Analiza promieniowania słonecznego dochodzącego do powierzchni ziemi w rejonie Podkarpacia.

(1)

Analiza promieniowania słonecznego dochodzącego do powierzchni ziemi

w rejonie Podkarpacia.

dr Krzysztof Markowicz

Instytut Geofizyki, Uniwersytet Warszawski kmark@igf.fuw.edu.pl

www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja

(2)

Słońce jako największe źródło energii na ziemi

• Ziemia otrzymuje zaledwie około 0.5x10

^-9

całkowitej energii emitowanej przez Słońce.

• Stanowi to jednak wielkości

rzędu 10

¹⁴

[kW].

(3)

Promieniowanie emitowane przez Słońce

• Stała słoneczna- natężenie promieniowania słonecznego dochodzącego do górnych granic atmosfery. Wynosi ona około 1378 W/m

^2.

• Stała słoneczna nie jest jednak wielkością stałą i podlega cyklicznym zmianom.

• Główna przyczyną jest zmienna odległość Ziemi od Słońca. Prowadzi ona do zmian stałej słonecznej w ciągu roku na poziomie około 3.3 %.

• Druga przyczyną jest aktywność Słońca. Jednak

zmiany natężenia promieniowania w tym przypadku są

znacznie mniejsze i sięgają maksymalnie kilku W/m

²

.

(4)

Stała słoneczna a aktywność Słońca

(5)

Pojęcie natężenia promieniowania

• Jest wielkością podstawową mówiąca o mocy

promieniowania padającego na daną powierzchnie. Jej jednostką jest W/m

²

.

• Możemy mówić o natężeniu promieniowania

padającego na powierzchnie poziomą jak również na powierzchnie prostopadła do promieniowania

słonecznego.

• Wyróżniamy promieniowanie bezpośrednie,

rozproszone oraz całkowite będące sumą dwóch poprzednich.

• Promieniowanie bezpośrednie – to promieniowanie pochodzące bezpośrednio z obszaru tarczy Słońca

• Promieniowanie rozproszone to promieniowanie pochodzące od nieboskłonu, gdyż w atmosferze

zostało rozproszone (zmieniło swój pierwotny kierunek)

(6)

Rozkład promieniowania nieba w

bezchmurny dzień

(7)

Widmo promieniowania słonecznego

(8)

Promieniowanie ziemskie - długofalowe

• Promieniowanie słoneczne nie jest jednym promieniowanie występującym na ziemi.

• Szalenie istotnym z punktu widzenia przenoszenia energii jest promieniowanie emitowane przez

ziemie – promieniowanie długofalowe.

• Jest ono zupełnie niewidoczne dla nas jednak jest odpowiedzialne ze wychładzanie powierzchni

ziemi, które najlepiej uwidacznia się nocą.

(9)

Promieniowanie słoneczne i ziemskie

(10)

Oddziaływanie promieniowania w

atmosferze i wpływ na promieniowanie przy powierzchni ziemi

• Rozpraszanie promieniowanie (zmiana kierunku propagacji promieniowania) przez chmury i zanieczyszczenia

zawarte w atmosferze.

• Absorpcja (pochłanianie)

promieniowania przez parę wodną, zanieczyszczenia, ozon i inne.

• Zarówno rozpraszanie jak i pochłanianie promieniowania w atmosferze prowadzi do redukcji promieniowania

dochodzącego do powierzchni ziemi.

(11)

Albedo planetarne – część promieniowania, która jest odbijana przez atmosferę

Albedo zależy zarówno od pochłaniania jak i rozpraszania

promieniowania słonecznego ale ponadto od własności

odbijających samej powierzchni ziemi

(12)

Oddziaływanie promieniowania w

atmosferze

(13)

Bilans promieniowania na ziemi (bilans kolektora słonecznego)

4 a 4 AI T

T

I     

Strzałką żółtą oznaczono promieniowanie słoneczne zaś czerwoną promieniowanie podczerwone ziemi.

A -albedo, I - natężenie promieniowania całkowitego dochodzącego do powierzchni ziemi, T- temperatura powierzchni kolektora, T

_a

temperatura atmosfery,  stała Stefana Boltzmmana,  stała opisująca własności kolektora (zdolność emisyjna)

IA

I T

_a⁴

T

⁴

(14)

Bilans energii w atmosferze

(15)

Co decyduje o ilości promieniowania dochodzącego do ziemi?

• Deklinacja Słońca (dzień roku), szerokość geograficzna

• Wysokość nad poziom morza

• Stopień i typ zachmurzenia

• Koncentracja aerozoli (zanieczyszczeń)

• Zawartość pary wodnej

• Zawartość ozonu w atmosferze.

(16)

Wpływ ruchu orbitalnego zmiany – zmiany

deklinacji Słońca

(17)

(18)

(19)

Przebieg roczny promieniowania słonecznego

• Wynika głównie z przyczyn astronomicznych (zmiany wysokości górowania Słońca w ciągu roku).

• Ponadto z czasu trwania dnia, który zmienia się w Polsce od około do 8 do 16 godzin.

