Солнечное излучение

Эффект защиты атмосферы Земли от солнечного излучения. Верхнее изображение - это среднегодовое солнечное излучение (или инсоляция) в верхней части атмосферы Земли (TOA); на нижнем изображении показана годовая инсоляция, достигающая поверхности Земли после прохождения через атмосферу. Обратите внимание, что два изображения используют одинаковую цветовую шкалу.

Солнечное излучение - это мощность на единицу площади, получаемая от Солнца в форме электромагнитного излучения, измеренная в диапазоне длин волн измерительного прибора. Энергия солнечного излучения измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт / м ² ) в единицах СИ . Солнечное излучение часто интегрируется за определенный период времени, чтобы сообщить о лучистой энергии, излучаемой в окружающую среду ( джоуль на квадратный метр, Дж / м ² ) в течение этого периода времени. Это интегрированное солнечное излучение называется солнечным излучением , солнечным облучением., солнечная инсоляция или инсоляция .

Энергия излучения может быть измерена в космосе или на поверхности Земли после атмосферного поглощения и рассеяния . Освещенность в космосе - это функция расстояния от Солнца, солнечного цикла и изменений между циклами. ^[1] Освещенность поверхности Земли дополнительно зависит от наклона измерительной поверхности, высоты солнца над горизонтом и атмосферных условий. ^[2] Солнечное излучение влияет на метаболизм растений и поведение животных. ^[3]

Изучение и измерение солнечного излучения имеет несколько важных приложений, включая прогнозирование выработки энергии солнечными электростанциями , нагрузку на отопление и охлаждение зданий, а также моделирование климата и прогноз погоды.

Типы [ править ]

Есть несколько типов измеряемой солнечной освещенности.

• Полная солнечная освещенность (TSI) - это мера солнечной энергии по всем длинам волн на единицу площади, падающей на верхние слои атмосферы Земли . Он измеряется перпендикулярно падающему солнечному свету. ^[2] солнечной постоянной представляет собой обычную меру среднего TSI на расстоянии одной астрономической единицы (АС).
• Прямая нормальная освещенность (DNI) или лучевое излучение измеряется на поверхности Земли в заданном месте с элементом поверхности, перпендикулярным Солнцу. ^[5] Он исключает рассеянное солнечное излучение (излучение, которое рассеивается или отражается компонентами атмосферы). Прямое излучение равно внеземному излучению над атмосферой за вычетом атмосферных потерь из-за поглощения и рассеяния . Потери зависят от времени суток (длина пути светового через атмосферузависимости от угла возвышения Солнца ), облачности , влажности содержимого и другого содержимого. Освещенность над атмосферой также меняется в зависимости от времени года (поскольку меняется расстояние до Солнца), хотя этот эффект, как правило, менее значителен по сравнению с влиянием потерь на DNI.
• Рассеянное горизонтальное излучение (DHI) или диффузное излучение неба - это излучение на поверхности Земли от света, рассеянного атмосферой. Он измеряется на горизонтальной поверхности с излучением, исходящим из всех точек неба, за исключением околосолнечного излучения (излучение, исходящее от солнечного диска). ^{[5] [6]} В отсутствие атмосферы DHI практически не существовало бы. ^[5]
• Глобальная горизонтальная освещенность (GHI) - это общая освещенность Солнца на горизонтальной поверхности Земли. Это сумма прямой освещенности (после учета солнечного зенитного угла солнца z ) и диффузной горизонтальной освещенности: ^[7]

  ${\ displaystyle {\ text {GHI}} = {\ text {DHI}} + {\ text {DNI}} \ times \ cos (z)}$

• Глобальная наклонная освещенность (GTI) или глобальное излучение, полученное на поверхности с определенным наклоном и азимутом, фиксированным или отслеживающим солнце. GTI можно измерить ^[6] или смоделировать на основе GHI, DNI, DHI. ^{[8] [9] [10]} Это часто используется для фотоэлектрических электростанций , в то время как фотоэлектрические модули устанавливаются на фиксированные или отслеживающие конструкции.
• Глобальная нормальная освещенность (GNI) - это общая освещенность от Солнца на поверхности Земли в заданном месте с элементом поверхности, перпендикулярным Солнцу.

Единицы [ править ]

Единица измерения освещенности в системе СИ - ватт на квадратный метр (Вт / м ² = Вт · м ^-2 ).

Альтернативной единицей измерения является Лэнгли (1 термохимическая калория на квадратный сантиметр или 41 840  Дж / м ² ) в единицу времени.

