Obserwacje oraz modelowanie natężenia promieniowania słonecznego dochodzącego do powierzchni ziemi. dr Krzysztof Markowicz Instytut Geofizyki, Uniwersytet Warszawski kmark@igf.fuw.edu.pl www.igf.fuw.edu.pl/meteo/stacja

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]. 4/14/2017 Instytut Geofizyki UW

Widmo promieniowania słonecznego 4/14/2017 Instytut Geofizyki UW

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) 4/14/2017 Instytut Geofizyki UW

Rozkład promieniowania nieba w bezchmurny dzień 4/14/2017 Instytut Geofizyki UW

Promieniowanie emitowane przez Słońce Stała słoneczna- natężenie promieniowania słonecznego dochodzącego do górnych granic atmosfery. Wynosi ona 1378 W/m2. 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. 4/14/2017 Instytut Geofizyki UW

Stała słoneczna a aktywność Słońca 4/14/2017 Instytut Geofizyki UW

Promieniowanie słoneczne i ziemskie 4/14/2017 Instytut Geofizyki UW

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. 4/14/2017 Instytut Geofizyki UW

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 4/14/2017 Instytut Geofizyki UW

Oddziaływanie promieniowania w atmosferze 4/14/2017 Instytut Geofizyki UW

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. 4/14/2017 Instytut Geofizyki UW

Wpływ ruchu orbitalnego zmiany – zmiany deklinacji Słońca 4/14/2017 Instytut Geofizyki UW

4/14/2017 Instytut Geofizyki UW

4/14/2017 Instytut Geofizyki UW

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. 4/14/2017 Instytut Geofizyki UW

Natężenie promieniowania dochodzące do powierzchni ziemi 4/14/2017 Instytut Geofizyki UW

Dobowy cykl promieniowania słonecznego 4/14/2017 Instytut Geofizyki UW

Bilans promieniowania na ziemi (bilans kolektora słonecznego) Ta4 Strzałką żółtą oznaczono promieniowanie słoneczne zaś czerwoną promieniowanie podczerwone ziemi. A -albedo, I - natężenie promieniowania całkowitego dochodzącego do powierzchni ziemi, T- temperatura powierzchni kolektora, Ta temperatura atmosfery,  stała Stefana Boltzmmana,  stała opisująca własności kolektora (zdolność emisyjna) 4/14/2017 Instytut Geofizyki UW

Bilans energii w atmosferze 4/14/2017 Instytut Geofizyki UW

Przyrządy do pomiaru promieniowania Radiometr (pyranometr) – pomiar promieniowania całkowitego 4/14/2017 Instytut Geofizyki UW

Pomiar promieniowania bezpośredniego oraz rozproszonego 4/14/2017 Instytut Geofizyki UW

Heliograf- pomiar usłonecznienia (ilość godzin w czasie których tarcza słońca pozbawiona jest chmur) 4/14/2017 Instytut Geofizyki UW

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. 4/14/2017 Instytut Geofizyki UW

Obliczona zależność natężenia promieniowania od zawartości zanieczyszczeń powietrza 4/14/2017 Instytut Geofizyki UW

Analiza wyników pomiarowych Klimatologiczna średnia roczna wartość natężenia promieniowania na powierzchni ziemi. 4/14/2017 Instytut Geofizyki UW

Zróżnicowanie średniego rocznego promieniowania słonecznego nad Polską 4/14/2017 Instytut Geofizyki UW

Zasoby energii słonecznej wg IMGW Średnie natężenie promieniowania w ciągu roku NCEP/NCAR Reanaliza 4/14/2017 Instytut Geofizyki UW

Roczny przebieg średnich miesięcznych natężeń promieniowania dla okolic Kielc 4/14/2017 Instytut Geofizyki UW

Zależność natężenia promieniowania od zachmurzenia 4/14/2017 Instytut Geofizyki UW

Zmienność natężenia promieniowania w styczniu i lipcu Zmienność natężenia promieniowania w ciągu ostatnich 60 lat 4/14/2017 Instytut Geofizyki UW

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. 4/14/2017 Instytut Geofizyki UW

4/14/2017 Instytut Geofizyki UW

4/14/2017 Instytut Geofizyki UW

Stacja transferu radiacyjnego w okolicach Strzyżowa (25 km na południowy zachód od Rzeszowa) 443 m.n.p.m 4/14/2017 Instytut Geofizyki UW

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 4/14/2017 Instytut Geofizyki UW

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 zmienność warunków meteorologicznych 4/14/2017 Instytut Geofizyki UW

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. 4/14/2017 Instytut Geofizyki UW