Promieniowanie słoneczne

Bolograf Langleya z 1903 z błędnie podaną stałą słoneczną 2.54 kalorie/minutę/centymentr kwadratowy.

Promieniowanie słoneczne – strumień fal elektromagnetycznych i cząstek elementarnych (promieniowanie korpuskularne) docierający ze Słońca do Ziemi. Natężenie promieniowania słonecznego docierającego do górnych granic atmosfery określone jest przez stała słoneczną. Wielkość ta jest zdefiniowana dla średniej odległości Ziemia-Słońce i wynosi około 1366,1 W/m². Natężenie promieniowania słonecznego zmienia się w cyklu rocznym ze względu na zmiany odległości pomiędzy Ziemią a Słońcem w zakresie ±3,4%. Chwilowa wartość natężenia promieniowania słonecznego docierającego do górnych granic atmosfery może być wyznaczona ze wzoru

$F=F_{\rm {0}}\left[1+0,034\cdot \cos \left(2\pi {\frac {{dn}-3}{365}}\right)\right],$

gdzie $F_{\rm {0}}$ oznacza stała słoneczną, dn określa kolejny dzień roku dn = 1 pierwszy stycznia; dn = 2 drugi stycznia 2; dn = 32 pierwszy lutego itd.

Wpływ aktywności Słońca na natężenie promieniowania słonecznego docierającego do Ziemi jest znacząco mniejszy i średnio w cyklu 11 letnim sięga około 0,1%.

Rozkład spektralnym promieniowania słonecznego jest zbliżony do promieniowania ciała doskonale czarnego o temperaturze około 5800 K opisywany rozkładem Plancka. Maksimum energii zgodnie z prawem Wiena przypada na długości fali około 0,5 μm. Około połowy energii promieniowania słonecznego przypada na zakres widzialny, zaś pozostała na promieniowanie ultrafioletowe i bliską podczerwień.

W spektrum promieniowania słonecznego wyróżniamy następujące zakresy:

• ultrafiolet C z zakresem fal od 100 do 280 nm,
• ultrafiolet B z zakresem fal od 280 do 315 nm,
• ultrafiolet A z zakresem fal od 315 do 400 nm,
• zakres widzialny z zakresem fal od 400 do 700 nm,
• bliska podczerwień z zakresem fal od 700 do 1400 nm,
• środkowa podczerwień z zakresem fal od 1400 do 4000 nm.

Promieniowania słoneczne przechodząc przez atmosferę ulega osłabieniu wskutek procesów absorpcji i rozpraszania. Wyznaczenie natężenie promieniowania słonecznego lub radiancji docierającej do powierzchni ziemi wymaga rozwiązania równania transferu promieniowania w atmosferze. Wyniki takich symulacji oraz obserwacji wskazują, że około 30% promieniowania słonecznego dochodzącego do naszej planety jest odbijane przez atmosferę, 20% jest przez nią pochłaniane, a tylko 50% energii dociera do powierzchni Ziemi. Wartości te odnoszą się do całego globu i lokalnie mogą znacząco się różnić.

Położenie Słońca na sferze niebieskiej

Natężenie promieniowania słonecznego dochodzącego do powierzchni Ziemi zależy od położenia Słońca na sferze niebieskiej oraz własności optycznych atmosfery. Położenie Słońca opisywane przez współrzedne układu sferycznego: kąt azymutalny, oraz kąt zenitalny. Zamiast kąta zenitalnego (kąt padania) stosuje się również kąt elewacyjny liczony od płaszczyzny horyzontu. W przypadku powierzchni horyzontalnych natężenie promieniowania słonecznego zależy jedynie od kąta zenitalnego. Kąt ten w wybranym punkcie powierzchni Ziemi zależy od czasu słonecznego, szerokości geograficznej. Przy dokładnym określaniu kąta padania promieniowania słonecznego na powierzchnię Ziemi uwzględnić trzeba eliptyczność orbity oraz kształt geoidy jak również zakrzywienie promieniowania słonecznego w atmoferze związane z refrakcją. Połóżenie Słońca na sferze niebieskiej wyznacza się na ogół na podstawie modeli. W szczegółnych przypadkach położenie Słońca może być określone analitycznie.

W momencie górowania dziennego, w wybranych dniach roku kąt elewacyjny określają wzory:

• 21 marca i 23 września gdy słońce jest w zenicie nad równikiem obliczamy ze wzoru h = 90° − φ

Półkula północna:

• 22 czerwca, gdy słońce jest w zenicie nad zwrotnikiem Raka h = 90° − φ + 23°27'
• 22 grudnia, czyli wtedy kiedy słońce jest w zenicie nad zwrotnikiem Koziorożca h = 90° − (φ + 23°27')

Półkula południowa:

• 22 czerwca, gdy słońce jest w zenicie nad zwrotnikiem Raka h = 90° − (φ + 23°27')
• 22 grudnia, wtedy kiedy słońce jest w zenicie nad zwrotnikiem Koziorożca h = 90° − φ + 23°27'

gdzie:

• φ oznacza szerokość geograficzną
• h oznacza kąt elewacyjny promieni słonecznych na dany punkt φ

Interpretacja

Możliwe wyniki i ich interpretacja. Jeśli obliczamy wysokość Słońca w zenicie dla dni 22 czerwca i 22 grudnia, to możemy uzyskać bardzo rozbieżne wyniki. Oto jak je interpretować:

• Jeśli 0° < h < 90°, to wynik oznacza, że pomiar wysokości Słońca został przeprowadzony wewnątrz okręgu, w którym to Słońce jest w zenicie
• Jeśli h > 90°, to wynik oznacza, że pomiar został przeprowadzony w strefie pomiędzy równikiem, a zwrotnikiem, nad którym góruje Słońce
• Jeśli h < 0°, to wynik oznacza, że w miejscu przeprowadzenia badania panuje noc polarna

Zobacz też

• promieniowanie rozproszone

Linki zewnętrzne

• Kalkulator położenia Słońca
• Kalkulator kąta zenitalnego i azymulatnego Słońca
• Modele do wyznaczania położenia Słońca.
• Funkcja w Matlabie do wyznaczania położenia Słońca