В солнечной энергетике используется ватт-час на квадратный метр (Втч / м ² ) в единицу времени ^{[ необходима цитата ]} . Таким образом, отношение к единице СИ:

1 кВт / м ² × (24 ч / день) = (24 кВт / м ² ) / день

(24 кВтч / м ² ) / день × (365 дней / год) = (8760 кВтч / м ² ) / год.

Облучение в верхней части атмосферы [ править ]

Распределение солнечной радиации в верхней части атмосферы определяется сферичностью Земли и параметрами орбиты. Это относится к любому однонаправленному лучу, падающему на вращающуюся сферу. Инсоляция необходима для численного прогноза погоды и понимания сезонов и климатических изменений . Применение к ледниковым периодам известно как циклы Миланковича .

Распределение основано на фундаментальном тождестве сферической тригонометрии , сферическом законе косинусов :

${\ Displaystyle \ соз (с) = \ соз (а) \ соз (Ь) + \ грех (а) \ грех (Ь) \ соз (С)}$

где a , b и c - длины дуги сторон сферического треугольника в радианах. C - угол в вершине, противоположной стороне, имеющей длину дуги c . Применительно к вычислению зенитного угла Солнца Θ к сферическому закону косинусов применяется следующее:

${\ displaystyle C = h}$

${\ Displaystyle c = \ Theta}$

${\ displaystyle a = {\ tfrac {1} {2}} \ pi - \ phi}$

${\ displaystyle b = {\ tfrac {1} {2}} \ pi - \ delta}$

${\ Displaystyle \ соз (\ Тета) = \ грех (\ фи) \ грех (\ дельта) + \ соз (\ фи) \ соз (\ дельта) \ соз (ч)}$

Это уравнение также может быть получено из более общей формулы: ^[11]

${\ Displaystyle {\ begin {выровнен} \ соз (\ тета) = \ грех (\ фи) \ грех (\ дельта) \ соз (\ бета) & + \ грех (\ дельта) \ соз (\ фи) \ грех (\ beta) \ cos (\ gamma) + \ cos (\ phi) \ cos (\ delta) \ cos (\ beta) \ cos (h) \\ & - \ cos (\ delta) \ sin (\ phi) \ sin (\ beta) \ cos (\ gamma) \ cos (h) - \ cos (\ delta) \ sin (\ beta) \ sin (\ gamma) \ sin (h) \ end {align}}}$

где β - угол от горизонтали, а γ - азимутальный угол .

${\ displaystyle {\ overline {Q}} ^ {\ text {день}}}$, теоретическое среднесуточное облучение в верхней части атмосферы, где θ - полярный угол орбиты Земли, θ = 0 в день весеннего равноденствия и θ = 90 ° в день летнего солнцестояния; φ - широта Земли. В расчетах принимались условия, подходящие для 2000 года нашей эры  : солнечная постоянная S ₀  = 1367 Вт · м ^-2 , наклон ε = 23,4398 °, долгота перигелия ϖ = 282,895 °, эксцентриситет e  = 0,016704. Метки контуров (зеленые) указаны в единицах Вт ^· м ⁻² .

Отделение Земли от Солнца может быть обозначено R _E, а среднее расстояние может быть обозначено R ₀ , приблизительно 1 астрономическая единица (AU). Солнечная постоянная обозначается S ₀ . Плотность солнечного потока (инсоляция) на плоскости, касательной к сфере Земли, но над основной частью атмосферы (высота 100 км или более), составляет:

${\displaystyle Q={\begin{cases}S_{o}{\frac {R_{o}^{2}}{R_{E}^{2}}}\cos(\Theta )&\cos(\Theta )>0\\0&\cos(\Theta )\leq 0\end{cases}}}$

Среднее значение Q за день - это среднее значение Q за один оборот или часовой угол от h  = π до h  = −π:

${\displaystyle {\overline {Q}}^{\text{day}}=-{\frac {1}{2\pi }}{\int _{\pi }^{-\pi }Q\,dh}}$

Пусть h ₀ будет часовым углом, когда Q станет положительным. Это могло произойти на восходе солнца, когда или при h ₀ как решение${\displaystyle \Theta ={\tfrac {1}{2}}\pi }$

${\displaystyle \sin(\phi )\sin(\delta )+\cos(\phi )\cos(\delta )\cos(h_{o})=0\,}$

или же

${\displaystyle \cos(h_{o})=-\tan(\phi )\tan(\delta )}$

Если tan (φ) tan (δ)> 1, то солнце не заходит и солнце уже встало в точке h  = π, поэтому h _o  = π. Если tan (φ) tan (δ) <−1, солнце не встает и .${\displaystyle {\overline {Q}}^{\text{day}}=0}$

${\displaystyle {\frac {R_{o}^{2}}{R_{E}^{2}}}}$ почти постоянна в течение дня и может быть вынесена за пределы интеграла

