Promieniowanie

słłłłoneczne

Słońce dzięki promieniowaniu cieplnemu wysyła na Ziemięniewyobrażalną ilość energii. W skali roku jest to 5000-krotnie więcej

energii niż 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 1393 W/m2 przy pionowo padającym

promieniowaniu słonecznym docierającym do zewnętrznej warstwy atmosfery.

Wartość ta jest nazywana stałąłąłąłą słłłłonecznąąąą i podlega jedynie niewielkim

wahaniom rocznym.

Promieniowanie słoneczne przechodząc przez atmosferę ziemską, zostaje częściowo odbite, rozproszone i pochłonięte i dlatego do Ziemi przedostaje się jedynie część pierwotnego promieniowania. Ten udział, określany jako promieniowanie całłłłkowite, jest efektywnąmocą promieniowania słonecznego.Promieniowanie całłłłkowite składa się z promieniowania bezpośredniego, rozproszonego i odbitego.

Promieniowanie bezpośśśśrednie jest częścią promieniowania, które przy bezchmurnym niebie bez przeszkód przedostaje się przez atmosferę i może być zaabsorbowane przez różne obiekty. Im większy kąt padania promieni słonecznych na obiekt, tym większa jest ilośćzaabsorbowanej 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 niż 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 pobliżu np. budynków.

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

Wielkość promieniowania słonecznego podobnie jak stosunek promieniowania

bezpośredniego do rozproszonego są określane każdorazowo w prognozach

pogody. Przy bezchmurnym, niebieskim niebie - efektywne promieniowanie

słoneczne wynosi do 1000 W/(m2�d), a podczas pochmurnego dnia zimowego

może spaść do 100 W/(m2�d). Zdecydowanie zależy ono od pory roku i tym

samym od usłonecznienia.

Usłłłłonecznienie 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 wynoszą1600 h, co stanowi 40% astronomicznej długości dnia. Warunki

meteorologiczne charakteryzują się bardzo nierównym rozkładem

promieniowania słonecznego w cyklu rocznym. Około 80% całkowitej

rocznej sumy nasłonecznienia przypada na sześć miesięcy sezonu

wiosenno-letniego, od początku kwietnia do końca września, przy czym

czas operacji słonecznej w lecie wydłuża 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 powyżej 1550

godzin,

•środkową ze średnimi usłonecznienia w przedziałach 1480 - 1550

godzin,

•południową z wartościami średnimi usłonecznienia poniżej 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 Pobrzeżu Gdańskim. Na tych obszarach

średnia roczna suma usłonecznienia rzeczywistego przekracza 1650

godzin. Zróżnicowanie sum rocznych usłonecznienia w Polsce wynosi

około 380 godzin.

Zachmurzenie obok promieniowania zajmuje ważne miejsce wśród

parametrów klimatologicznych. Stopień pokrycia nieba przez chmury w

znacznym stopniu ogranicza ilość promieniowania słonecznego

docierającego do powierzchni ziemi, przez co reguluje reżim 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 sięwiosną.

Warunki europejskie

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

Albedo: stosunek

promieniowania odbitego

do

całkowitego padającego na daną powierzchnię.Wartości od 0 (brak odbicia) do 1 (całe padającepromieniowanie jest

odbijane)

Dla całej Ziemi=0,3

Odbijanie promieniowania od różnych rodzajów podłoża na powierzchni Ziemi:

Powierzchnia gruntu nagrzewa się dzięki docierającemu do jej

powierzchni krótkofalowemu promieniowaniu słonecznemu. Ziemia

nagrzewa się na skutek oddziaływania tegoż 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 uzależniona od kąta zawartego między kierunkiem padania

promieniowania słonecznego, a powierzchnią gruntu. Zjawisko to

opisuje jedno z tzw. "praw promieniowania", opisane zależnościązilustrowaną na zamieszczonym poniżej rysunku:

Rys. 1. Zobrazowanie efektywnej

wartości natężenia promieniowania

(I) przypadającej na jednostkępowierzchni.

