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

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].

Promieniowanie emitowane przez Słońce Stała słoneczna- natężenie promieniowania słonecznego dochodzącego do górnych granic atmosfery. Wynosi ona około 1378 W/m2. 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/m2.

Stała słoneczna a aktywność Słońca

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)

Rozkład promieniowania nieba w bezchmurny dzień

Widmo promieniowania słonecznego

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.

Promieniowanie słoneczne i ziemskie

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.

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

Oddziaływanie promieniowania w atmosferze

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)

Bilans energii w atmosferze

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.

Wpływ ruchu orbitalnego zmiany – zmiany deklinacji Słońca

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.

Roczny przebieg średnich miesięcznych natężeń promieniowania dla Podkarpacia

Dobowy cykl promieniowania słonecznego W/m2

Przyrządy do pomiaru promieniowania Radiometr (pyranometr) – pomiar promieniowania całkowitego

Pomiar promieniowania bezpośredniego oraz rozproszonego

Heliograf- pomiar usłonecznienia (ilość godzin w czasie których tarcza słońca pozbawiona jest chmur)

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.

Obliczona zależność natężenia promieniowania od zawartości zanieczyszczeń powietrza

Zmienność natężenia promieniowania w czerwcu i sierpniu Zmienność natężenia promieniowania w ciągu ostatnich 16 lat

Zasoby energii słonecznej wg IMGW Średnie natężenie promieniowania w ciągu roku NCEP/NCAR Reanaliza

Zależność pomiędzy natężeniem promieniowania a zachmurzeniem

Zmienność promieniowania z wysokością

Zależność promieniowania od albeda podłoża

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.

Co zmienia klimat?

Co nas czeka? Redukcja emisji zanieczyszczeń (aerozoli) zwiększy efekt cieplarniany. Aerozole musimy redukować ze względu na ich szkodliwość na drogi oddechowe. Zredukować emisje CO2 będzie bardzo ciężko dlatego spodziewać się możemy systematycznego wzrostu temperatury na Ziemi.

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.

Stacja transferu radiacyjnego w okolicach Strzyżowa (25 km na południowy zachód od Rzeszowa) 443 m.n.p.m

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

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

Roczny przebieg natężenie promieniowania słonecznego jest odwrotny do prędkości wiatru co skłaniać do budowy połączonych 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. Ilość promieniowania docierająca do ziemi rośnie wraz z wysokością nad poziom morza.