίµησης ±0.2 θερµίδες Εκφράζεται σε gmcal.cm -2.min -1 ή langleys.min -1 ή mw.cm -2 Ένα gmcal.cm -2.min -1 = langleys.min -1 =69.7 mw.cm -2

2

3 Θερµοκρασία Ηλίου Αυτή η ροή ακτινοβολίας προέρχεται από ένα σώµα που βρίσκεται στη θερµοκρασία των 7560 Κ, και αυτή είναι γνωστή σαν αποτελεσµατική θερµοκρασία του ήλιου Η µέγιστη ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας είναι στα µm, στη ζώνη του κυανού-πρασίνου του φάσµατος Το γεγονός αυτό επιτρέπει να εκτιµήσουµε τη θερµοκρασία της χρωµόσφαιρας του ήλιου γύρω στους 6090 Κ Βέβαια για ένα ιδανικό µέλαν σώµα η θερµοκρασία της χρωµόσφαιρας και η αποτελεσµατική θερµοκρασία θα πρέπει να είναι οι ίδιες Για πρακτικούς σκοπούς ακόµη τονίζουµε ότι το γυαλί διαδίδει τις ακτινοβολίες που βρίσκονται µεταξύ µm

4 Η κατανοµή της ενέργειας σε φάσµατα µελανών Τα σχήµατα που ακολουθούν δείχνουν πόσο ποικίλει η κατανοµή του µήκους κύµατος σε δύο µελανά σώµατα µε πολύ διαφορετικές θερµοκρασίες Κατά πρώτο στο φάσµα του ηλίου (έναντι σχήµα) η µέγιστη ένταση εντοπίζεται γύρω στα 0.5 µm και σχεδόν µηδενίζεται στα 2µm Ακόµη το ήµισυ της ηλιακής ενέργειας βρίσκεται στα ορατά µήκη κύµατος µm σωµάτων: α) ηλίου (6000 )

5 Η γη ως µέλαν σώµα-το φάσµα εκποµπής της γης Μέλαν σώµα ευρισκόµενο στη θερµοκρασία της επιφάνειας της γης ( ) ακτινοβολεί σε ένα εύρος µm (σχήµα) Το εύρος αυτό εκφράζεται από το υπέρυθρο τµήµα φάσµατος Εποµένως η γήινη ακτινοβολία είναι υπέρυθρη ακτινοβολία

6

7 Άφιξη της ηλιακής ενέργειας στη γη Θεωρούµε κατά πρώτο ότι η ατµόσφαιρα της γης είναι απόλυτα διαφανής Ή καλύτερα ότι η γη στερείται ατµόσφαιρας και η ηλιακή ενέργεια δεν υφίσταται καµιά απορρόφηση Με τις παραδοχές αυτές προσδιορίζεται το ηµερήσιο ποσό της ενέργειας για όλες τις εποχές σε µια επιφάνεια ενός τετραγωνικού εκατοστού Το αποτέλεσµα δείχνει ότι τα µεγαλύτερα ποσά εµφανίζονται στους πόλους κατά το θέρος.

8 Παράγοντες µεταβολής της Ηλιακής Ενέργειας Η ποσότητα της ηλιακής ενέργειας που φτάνει στη γη δεν έχει την ίδια ένταση κατά τη διάρκεια όλων των µηνών σε έναν τόπο. Αλλά και την ίδια χρονική στιγµή διαφέρει από τόπο σε τόπο Οι µεταβολές της ηλιακής ενέργειας από εποχή σε εποχή ή από τόπο σε τόπο εξαρτώνται από διάφορους παράγοντες τους οποίους και θα αναλύσουµε ευθύς αµέσως.