${\displaystyle {\begin{aligned}\int _{\pi }^{-\pi }Q\,dh&=\int _{h_{o}}^{-h_{o}}Q\,dh\\&=S_{o}{\frac {R_{o}^{2}}{R_{E}^{2}}}\int _{h_{o}}^{-h_{o}}\cos(\Theta )\,dh\\&=S_{o}{\frac {R_{o}^{2}}{R_{E}^{2}}}\left[h\sin(\phi )\sin(\delta )+\cos(\phi )\cos(\delta )\sin(h)\right]_{h=h_{o}}^{h=-h_{o}}\\&=-2S_{o}{\frac {R_{o}^{2}}{R_{E}^{2}}}\left[h_{o}\sin(\phi )\sin(\delta )+\cos(\phi )\cos(\delta )\sin(h_{o})\right]\end{aligned}}}$

Следовательно:

${\displaystyle {\overline {Q}}^{\text{day}}={\frac {S_{o}}{\pi }}{\frac {R_{o}^{2}}{R_{E}^{2}}}\left[h_{o}\sin(\phi )\sin(\delta )+\cos(\phi )\cos(\delta )\sin(h_{o})\right]}$

Пусть θ - условный полярный угол, описывающий орбиту планеты . Пусть θ  = 0 в день весеннего равноденствия . Склонение δ как функция орбитальной позиции ^{[12] [13]}

${\displaystyle \delta =\varepsilon \sin(\theta )}$

где ε - угол наклона . Условная долгота перигелия ϖ определяется относительно точки весеннего равноденствия, поэтому для эллиптической орбиты:

${\displaystyle R_{E}={\frac {R_{o}}{1+e\cos(\theta -\varpi )}}}$

или же

${\displaystyle {\frac {R_{o}}{R_{E}}}={1+e\cos(\theta -\varpi )}}$

Зная ϖ, ε и e из астродинамических расчетов ^[14] и S _o из консенсуса наблюдений или теории, можно вычислить для любой широты φ и θ. Из - за эллиптической орбите, и , как следствие второго закона Кеплера , θ не развивается равномерно с течением времени. Тем не менее, θ  = 0 ° - это точно время весеннего равноденствия, θ  = 90 ° - точно время летнего солнцестояния, θ  = 180 ° - точно время осеннего равноденствия и θ  = 270 ° - точно время зимнее солнцестояние.${\displaystyle {\overline {Q}}^{\text{day}}}$

Упрощенное уравнение освещенности в данный день: ^[15]

${\displaystyle Q\approx S_{0}\left(1+0.034\cos \left(2\pi {\frac {n}{365.25}}\right)\right)}$

где n - номер дня в году.

Вариант [ править ]

Полная солнечная радиация (TSI) ^[16] медленно изменяется в десятилетних и более длительных временных масштабах. Вариация во время 21 солнечного цикла составила около 0,1% (от пика к пику). ^[17] В отличие от более старых реконструкций, ^[18] самые последние реконструкции TSI указывают на увеличение только примерно от 0,05% до 0,1% между минимумом Маундера и настоящим. ^{[19] [20] [21]} Ультрафиолетовое излучение (EUV) варьируется примерно на 1,5 процента от солнечных максимумов до минимумов для длин волн от 200 до 300 нм. ^[22] Однако косвенное исследование показало, что УФ-излучение увеличилось на 3,0% после минимума Маундера. ^[23]

Некоторые вариации инсоляции связаны не с солнечными изменениями, а скорее с движением Земли между перигелием и афелием или изменениями в широтном распределении излучения. Эти орбитальные изменения или циклы Миланковича вызвали колебания яркости на целых 25% (локально; глобальные средние изменения намного меньше) в течение длительных периодов. Самым недавним значительным событием был наклон оси на 24 ° во время бореального лета вблизи климатического оптимума голоцена . Получение временного ряда для определенного времени года и определенной широты является полезным приложением в теории циклов Миланковича. Например, в день летнего солнцестояния склонение δ равно наклону ε. Расстояние от солнца${\displaystyle {\overline {Q}}^{\mathrm {day} }}$

${\displaystyle {\frac {R_{o}}{R_{E}}}=1+e\cos(\theta -\varpi )=1+e\cos \left({\frac {\pi }{2}}-\varpi \right)=1+e\sin(\varpi )}$

Для этого расчета летнего солнцестояния роль эллиптической орбиты полностью заключена в важном продукте , индексе прецессии , вариация которого доминирует над вариациями инсоляции на 65 ° с.ш., когда эксцентриситет большой. В течение следующих 100000 лет, при относительно небольших вариациях эксцентриситета, преобладают вариации наклона.${\displaystyle e\sin(\varpi )}$ 