Przyrząąąądy pomiarowe

Aktynometr służy 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 złożonej z 24 (do

36) elementów

termoelektrycznych ułożonych

gwiaździście. Bierne spojenia

(zaciemniona strona tarczy)

przylutowane są do miedzianego

pierścienia umieszczonego

wewnątrz rury aktynometru.

Wolne końce termobaterii

połączone są z galwanometrem,

którego wskazania sąpropocjonalne do różnicy

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 służy 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 różnicy

pochłaniania promieniowania przez poczernione i niepoczernione

powierzchnie, wytwarza się różnica temperatur między spoinami,

proporcjonalna do natężenia 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, że mierzy

przychodzące promieniowanie z wagą proporcjonalną do cosinusa kąta

zenitalnego.

Pyranometr model SR11

heliograf Campbella-Stokesa

Heliograf przyrząd służący do rejestracji (zapisu) czasu trwania

usłonecznienia. Najczęściej jest używany 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 zróżnicowane w zależności od pory roku - najdłuższy i

najniżej położony pasek letni, pasek średni wiosenno-jesienny i

najwyżej 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 podąża za

Słońcem umożliwiając w ten sposób ustawienie przyrządu w kierunku tarczy

Słońca.

Pomiar dokonuje się przy użyciu pyrheliometru Angstrema.

Przyrząd ten zbudowany jest z dwóch wyczernionych czujników

bolometrycznych, których temperatury porównywane są za pomocą termopary

(termoogniwo - Składa się z połączenia dwóch różnych metali).

Pomiar promieniowania

bezpośredniego – pyrheliometr

Albedomierz – pomiar albeda powierzchni

ziemi

Bilansomierze pomiar bilansu promieniowania

słonecznego oraz ziemskiego

Pomiar promieniowania bezpośredniego – Fotometry

słłłłoneczne

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 ozon

λ2 długość fali poza

pasmem absorpcyjnym

Spektrofotometr Dobsona

DOBSON

� Jednostką używaną 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 sprężeniu go do ciśnienia panującego przy

powierzchni ziemi. Wynosi średnio około 300

DU.

Promieniowanie UV a zdrowie człłłłowiekaNie zdając sobie sprawy z zagrożenia 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 życia 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 ozonowąw 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 należy chronić dzieci, a te poniżej 3 lat w ogóle nie

powinny być wystawiane na bezpośrednie promieniowanie Słońca.

Stopień szkodliwości promieniowania UV zależy nie tylko od wielkości dawki UV ale

także od indywidualnej wrażliwości skóry.

Promieniowanie UV a zdrowie człłłłowieka

Ilość docierającego do powierzchni ziemi promieniowania

ultrafioletowego zależy 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 stosowania

Indeks UV został początkowo zdefiniowany niezależnie w poszczególnych

krajach i stosowany w programach powszechnej informacji o promieniowaniu

UV.

Jego definicja została później znormalizowana i opublikowana przez ŚwiatowąOrganizację Zdrowia (WHO), Światową Organizację Meteorologiczną (WMO),

Program Środowiskowy Narodów Zjednoczonych (UNEP) i MiędzynarodowąKomisję 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 dużą zmienność zachmurzenia opracowywane są dwie wersje

prognozy Indeksu UV: przy bezchmurnym niebie i z uwzględnieniem prognozy

zachmurzenia.

Czas opalania dla różżżżnych 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

Przykłłłład:Dla Indeksu UV=8, częstego w Polsce w okresie letnim,

czas opalania dla poszczególnych typów skóry wynosi:

I - poniżej 20 min, II - powyżej 20 min, III - 30 min, IV-

ok.40 min.

Czas opalania definiuje się jako maksymalny czas

przebywania na słońcu bez żadnej

ochrony, przy którym nie wystąpi opalenizna; nazywany

jest również progowym czasem

wystąpienia rumienia.