9 Η απόσταση της γης από τον ήλιο Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας ελαττώνεται κατά τρόπο αντιστρόφως ανάλογο του τετραγώνου της απόστασης, καθώς αποµακρυνόµαστε από την πηγή εκποµπής Στην περίπτωση µας ισχύει η σχέση: Ι = Ιο/d 2, όπου Ιο είναι η ένταση της ακτινοβολίας στην πηγή και Ι η τιµή που θα έχει αυτή σε απόσταση d Η γη γυρίζει γύρω από τον ήλιο στη γνωστή ελλειπτική τροχιά µεταβάλλοντας συνεχώς την µεταξύ τους απόσταση, όπως δείχνει το σχήµα:

10 Η περιφορά της γης γύρω από τον ήλιο

11 Μεταβολές της ενέργειας λόγω απόστασης Η γη είναι πλησιέστερα στον ήλιο την 3η Ιανουαρίου (περιήλιο), ενώ η µέγιστη απόσταση παρατηρείται στις 4 Ιουλίου (αφήλιο) Η διαφορά ανάµεσα στις δύο θέσεις ανέρχεται στα χιλιόµετρα Οι τιµές της Η.Α. που µετρούνται στη γη (που στερείται ατµόσφαιρα) διαφέρουν από την τιµή της ηλιακής σταθεράς. Η γη στις 3 Ιανουαρίου δέχεται 7% περισσότερη ενέργεια σε σχέση µε τις 4 Ιουλίου

12 Ο ρόλος της διακύµανσης της ηλιακής ενέργειας Αν δεχτούµε ότι η γη στερείται ατµόσφαιρας και ότι υπάρχει οµοιοµορφία στην κατανοµή ξηράς-θάλασσας, τότε: Τα µεγαλύτερα ποσά της ηλιακής ενέργειας κατά την 3η Ιανουαρίου θα µεταφράζονται σε µια θερµοκρασία του Ιανουαρίου κατά 4 C µεγαλύτερη σε σχέση µε τον Ιούλιο Με συνέπεια οι χειµώνες στο Β.Ηµισφαίριο να είναι πολύ θερµότεροι εκείνων του Ν.Ηµισφαιρίου Στην πράξη αυτή η σχέση δεν ισχύει γιατί η τάση αυτή εξουδετερώνεται από την άνιση κατανοµή της ξηράς στα δύο ηµισφαίρια (στο βόρειο είναι συγκεντρωµένη σχεδόν ολόκληρη η ξηρά) Συνθήκη που οδηγεί σε µεταβολές τη ατµοσφαιρικής κυκλοφορίας

13 Υψη ηλίου - πυκνότητα Ηλιακής έσµης

14 Το ύψος του ηλίου Η µέγιστη ένταση στη µονάδα επιφάνειας προκύπτει όταν οι ακτίνες είναι κάθετες προς την επιφάνεια Οι ακτίνες του ήλιου σχηµατίζουν µε την κατακόρυφο του τόπου γωνία (γ) γνωστή ως Ζενιθία Απόσταση Ι = Ιο συν γ (νόµος Lambert) ή Ι = Ιο ηµ α, όταν χρησιµοποιηθεί το ύψος του ηλίου Η θέση του του ηλίου σε σχέση µε τον ορίζοντα-ύψος ήλίου (γωνία α)- καθορίζει το ποσό της ηλιακής ακτινοβολίας Μεγαλύτερο ύψος ηλίου περισσότερο πυκνή η ηλιακή δέσµη Το ύψος του ηλίου σε ένα τόπο εξαρτάται: 1. Από το γεωγραφικό πλάτος 2. Από την εποχή του έτους 3. Από τη χρονική στιγµή της ηµέρας

15 Υψη ηλίου σε δύο τόπους την ίδια χρονική στιγµή

16 Υψη ηλίου στον ίδιο τόπο σε διάφορες εποχές και ώρες

17 Κατά τις ισηµερίες ο Ισηµερινός δέχεται το 100% της ενέργειας αυτό, κατά τα ηλιοστάσια, θα µειωθεί στο 92%

