Obserwacje oraz modelowanie natężenia Obserwacje oraz modelowanie natężenia promieniowania słonecznego dochodzącego promieniowania słonecznego dochodzącego do powierzchni ziemi. do powierzchni ziemi.

(1)

Obserwacje oraz modelowanie natężenia Obserwacje oraz modelowanie natężenia promieniowania słonecznego dochodzącego promieniowania słonecznego dochodzącego

do powierzchni ziemi.

dr Krzysztof Markowicz dr Krzysztof Markowicz

Instytut Geofizyki, Uniwersytet Warszawski Instytut Geofizyki, Uniwersytet Warszawski

kmark@igf.fuw.edu.pl kmark@igf.fuw.edu.pl

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

(2)

11/29/21

11/29/21 Instytut Geofizyki UWInstytut Geofizyki UW

Słońce jako największe źródło energii na ziemi Słońce jako największe źródło energii na ziemi

• Ziemia otrzymuje zaledwie około 0.5x10^-9 całkowitej energii emitowanej przez Słońce.

• Stanowi to jednak wielkości rzędu 10¹⁴ [kW].

(3)

Widmo promieniowania słonecznego

(4)

11/29/21

Pojęcie natężenia promieniowania Pojęcie natężenia promieniowania

• Jest wielkością podstawową mówiąca o mocy

promieniowania padającego na daną powierzchnie. Jej jednostką jest W/m².

• 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)

(5)

Rozkład promieniowania nieba w Rozkład promieniowania nieba w

bezchmurny dzień

(6)

11/29/21

Promieniowanie emitowane przez Słońce Promieniowanie emitowane przez Słońce

• Stała słoneczna- natężenie promieniowania słonecznego dochodzącego do górnych granic atmosfery. Wynosi ona 1378 W/m^2.

• Stała słoneczna nie jest jednak wielkością stalą 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/m².

(7)

Stała słoneczna a aktywność Słońca

(8)

11/29/21

Promieniowanie słoneczne i ziemskie

(9)

Oddziaływanie promieniowania w Oddziaływanie promieniowania w

atmosferze i wpływ na promieniowanie przy atmosferze i wpływ na promieniowanie przy

powierzchni ziemi 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.

(10)

11/29/21

Albedo planetarne –

Albedo planetarne – część promieniowania, która jest część promieniowania, która jest odbijana przez atmosferę

odbijana przez atmosferę

Albedo zależy zarówno od pochłaniania jak i rozpraszania Albedo zależy zarówno od pochłaniania jak i rozpraszania

promieniowania słonecznego ale ponadto od własności promieniowania słonecznego ale ponadto od własności

odbijających samej powierzchni ziemi odbijających samej powierzchni ziemi

(11)

Oddziaływanie promieniowania w Oddziaływanie promieniowania w

atmosferze

(12)

11/29/21

Co decyduje o ilości promieniowania 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.

(13)

Wpływ ruchu orbitalnego zmiany – zmiany Wpływ ruchu orbitalnego zmiany – zmiany

deklinacji Słońca

(14)

11/29/21

(15)

(16)

11/29/21

Roczny cykl promieniowania słonecznego Roczny cykl 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 role odgrywa jednak sezonalna zmienność zachmurzenia. Największe zachmurzenie obserwuje się w chłodnej porze roku co dodatkowo zmniejsza ilość

promieniowania dochodzącego do powierzchni ziemi.

(17)

Natężenie promieniowania dochodzące do Natężenie promieniowania dochodzące do

powierzchni ziemi

(18)

11/29/21

Dobowy cykl promieniowania słonecznego

(19)

Bilans promieniowania na ziemi (bilans Bilans promieniowania na ziemi (bilans

kolektora słonecznego) kolektora słonecznego)

4

a4 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 IA

I T_a⁴ T⁴

(20)

11/29/21

Bilans energii w atmosferze

(21)

Przyrządy do pomiaru promieniowania Przyrządy do pomiaru promieniowania

• Radiometr (pyranometr) – pomiar promieniowania całkowitego

(22)

11/29/21

Pomiar promieniowania bezpośredniego oraz

rozproszonego

(23)

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

pozbawiona jest chmur)

(24)

11/29/21

Modelowania promieniowania słonecznego 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.

(25)

Obliczona zależność natężenia promieniowania od Obliczona zależność natężenia promieniowania od

zawartości zanieczyszczeń powietrza zawartości zanieczyszczeń powietrza

(26)

11/29/21

Analiza wyników pomiarowych Analiza wyników pomiarowych

Klimatologiczna średnia roczna wartość natężenia Klimatologiczna średnia roczna wartość natężenia

promieniowania na powierzchni ziemi.

(27)

Zróżnicowanie średniego rocznego Zróżnicowanie średniego rocznego

promieniowania słonecznego nad Polską

(28)

11/29/21

Zasoby energii Zasoby energii słonecznej wg IMGW słonecznej wg IMGW

Średnie natężenie

promieniowania w ciągu roku NCEP/NCAR Reanaliza

(29)

Roczny przebieg średnich miesięcznych Roczny przebieg średnich miesięcznych

natężeń promieniowania dla okolic Kielc

(30)

11/29/21

Zależność natężenia promieniowania Zależność natężenia promieniowania

od zachmurzenia

(31)

Zmienność natężenia Zmienność natężenia

promieniowania w styczniu i promieniowania w styczniu i

lipcu lipcu

Zmienność natężenia Zmienność natężenia promieniowania w ciągu promieniowania w ciągu

ostatnich 60 lat ostatnich 60 lat

(32)

11/29/21

Globalne zaciemnienie 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.

(33)

(34)

11/29/21

(35)

Stacja transferu radiacyjnego w okolicach Stacja transferu radiacyjnego w okolicach

Strzyżowa Strzyżowa

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

(36)

11/29/21

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

(37)

Podsumowanie 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 znacznie wolniej zmienną niż np. prędkość wiatru.

• Wykazuje jednak wahania w skali lat ze względu na

(38)

11/29/21

• Roczny przebieg natężenie promieniowania słonecznego jest odwrotny do prędkości wiatru co skłaniać do budowy elektrowni słoneczno-wiatrowych.

• Zasoby energii słonecznej są mierzone tylko w bardzo ograniczonej ilości stacji meteorologicznych co

komplikuje analizę warunków słonecznych w Polsce.

• Mogą być one jednak obliczane przy użyciu modeli, które zapewniają wystarczającą dokładność dla potrzeb

energetycznych.