Измерение [ править ]

Космический отчет TSI включает измерения более чем десяти радиометров за три цикла солнечной активности. Все современные спутниковые приборы TSI используют радиометрию электрического замещения с активным резонатором . В этом методе применяется измеренный электрический нагрев, чтобы поддерживать поглощающую почерневшую полость в тепловом равновесии, пока падающий солнечный свет проходит через прецизионную апертуру калиброванной области. Диафрагма регулируется заслонкой . Неопределенность точности <0,01% требуется для обнаружения долговременных изменений солнечной освещенности, поскольку ожидаемые изменения находятся в диапазоне 0,05–0,15  Вт / м ² за столетие. ^[24]

Межвременная калибровка [ править ]

На орбите радиометрические калибровки смещаются по причинам, включая солнечную деградацию полости, электронную деградацию нагревателя, деградацию поверхности прецизионной апертуры и различные поверхностные выбросы и температуры, которые изменяют тепловой фон. Эти калибровки требуют компенсации для сохранения согласованных измерений. ^[24]

По разным причинам источники не всегда соглашаются. Эксперимент по солнечной радиации и климату / Измерение общей освещенности ( SORCE / TIM) Значения TSI ниже, чем предыдущие измерения, проведенные в рамках эксперимента с бюджетом радиометра Земли (ERBE) на спутнике оценки радиационного баланса Земли (ERBS), VIRGO на солнечной гелиосферной обсерватории (SoHO) и инструменты ACRIM на спутнике Solar Maximum Mission (SMM), спутнике исследования верхних слоев атмосферы (UARS) и ACRIMSAT . Перед запуском наземные калибровки основывались на измерениях на уровне компонентов, а не на уровне системы, поскольку эталоны освещенности не обладали абсолютной точностью. ^[24]

Стабильность измерений предполагает воздействие на разные полости радиометра различных скоплений солнечной радиации для количественной оценки эффектов деградации, зависящих от экспозиции. Эти эффекты затем компенсируются в окончательных данных. Частичное совпадение наблюдений позволяет вносить поправки как на абсолютные смещения, так и на подтверждение инструментальных смещений. ^[24]

Погрешности отдельных наблюдений превышают изменчивость освещенности (∼0,1%). Таким образом, для вычисления реальных изменений необходимы стабильность прибора и непрерывность измерений.

Долговременные дрейфы радиометров могут быть ошибочно приняты за колебания освещенности, которые могут быть ошибочно интерпретированы как влияющие на климат. Примеры включают проблему увеличения освещенности между минимумами цикла в 1986 и 1996 годах, очевидными только в композите ACRIM (но не в модели), и низкие уровни освещенности в композите PMOD во время минимума 2008 года.

Несмотря на то, что все ACRIM I, ACRIM II, ACRIM III, VIRGO и TIM отслеживают деградацию с избыточными полостями, заметные и необъяснимые различия остаются в освещенности и смоделированном влиянии солнечных пятен и факелов .

Постоянные несоответствия [ править ]

Несогласие между перекрывающимися наблюдениями указывает на неразрешенные дрейфы, которые предполагают, что запись TSI недостаточно стабильна, чтобы различать солнечные изменения в десятилетних временных масштабах. Только композит ACRIM показывает увеличение освещенности на ~ 1  Вт / м ^{2 в}  период с 1986 по 1996 год; это изменение также отсутствует в модели. ^[24]

Рекомендации по устранению несоответствий приборов включают проверку точности оптических измерений путем сравнения наземных приборов с лабораторными эталонами, например, в Национальном институте науки и технологий (NIST); При проверке NIST калибровки площади апертуры используются запасные части от каждого прибора; и применение дифракционных поправок от диафрагмы ограничения обзора. ^[24]

Для ACRIM NIST определил, что дифракция от диафрагмы, ограничивающей обзор, дает сигнал 0,13%, который не учитывается в трех приборах ACRIM. Эта поправка снижает сообщаемые значения ACRIM, приближая ACRIM к TIM. В ACRIM и всех других инструментах, кроме TIM, апертура находится глубоко внутри инструмента, с большей апертурой, ограничивающей обзор, спереди. В зависимости от дефектов кромки свет может рассеиваться прямо в полость. Эта конструкция пропускает в переднюю часть прибора в два-три раза больше света, чем должно быть измерено; если он не полностью поглощается или рассеивается, этот дополнительный свет дает ошибочно высокие сигналы. В отличие от этого, в конструкции TIM прецизионная апертура расположена спереди, так что проникает только желаемый свет. ^[24]

Вариации из других источников, вероятно, включают годовую систематику в данных ACRIM III, которая почти совпадает по фазе с расстоянием Солнце-Земля, и 90-дневные всплески в данных VIRGO, совпадающие с маневрами космического корабля SoHO, которые были наиболее заметны во время солнечного минимума 2008 года.