18 Ο ρόλος της ατµόσφαιρας και της επιφάνειας της γης α) Η επίδραση της ατµόσφαιρας Η ατµόσφαιρα δεν είναι ένα απόλυτα διαφανές µέσο για τη διάδοση της ηλιακής ακτινοβολίας. Τα ατµοσφαιρικά αέρια και τα συστατικά της ατµόσφαιρας:: Απορροφούν ένα τµήµα της ηλιακής ακτινοβολίας Σκεδάζουν ένα σηµαντικό µέρος αυτής Ή ανακλούν τµήµα αυτής πίσω στο διάστηµα Οι κύριες ουσίες που απορροφούν την Η.Α., σε ειδικές περιοχές του φάσµατος είναι: Το Όζον, το Οξυγόνο, το ιοξείδιο του Άνθρακα, οι Υδρατµοί και η Σκόνη Η ιάχυση του φωτός γίνεται τόσο από τα µόρια του αέρα, όσο και από τις διάφορες προσµίξεις, σταγονίδια νερού κ.λ.π.

19 Ανάκλαση και σκεδασµός των ηλιακών ακτινών

20 Εξασθένιση της ηλιακής ακτινοβολίας

21 Η εξασθένιση του Ηλιακού Φάσµατος Η διαδροµή των Ηλιακών Ακτινών µέσα στην ατµόσφαιρα προκαλεί ποιοτική και ποσοτική µεταβολή του ηλιακού Φάσµατος το οποίο προσδιορίζεται στην επιφάνεια της Γης. Οι επικίνδυνες υπεριώδεις ακτίνες <0.29µ δεν φτάνουν ποτέ στην επιφάνεια της γης, απορροφούµενες από το στρατοσφαιρικό Όζον. Η απορροφητική δράση του Όζοντος µειώνει κατά 5% την ενέργεια που θα έφτανε στο έδαφος. Το υπέρυθρο άκρο του φάσµατος αραιώνεται από την απορρόφηση των Υδρατµών και του ιοξειδίου του Άνθρακα. Το CO2 είναι πολύ ισχυρός απορροφητής του ηλιακού φωτός για µήκη κύµατος >1.46µ, ενώ για µικρότερα είναι διαπερατό. Οι υδρατµοί απορροφούν και στο ορατό µέρος του φάσµατος.

22 Το ηλιακό φάσµα στα όρια της ατµόσφαιρας (κίτρινο όριο) και στην επιφάνεια της γης (κόκκινη περιοχή) O3 O2 Ο3 H2O H20 CO2

23 Εξασθένιση Ηλιακού Φάσµατος (συνέχεια) Το Οξυγόνο εκτός από το υπεριώδες, ιώδες, και κυανό απορροφά και στην ερυθρή περιοχή του φάσµατος ( µ) Η εξασθένιση του φωτός από τις διαδικασίες διάχυσης, ανάκλασης και σκεδασµού είναι αντιστρόφως ανάλογη της 4ης δύναµης του µήκους κύµατος. Φως µε µικρότερο µήκος κύµατος ανακλάται πολύ περισσότερο από φως µεγάλου µήκους. Στο σκεδαζόµενο φως του ουρανού επικρατεί το µικρού µήκους κύµατος µέρος του φάσµατος, όπως δείχνει και το γαλάζιο χρώµα του ουρανού. Όταν ο ήλιος βρίσκεται σε χαµηλό ύψος τα βραχύτερα κύµατα εξασθενούν περισσότερο και ο ουρανός παίρνει ερυθρό χρώµα.