• Tak więc średnia dobowa wartość promieniowania dochodzącego do ziemi. Powinna być największa 1 dnia lata (23 czerwiec) zaś najmniejsza 1 dnia zimy (22 grudzień).

• Zasadniczą rolę odgrywa jednak sezonalna zmienność zachmurzenia. Największe

zachmurzenie obserwuje się w chłodnej porze roku co dodatkowo zmniejsza ilość promieniowania

dochodzącego do powierzchni ziemi.

(20)

Roczny przebieg średnich miesięcznych

natężeń promieniowania dla Podkarpacia

(21)

(22)

Dobowy cykl promieniowania słonecznego

W/m

²

(23)

Przyrządy do pomiaru promieniowania

• Radiometr (pyranometr) – pomiar

promieniowania całkowitego

(24)

Pomiar promieniowania bezpośredniego oraz

rozproszonego

(25)

Heliograf- pomiar usłonecznienia (ilość godzin w czasie których tarcza słońca

pozbawiona jest chmur)

(26)

Modelowania promieniowania słonecznego

• Istnieje bardzo wiele modeli umożliwiających obliczanie promieniowania dochodzącego do powierzchni ziemi.

• Głównym problemem są tu dane meteorologiczne określające własności optyczny atmosfery a w

szczególności chmur oraz aerozoli.

• Modele te pozwalają oszacować zasoby energii

słonecznej dla dowolnego miejsca.

(27)

Obliczona zależność natężenia promieniowania od

zawartości zanieczyszczeń powietrza

(28)

(29)

(30)

(31)

Zmienność natężenia promieniowania w ciągu

ostatnich 16 lat Zmienność natężenia

promieniowania w czerwcu i

sierpniu

(32)

Zasoby energii słonecznej wg IMGW

Średnie natężenie

promieniowania w ciągu roku

NCEP/NCAR Reanaliza

(33)

Zależność pomiędzy natężeniem

promieniowania a zachmurzeniem

(34)

Zmienność promieniowania z wysokością

(35)

Zależność promieniowania od albeda podłoża

(36)

Globalne zaciemnienie

• Zanieczyszczenia redukują promieniowanie

dochodzące do ziemi. Prowadzą w ten sposób do ochładzania klimatu. Jest to efekt przeciwny do efektu cieplarnianego.

• Efekt ten obserwowany był silnie w latach 80-tych i 90-tych

• W ostatnich latach ze względu na redukcje emisji zanieczyszczeń promieniowanie słoneczne

nieznacznie rośnie.

• Nasila się więc niekorzystny wpływ efektu

cieplarnianego prowadzący do ocieplania w skali

całego globu.

(37)

(38)

Co zmienia klimat?

(39)

(40)

Co nas czeka?

• Redukcja emisji zanieczyszczeń (aerozoli) zwiększy efekt cieplarniany.

• Aerozole musimy redukować ze względu na ich szkodliwość na drogi oddechowe.

• Zredukować emisje CO

₂

będzie bardzo ciężko dlatego

• spodziewać się możemy systematycznego

wzrostu temperatury na Ziemi.

(41)

Źródła danych o promieniowaniu słonecznym:

• Obserwacje IMGW

1) Natężenie promieniowania: Lesko

2) Usłonecznienie: Rzeszów-Jasionka, Krosno, Sandomierz, Lesko, Przemysl?

• Pośrednie obserwacje satelitarne

• Modelowanie globalne

• Modelowanie wykorzystujące dostępne dane o

zachmurzeniu, aerozolach, parze wodnej itd.

(42)

Stacja transferu radiacyjnego w okolicach Strzyżowa

(25 km na południowy zachód od Rzeszowa) 443 m.n.p.m

(43)

Zakres prowadzonych obserwacji.

1. Podstawowe pomiary meteorologiczne Temperatura, wilgotność i ciśnienie powietrza prędkość i kierunek wiatru na wysokości 10 m

natężenie, suma opadu, grubość pokrywy śnieżnej

gradientowe pomiary temperatury powietrza od powierzchni gruntu do wysokości 10 m

gradientowe pomiary temperatury gruntu do głębokości 1 m widzialność pozioma, sondaże aerologiczne

2. Pomiary radiacyjne

strumień bezpośredni rozproszony promieniowania krótkofalowego strumień całkowity promieniowania krótkofalowego

strumienie w obszarze widzialnym (400-700 nm)

strumień promieniowania długofalowego, radiancja nieba 3. Pomiary aerozolowe

spektralna grubość optyczna aerozolu, współczynnik rozpraszania aerozolu,

współczynnik absorpcji aerozolu

(44)

Podsumowanie

• Polska leży w obszarze o całkowitej energii promieniowania słonecznego przekraczającej rocznie 1 MW/m

^-2

.

• Zasoby energii słonecznej rosną w kierunku południowym.

• Potencjalne zasoby energii słonecznej w Polsce są bardzo duże jednak ze względu na niekorzystne

zachmurzenie (np. w porównaniu z basenem Morza Śródziemnego) są one dość istotnie zredukowane.

• Promieniowanie słoneczne jest wielkością mniej zmienną przestrzennie niż np. prędkość wiatru.

• Wykazuje jednak wahania w skali lat ze względu na

zmienność warunków meteorologicznych

(45)