TSI Radiometer Facility [ править ]

Высокая абсолютная точность TIM открывает новые возможности для измерения климатических переменных. TSI Radiometer Facility (TRF) - это криогенный радиометр , работающий в вакууме с контролируемыми источниками света. L-1 Standards and Technology (LASP) спроектировала и построила систему, завершенную в 2008 году. Она была откалибрована для оптической мощности по первичному оптическому ваттному радиометру NIST, криогенному радиометру, который поддерживает шкалу мощности излучения NIST с погрешностью 0,02% ( 1 σ ). По состоянию на 2011 г. TRF была единственной установкой, которая приблизилась к желаемой погрешности <0,01% для проверки перед запуском солнечных радиометров, измеряющих энергетическую освещенность (а не просто оптическую мощность) на уровнях солнечной энергии и в условиях вакуума. ^[24]

TRF включает как эталонный радиометр, так и тестируемый прибор в общую вакуумную систему, которая содержит стационарный, пространственно однородный освещающий луч. Прецизионная апертура с площадью, откалиброванной до 0,0031% (1 σ ), определяет измеряемую часть луча. Прецизионная апертура тестового прибора расположена в том же месте, без оптического изменения луча, для прямого сравнения с эталоном. Переменная мощность луча обеспечивает диагностику линейности, а переменный диаметр луча диагностирует рассеяние от различных компонентов прибора. ^[24]

Абсолютные шкалы полетных приборов Glory / TIM и PICARD / PREMOS теперь прослеживаются до TRF как по оптической мощности, так и по освещенности. В результате высокая точность снижает последствия любого будущего разрыва в данных о солнечной радиации. ^[24]

Переоценка 2011 г. [ править ]

Наиболее вероятное значение TSI, представляющее солнечный минимум, составляет 1 360 0,9 ± 0,5 Вт / м ² , ниже , чем ранее принятое значение1 365 0,4 ± 1,3 Вт / м ² , установленный в 1990 - е годы. Новое значение было получено на основе SORCE / TIM и радиометрических лабораторных испытаний. Рассеянный свет является основной причиной более высоких значений освещенности, измеренных более ранними спутниками, в которых прецизионная апертура расположена за большей апертурой, ограничивающей обзор. TIM использует ограничивающую обзор диафрагму, которая меньше, чем прецизионная диафрагма, что предотвращает появление паразитного сигнала. Новая оценка основана на более точных измерениях, а не на изменении солнечной энергии. ^[24]

Основанное на регрессионной модели разделение относительной доли солнечных пятен и факультативных влияний по данным SORCE / TIM составляет 92% наблюдаемой дисперсии и отслеживает наблюдаемые тенденции с точностью до полосы стабильности TIM. Это согласие является дополнительным свидетельством того, что вариации TSI в основном связаны с магнитной активностью солнечной поверхности. ^[24]

Неточности приборов добавляют значительную неопределенность в определении энергетического баланса Земли . Согласно различным измерениям (во время глубокого солнечного минимума 2005–2010 гг.) Энергетический дисбаланс+0,58 ± 0,15 Вт / м ² , ^[25] +0,60 ± 0,17 Вт / м ^{2 [26]} и+0,85 Вт / м ² . Оценка по космическим измерениям составляет + 3–7  Вт / м ² . Более низкое значение TSI SORCE / TIM уменьшает это расхождение на 1  Вт / м ² . Эта разница между новым более низким значением TIM и более ранними измерениями TSI соответствует климатическому воздействию -0,8  Вт / м ² , что сопоставимо с энергетическим дисбалансом. ^[24]

Переоценка 2014 г. [ править ]

В 2014 году был разработан новый композит ACRIM с использованием обновленной записи ACRIM3. Он добавил поправки на рассеяние и дифракцию, обнаруженные во время недавних испытаний в TRF, и два обновления алгоритма. Обновления алгоритма более точно учитывают тепловое поведение прибора и анализ данных цикла затвора. Они исправили компонент квазигодового паразитного сигнала и увеличили отношение сигнал / шум , соответственно. Чистый эффект этих исправлений снизил среднее значение ACRIM3 TSI, не повлияв на тенденции в ACRIM Composite TSI. ^[27]