24 Εξασθένισης (συνέχεια) Όταν στην ατµόσφαιρα υπάρχουν αρκετά µεγάλα σωµατίδια (υδρατµοί, παγοκρύσταλλοι) η εξασθένιση είναι ανεξάρτητη από το µήκος κύµατος και ο σκεδασµός αντικαθίσταται από τη διάχυτη ανάκλαση, που είναι ίδια για όλα τα µήκη κύµατος και το γαλάζιο χρώµα του ουρανού γίνεται ασαφές. Τελικά µετά από όλες αυτές τις διαδικασίες το ηλιακό φως φτάνει στην επιφάνεια της γης µε µορφή ακτινοβολίας που αναφέρεται ως άµεση ηλιακή ακτινοβολία. Παράλληλα η γη δέχεται φως το οποίο είναι αποτέλεσµα της διάχυσης και της ανάκλασης των ηλιακών ακτινών στην ατµόσφαιρα. Αυτό είναι γνωστό ως έµµεσο ηλιακό φως ή ουράνιο φως ή διάχυτη ακτινοβολία Από το σύνολο της ηλιακής ενέργειας στο σύστηµα Γης-Ατµόσφαιρας φτάνει ένα ποσοστό της τάξεως του 65-70%, το δε υπόλοιπο ανακλάται πίσω στο διάστηµα και εκφράζει την ανακλαστικότητα ή λευκαύγεια της γης.

25 Η κατανοµή της Ηλιακής Ενέργειας στο σύστηµα Γης- Ατµόσφαιρας

26 Η άφιξη της ηλιακής ακτινοβολίας στη γη Η ενέργεια που αποµένει µετά τις Παραπάνω διαδικασίες διασχίζει την ατµόσφαιρα και: Ένα µέρος θερµαίνει τον ατµοσφαιρικό αέρα Το µεγαλύτερο ποσοστό φθάνει και θερµαίνει την επιφάνεια της γης, η οποία µε τη σειρά της θερµαίνει τον ατµοσφαιρικό αέρα που βρίσκεται σε επαφή µε την επιφάνεια της γης. Η ακτινοβολία που φτάνει στην επιφάνεια της γης συγκεντρώνεται στη ζώνη των µ και χαρακτηρίζεται ως ηλιακή ακτινοβολία ή ακτινοβολία µικρού µήκους κύµατος. Τα ποσά αυτά της Η.Α. συντελούν στη θέρµανση του πλανήτη.

27 Η πρόσληψη της ηλιακής ενέργειας από τη γη β) Η επίδραση της γήινης επιφάνειας Όπως είδαµε το ηλιακό φως θερµαίνει κατά κύριο λόγο την επιφάνεια της γης. Η γη αποκτά µια µέση θερµοκρασία περίπου 288 βαθµών της απόλυτης κλίµακας και επανακτινοβολεί προς το διάστηµα ως µέλαν σώµα. Με τις συνθήκες αυτές η γη καθόλο το 24ωρο εκπέµπει ακτινοβολία µεγάλου µήκους κύµατος µ, που είναι στο υπέρυθρο. Η ακτινοβολία αυτή είναι γνωστή ως γήινη ή δευτερογενής ακτινοβολία ή ως υπέρυθρη ακτινοβολία ή τέλος ως µεγάλου µήκους Η ακτινοβολία αυτή κατά ένα µέρος δεσµεύεται από τα αέρια της ατµόσφαιρας και τµήµα αυτής διαφεύγει προς το πλανητικό διάστηµα.

28 Γήινη ακτινοβολία (συνέχεια) Τα θερµαινόµενα ατµοσφαιρικά αέρια εκπέµπουν επίσης δευτερογενή ακτινοβολία τόσο προς την επιφάνεια της γης όσο και προς το εξωτερικό διάστηµα. Αποτέλεσµα των διαδικασιών αυτών είναι η γη τελικά να διατηρεί µια σταθερή θερµοκρασία γύρω στους 15 βαθµούς Κέλσιου σε ετήσια βάση. Κατά τη διάρκεια της ηµέρας τα ποσά που ακτινοβολεί η γη αναπληρώνονται από την αφικνούµενη ηλιακή ενέργεια. Κατά τη νύχτα η απώλεια γήινης ακτινοβολίας οδηγεί στην ψύξη του εδάφους και του παρακείµενου αέρα.

29 Η δέσµευση της γήινης ακτινοβολίας από την ατµόσφαιρα Ποσοστά της γήινης ακτινοβολίας απορροφούνται εκλεκτικά από ορισµένα ατµοσφαιρικά αέρια όπως το CO2, H2O, CH4, O3 κ.λ.π. Τα αέρια αυτά αποτελούν ρυθµιστές της θερµο-οικονοµίας του πλανήτη και καθιερώθηκε να ονοµάζονται θερµοκηπικά αέρια, το δε φαινόµενο που προκαλούν είναι το γνωστό φαινόµενο του θερµοκηπίου. Από το σύνολο της υπέρυθρης γήινης ακτινοβολίας ένα ποσοστό αυτής περίπου 10% διαφεύγει προς το εξωτερικό διάστηµα. Παραστατικά οι διαδικασίες αυτές δίνονται στο σχήµα που ακολουθεί

30 Η υπέρυθρη ακτινοβολία στη γη και την ατµόσφαιρα

31 Συµπεριφορά των αερίων της ατµόσφαιρας στην απορρόφηση της υπέρυθρης ακτινοβολίας Ανέφελος ουρανός είναι ηµιδιαπερατός στη µεγάλου µήκους κύµατος υπέρυθρη ακτινοβολία. Αν υπήρχε µόνο Ν2 και Ο2 η επιφάνεια της γης θα ήταν θερµότερη την ηµέρα και πολύ ψυχρότερη τη νύχτα διότι τα αέρια αυτά είναι διαπερατά στην υπέρυθρη και κατακρατούν µόνο υπεριώδη Οι υδρατµοί απορροφούν στα 6µ και πέραν των 22µ συλλαµβάνοντας την υπέρυθρη ακτινοβολία που εκπέµπει η γη. Το CO2 συλλαµβάνει την ενέργεια στα 4µ και στα 14-16µ Το Όζον απορροφά στα 9µ Στην περιοχή 8-12µ η υπέρυθρη ακτινοβολία διαφεύγει στο διάστηµα και η ζώνη αυτή λέγεται ατµοσφαιρικό παράθυρο

32 Η απορρόφηση από διάφορα αέρια

33 Ενεργειακό Ισοζύγιο Η γήινη ακτινοβολία είναι πολύ έντονη κατά τη νύχτα αν επικρατούν ανέφελοι ουρανοί και περιορισµένοι υδρατµοί Στις έρηµους ενώ την ηµέρα η θερµοκρασία φτάνει τους 40 τη νύχτα µπορεί να είναι και αρνητική. Στα µέσα πλάτη προκαλεί νυχτερινούς παγετούς την ψυχρή περίοδο. Οι ενεργειακές ροές διακρίνονται: Στην εισερχόµενη στη γη ακτινοβολία (άµεση, διάχυτη, ανακλώµενη) Στην εξερχόµενη προς το διάστηµα (ανακλώµενη, ουράνια, υπέρυθρη Οι δύο αυτές ανταγωνιστικές οµάδες τελικά οδηγούν σε µια διαφορά Εισερχόµενης-Εξερχόµενης ακτινοβολίας, γνωστής ως ενεργειακό ισοζύγιο. Αυτό είναι θετικό την ηµέρα και ονοµάζεται τελική ακτινοβολία, αρνητικό τη νύχτα και µηδενικό για µεγάλη χρονική στιγµή και διατηρεί σταθερή τη θερµοκρασία της γης.

34 Το ενεργειακό ισοζύγιο της γης-ατµόσφαιρας

35 Το ενεργειακό Ισοζύγιο

36 Η γεωγραφική κατανοµή της ακτινοβολίας Η εισερχόµενη ηλιακή ακτινοβολία είναι µεγαλύτερη στα µικρά γεωγραφικά πλάτη. Η εξερχόµενη υπέρυθρη γήινη ακτινοβολία παρουσιάζει µικρότερες µεταβολές κατά γεωγραφικό πλάτος. Συνεπώς η τελική ακτινοβολία καθορίζεται από την µικρού µήκους ακτινοβολία. Η κατανοµή των δύο ακτινοβολιών από τον Ισηµερινό προς τους πόλους δίνεται στο έναντι σχήµα