Различия между ACRIM и PMOD УПТОМ композитами очевидны, но наиболее важным являются солнечными тенденциями минимального до-минимума в течение солнечных циклов 21 - 23 . ACRIM обнаружил увеличение на + 0,037% за десятилетие с 1980 по 2000 год, а затем снижение. Вместо этого PMOD демонстрирует устойчивое снижение с 1978 года. Существенные различия также можно увидеть во время пика 21-го и 22-го солнечных циклов. Они возникают из-за того, что ACRIM использует исходные результаты TSI, опубликованные группами спутниковых экспериментов, в то время как PMOD значительно изменяет некоторые результаты, чтобы соответствовать их конкретным моделям прокси TSI. Последствия увеличения TSI во время глобального потепления в последние два десятилетия 20-го века заключаются в том, что солнечное воздействие может быть незначительно более значительным фактором изменения климата, чем представлено вКлиматические модели общей циркуляции CMIP5 . ^[27]

Освещенность на поверхности Земли [ править ]

Средняя годовая солнечная радиация, достигающая верхних слоев атмосферы Земли, составляет примерно 1361  Вт / м ² . ^[28] Солнечные лучи ослабляются по мере прохождения через атмосферу , оставляя максимальную нормальную поверхностную освещенность примерно на уровне 1000  Вт / м ² на уровне моря в ясный день. Когда 1361 Вт / м ² прибывает над атмосферой (когда солнце находится в зените в безоблачном небе), прямое солнце составляет около 1050 Вт / м ² , а общая радиация на горизонтальной поверхности на уровне земли составляет около 1120 Вт / м ² . ^[29]Последний показатель включает излучение, рассеянное или повторно испущенное атмосферой и окружающей средой. Фактическая цифра зависит от угла наклона Солнца и атмосферных условий. Без учета облаков среднесуточная инсоляция для Земли составляет примерно 6 кВтч / м ² = 21,6 МДж / м ² .

Среднее годовое солнечное излучение, достигающее верхних слоев атмосферы Земли (1361  Вт / м ² ), представляет собой мощность на единицу площади солнечного излучения на сферической поверхности, окружающей Солнце с радиусом, равным расстоянию до Земли (1 а.е. ). Это означает, что примерно круглый диск Земли, если смотреть со стороны Солнца, постоянно получает примерно стабильную 1361 Вт / м ² . Площадь этого круглого диска равна π r ² , где r - радиус Земли. Поскольку Земля приблизительно сферическая, ее общая площадь  ${\displaystyle 4\pi r^{2}}$Это означает, что солнечное излучение, достигающее верхних слоев атмосферы, усредненное по всей поверхности Земли, просто делится на четыре, чтобы получить 340  Вт / м ² . Другими словами, в среднем за год и день атмосфера Земли получает от Солнца 340  Вт / м ² . Этот показатель важен при радиационном воздействии .

Мощность, например, фотоэлектрической панели частично зависит от угла наклона солнца относительно панели. Одно Солнце - это единица потока мощности , а не стандартное значение для реальной инсоляции. Иногда эту единицу называют сол, не путать с солом , что означает один солнечный день . ^[30]

Поглощение и отражение [ править ]

Часть излучения, достигающего объекта, поглощается, а остальная часть отражается. Обычно поглощенное излучение преобразуется в тепловую энергию , повышая температуру объекта. Однако искусственные или природные системы могут преобразовывать часть поглощенного излучения в другую форму, такую ​​как электричество или химические связи , как в случае фотоэлектрических элементов или растений . Доля отраженного излучения - это отражательная способность или альбедо объекта .

Эффект проекции [ править ]

Инсоляция на поверхность является наибольшей, когда поверхность обращена прямо к солнцу (перпендикулярно ему). По мере того, как угол между поверхностью и Солнцем перемещается от нормали, инсоляция уменьшается пропорционально косинусу угла ; увидеть влияние солнечного угла на климат .

На рисунке показан угол между землей и солнечным лучом, а не между вертикальным направлением и солнечным лучом; следовательно, подходит синус, а не косинус. Солнечный луч шириной в одну милю падает прямо над головой, а другой под углом 30 ° к горизонтали. Синус от угла 30 ° равен 1/2, в то время как синус угла 90 ° равен 1. Таким образом, угловой Sunbeam распространяет свет более чем вдвое область. Следовательно, на каждую квадратную милю падает вдвое меньше света.

Этот эффект проекции является основной причиной того, что полярные регионы Земли намного холоднее экваториальных . В среднем за год полюса получают меньше инсоляции, чем экватор, потому что полюса всегда наклонены под большим углом от солнца, чем тропики, и, более того, не получают инсоляции вообще в течение шести месяцев соответствующих им зим.

Эффект поглощения [ править ]

Под меньшим углом свет также должен проходить через большую часть атмосферы. Это ослабляет его (за счет поглощения и рассеяния), дополнительно уменьшая инсоляцию на поверхности.