37

38 Η γεωγραφική κατανοµή της ακτινοβολίας (συνέχεια) Το γεγονός ότι: η συσσώρευση θερµότητας στους τροπικούς δεν προκαλεί αύξηση της θερµοκρασίας στην περιοχή αυτή του πλανήτη Το ενεργειακό έλλειµµα στα µεγάλα γεωγραφικά πλάτη δεν προκαλεί µείωση της θερµοκρασίας. Οδηγεί στο συµπέρασµα ότι υπάρχει µηχανισµός εξισορρόπησης του ενεργειακού ισοζυγίου. Ο µηχανισµός αυτός περιλαµβάνει: Α) Τη µεταφορά αισθητής και λανθάνουσας θερµότητας µε τους ανέµους Β) Με την κίνηση των υδάτων των ωκεανών.

39 Μηνιαία ποσά τελικής ακτινοβολίας στον πλανήτη Η τελική ακτινοβολία καθίσταται αρνητική κατά τη διάρκεια του χειµώνα κάθε ηµισφαιρίου µετά το γεωγραφικό πλάτος των 45 Η διαφορετική δοµή του Β. Και Ν. Ηµισφαιρίου δίδει και διαφορετικές τιµές τελικής ακτινοβολίας κατά το χειµώνα στα πολικά πλάτη επικρατεί συνεχής νύχτα και το τελικό αποτέλεσµα είναι προϊόν της ακτινοβολίας µεγάλου µήκους το βόρειο ηµισφαίριο, το χειµώνα, παρουσιάζει σηµαντικά µικρότερες τιµές σε σχέση προς το νότιο, γιατί έχει µεγαλύτερες απώλειες δευτερογενούς ακτινοβολίας. Το θέρος οι µεγάλες τιµές εµφανίζονται στις υποτροπικές περιοχές κάθε ηµισφαιρίου, ενώ στους πόλους η συνθήκη αναστρέφεται προς όφελος του Β.πόλου, παρά τις ευνοϊκές συνθήκες της Ανταρκτικής

40 Γεωγραφική κατανοµή της τελικής ακτινοβολίας Γεωγραφική κατανοµή της τελικής ακτινοβολίας (Klangleys Klangleys/month) /month) 90 Ν Β Ν Ο Σ Α Ι Ι Μ Α Μ Φ I

41 Ετήσια κατανοµή της τελικής ακτινοβολίας σε Klangleys/year

42 Τελική Ακτινοβολία τον Ιανουάριο

43 Τελική ακτινοβολία τον Ιούλιο

44 Η Ηλιοφάνεια Το φωτεινό τµήµα της ηµέρας παρουσιάζει µια συνεχή αύξηση καθώς µεταβαίνουµε από το χειµώνα στο καλοκαίρι και από τον Ισηµερινό προς τον Θερινό πόλο της γης. Αν σε ένα τόπο δεν υπάρχουν νέφη, ούτε φυσικά εµπόδια ο ήλιος λάµπει ανεµπόδιστα από την ανατολή έως τη δύση του. Η διάρκεια αυτής της συνεχούς εµφάνισης του ήλιου ονοµάζεται Θεωρητική Ηλιοφάνεια και µετριέται σε ώρες. Στην πράξη ο ήλιος δεν λάµπει ανεµπόδιστα σε ένα τόπο είτε γιατί υπάρχουν νέφη, είτε γιατί παρεµβάλλονται ορεινά εµπόδια. Ο πραγµατικός χρόνος που ο ήλιος είναι ορατός σε ένα τόπο µια ηµέρα ονοµάζεται πραγµατική ηλιοφάνεια. Ο λόγος της Πραγµατικής/Θεωρητική λέγεται κλάσµα Ηλιοφάνειας και είναι µικρότερο της µονάδας