Затухание регулируется законом Бера-Ламберта , а именно, что коэффициент пропускания или доля инсоляции, достигающей поверхности, экспоненциально уменьшается в оптической толщине или поглощении (эти два понятия отличаются только постоянным коэффициентом ln (10) = 2,303 ) пути инсоляции через атмосферу. Для любой заданной короткой длины пути оптическая толщина пропорциональна количеству поглотителей и рассеивателей на этой длине, обычно увеличиваясь с уменьшением высоты. Тогда оптическая толщина всего пути представляет собой интеграл (сумму) этих оптических глубин вдоль пути.

Когда плотность поглотителей многослойная, то есть она гораздо больше зависит от вертикального, чем от горизонтального положения в атмосфере, в хорошем приближении оптическая глубина обратно пропорциональна эффекту проекции, то есть косинусу зенитного угла. Поскольку коэффициент пропускания экспоненциально уменьшается с увеличением оптической глубины, по мере приближения Солнца к горизонту наступает момент, когда поглощение преобладает над проекцией до конца дня. При относительно высоком уровне поглотителей это может быть значительная часть позднего вечера, а также раннего утра. И наоборот, при (гипотетическом) полном отсутствии поглощения оптическая толщина остается нулевой на всех высотах Солнца, то есть коэффициент пропускания остается равным 1, и поэтому применяется только эффект проекции.

Карты солнечного потенциала [ править ]

Оценка и картирование солнечного потенциала на глобальном, региональном и национальном уровнях были предметом значительного научного и коммерческого интереса. Одной из первых попыток проведения комплексного картирования солнечного потенциала для отдельных стран был проект оценки ресурсов солнечной и ветровой энергии (SWERA) ^[31], финансируемый Программой Организации Объединенных Наций по окружающей среде и осуществляемый Национальной лабораторией возобновляемой энергии США . Другие примеры включают глобальное картирование Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства и других аналогичных институтов, многие из которых доступны в Глобальном атласе возобновляемых источников энергии, предоставленном Международным агентством по возобновляемым источникам энергии.. В настоящее время существует ряд коммерческих фирм, которые предоставляют данные о солнечных ресурсах разработчикам солнечной энергии, включая 3E, Clean Power Research, SoDa Solar Radiation Data, Solargis, Vaisala (ранее 3Tier) и Vortex, и эти фирмы часто предоставляют карты солнечного потенциала для свободный. В январе 2017 года Всемирный банк запустил Глобальный солнечный атлас с использованием данных, предоставленных Solargis, чтобы обеспечить единый источник высококачественных данных о солнечной энергии, карт и слоев ГИС, охватывающих все страны.

• Карты потенциала GHI по регионам и странам (Примечание: цвета на картах не совпадают)
• К югу от Сахары

• Латинская Америка и Карибский бассейн

• Китай

• Индия

• Мексика

• Южная Африка

Карты солнечной радиации строятся с использованием баз данных, полученных из спутниковых изображений, например, с использованием изображений в видимой области спектра со спутника Meteosat Prime. К изображениям применяется метод определения солнечной радиации.

Приложения [ править ]

Солнечная энергия [ править ]

Цифры солнечной радиации используются для планирования развертывания систем солнечной энергии . ^[32] Во многих странах цифры могут быть получены из карты инсоляции или из таблиц инсоляции, которые отражают данные за предыдущие 30–50 лет. Различные технологии солнечной энергетики могут использовать разные составляющие общего облучения. В то время как солнечные фотоэлектрические панели могут преобразовывать в электричество как прямое, так и диффузное излучение, концентрированная солнечная энергия может эффективно работать только при прямом облучении, что делает эти системы пригодными только в местах с относительно низкой облачностью.

Поскольку панели солнечных коллекторов почти всегда устанавливаются под углом ^[33] к солнцу, инсоляция должна быть скорректирована, чтобы не допустить, чтобы оценки были неточно низкими для зимы и неточно высокими для лета. ^[34] Это также означает, что количество солнца, падающего на солнечную панель на высоких широтах, не так мало по сравнению с солнечным светом на экваторе, как могло бы показаться при простом рассмотрении инсоляции на горизонтальной поверхности.

Фотоэлектрические панели оцениваются в стандартных условиях для определения рейтинга Wp (пиковой мощности) ^[35], который затем можно использовать с инсоляцией для определения ожидаемого выхода, скорректированного такими факторами, как наклон, трекинг и затенение (которые могут быть включены для создания установленный рейтинг Wp). ^[36] Значения инсоляции колеблются от 800–950  кВтч / (кВт · ч · год) в Норвегии до 2 900  кВт · ч / (кВт · год) в Австралии .

Здания [ править ]

В строительстве инсоляция является важным фактором при проектировании здания для конкретного участка. ^[37]

Эффект проекции можно использовать для проектирования зданий, в которых летом прохладно, а зимой тепло, за счет создания вертикальных окон на стороне здания, обращенной к экватору (южная сторона в северном полушарии или северная сторона в южном полушарии ). : это увеличивает инсоляцию в зимние месяцы, когда Солнце находится низко в небе, и минимизирует ее летом, когда Солнце находится высоко. ( Северный / южный путь Солнца по небу охватывает 47 ° в течение года).

Гражданское строительство [ править ]

В гражданском строительстве и гидрологии в численных моделях стока талых вод используются наблюдения за инсоляцией. Это позволяет оценить скорость выхода воды из тающего снежного покрова. Измерение поля осуществляется с помощью пиранометра .

Климатические исследования [ править ]

Облучение играет важную роль в моделировании климата и прогнозировании погоды . Ненулевое среднее глобальное чистое излучение в верхней части атмосферы указывает на тепловое неравновесие Земли, вызванное воздействием климата .

Влияние более низкого значения TSI 2014 г. на климатические модели неизвестно. Изменение абсолютного уровня TSI на несколько десятых процента обычно считается минимальным последствием для моделирования климата. Новые измерения требуют корректировки параметров климатической модели.

Эксперименты с GISS Model 3 исследовали чувствительность характеристик модели к абсолютному значению TSI в настоящую и доиндустриальную эпоху и описывали, например, как уменьшение освещенности распределяется между атмосферой и поверхностью и влияние на исходящую радиацию. ^[24]

Оценка воздействия долгосрочных изменений освещенности на климат требует большей стабильности прибора ^{[24] в} сочетании с надежными глобальными наблюдениями за температурой поверхности для количественной оценки процессов реакции климата на радиационное воздействие в масштабах десятилетий. Наблюдаемое увеличение освещенности на 0,1% дает климатическое воздействие на 0,22  Вт / м ² , что предполагает переходную реакцию климата на 0,6 ° C на Вт / м ² . Этот отклик в 2 или более раз больше, чем в моделях 2008 года, оцененных МГЭИК, и, возможно, проявляется в поглощении тепла моделями океаном. ^[24]

Пробел [ править ]

Инсоляция - это основная переменная, влияющая на равновесную температуру в конструкции космических аппаратов и планетологии .

Измерение солнечной активности и освещенности - важная проблема для космических путешествий. Например, американское космическое агентство NASA запустило спутник « Эксперимент по солнечной радиации и климату» (SORCE) с мониторами солнечной освещенности . ^[1]

См. Также [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме инсоляции .

Ссылки [ править ]

Библиография [ править ]

• Уилсон, Ричард С .; HS Хадсон (1991). «Светимость Солнца за полный солнечный цикл». Природа . 351 (6321): 42–4. Bibcode : 1991Natur.351 ... 42W . DOI : 10.1038 / 351042a0 . S2CID  4273483 .
• «Солнце и климат» . Информационный бюллетень Геологической службы США 0095-00 . Проверено 21 февраля 2005 .
• Фукал, Питер; и другие. (1977). «Влияние солнечных пятен и факелов на солнечную постоянную». Астрофизический журнал . 215 : 952. Bibcode : 1977ApJ ... 215..952F . DOI : 10.1086 / 155431 .
• Стетсон, HT (1937). Пятна и их последствия . Нью-Йорк: Макгроу Хилл.
• Яскелл, Стивен Хейвуд (31 декабря 2012 г.). Грандиозные фазы на Солнце: случай механизма, ответственного за протяженные солнечные минимумы и максимумы . Издательство Trafford Publishing. ISBN 978-1-4669-6300-9.

Внешние ссылки [ править ]

• Глобальный солнечный атлас - просматривайте или загружайте карты и слои данных ГИС (глобальные или по странам) долгосрочных средних данных солнечного излучения (опубликовано Всемирным банком, предоставлено Solargis)]
• Solcast - данные о солнечной радиации обновляются каждые 10–15 минут. Недавние, текущие, исторические и прогнозные, бесплатно для публичного использования
• Последние данные об общей солнечной радиации обновляются каждый понедельник.
• Солнечная карта Сан-Франциско
• Европейская комиссия - Интерактивные карты
• Вчерашняя карта солнечного излучения Австралии
• Солнечное излучение с помощью Google Maps
• SMARTS , программное обеспечение для расчета солнечной инсоляции для каждой даты / местоположения Земли [3]
• НАСА Приземная метеорология и солнечная энергия
• insol: пакет R для инсоляции на сложной местности
• Калькулятор инсоляции онлайн