Сонячне випромінювання є важливою метеорологічною змінною, яка служить для визначення кількості «тепла», яке ми отримаємо від сонця на земній поверхні. Ця кількість сонячної радіації змінюється внаслідок зміни клімату та утримання парникових газів.
Сонячна радіація може нагрівати поверхню землі та об'єктів (включаючи нас самих), ледь нагріваючи повітря. Крім того, ця змінна має вирішальне значення для оцінки наших зусиль у боротьбі зі зміною клімату. Хочете дізнатися все про сонячну радіацію?
Сонячне випромінювання проходить через атмосферу
Коли ми на пляжі в один із цих спекотних літніх днів, ми лягаємо поніжитися на сонечку. Чим довше ми залишаємося на рушниках, тим більше помічаємо, як наші тіла нагріваються, а температура підвищується, аж поки нам не потрібно скупатися або знайти тінь, бо ми обгораємо на сонці. Що ж тут сталося, якщо повітря не таке вже й гаряче? Сталося те, що сонячні промені пройшли крізь нашу атмосферу та нагріли наші тіла, суттєво не нагріваючи повітря.
Щось подібне до того, що відбувається з нами в цій ситуації, відбувається на Землі: атмосфера майже «прозора» для сонячного випромінювання, але поверхня Землі та інші тіла на ній поглинають його. Енергія, яку Сонце переносить на Землю, відома як промениста енергія або випромінювання. Випромінювання поширюється в космосі у вигляді хвиль, що несуть енергію. Залежно від кількості енергії, яку вони несуть, їх класифікують вздовж електромагнітного спектру. У нас є найенергійніші хвилі, такі як гамма-промені, рентгенівські та ультрафіолетові, а також ті, що мають меншу енергію, такі як інфрачервоне випромінювання, мікрохвилі та радіохвилі.
Всі тіла випромінюють випромінювання
Усі тіла випромінюють випромінювання відповідно до своєї температури. Це регулюється законом Стефана-Больцмана , який стверджує, що енергія, що випромінюється тілом, прямо пропорційна четвертому степеню його температури. Ось чому Сонце, палаючий шматок дерева, наші власні тіла і навіть шматок льоду безперервно випромінюють енергію.
Це спонукає нас поставити запитання: чому ми можемо «бачити» випромінювання, яке випромінює сонце або палаючий шматок дерева, але не випромінювання, яке випромінюємо ми самі, поверхня Землі або шматок льоду? Що ж, це значною мірою залежить від температури, якої досягає кожен об'єкт , а отже, від кількості енергії, яку він випромінює. Чим вища температура тіла, тим більшу кількість енергії воно випромінює у своїх хвилях, і тому воно стає більш видимим.
Сонце має температуру 6.000 К і випромінює радіацію переважно у видимому спектрі (зазвичай відоме як світлові хвилі). Воно також випромінює ультрафіолетове випромінювання (яке має більше енергії і тому обпікає нашу шкіру при тривалому впливі), а решта - інфрачервоне випромінювання, яке не сприймається людським оком. Ось чому ми не можемо сприймати випромінювання, яке випромінюють наші власні тіла. Температура людського тіла становить приблизно 37 градусів Цельсія, і випромінювання, яке воно випромінює, знаходиться переважно в інфрачервоному діапазоні.
Як працює сонячна радіація
Знання того, що об'єкти постійно випромінюють радіацію та енергію, ймовірно, породжує інше питання: чому об'єкти не охолоджуються поступово, якщо вони випромінюють енергію та радіацію? Відповідь проста: вони також поглинають енергію. Існує ще один закон, закон радіаційної рівноваги, який стверджує, що об'єкт випромінює таку ж кількість енергії, яку він поглинає. Ось чому об'єкти здатні підтримувати постійну температуру.
Таким чином, у нашій системі Земля-атмосфера відбувається низка процесів, під час яких енергія поглинається, випромінюється та відбивається, так що кінцевий баланс між випромінюванням, що досягає верхніх шарів атмосфери від Сонця, та тим, що виходить у космічний простір, дорівнює нулю. Це означає, що середньорічна температура залишається постійною. Коли сонячне випромінювання потрапляє на Землю, більша його частина поглинається поверхнею Землі. Дуже мала частина падаючого випромінювання поглинається хмарами та повітрям. Решта випромінювання відбивається від поверхні, газів та хмар і повертається у космічний простір.
Кількість випромінювання, відбитого об'єктом відносно падаючого випромінювання, відома як «альбедо». Тому можна сказати, що система Земля-атмосфера має середнє альбедо 30%. Свіжовипавший сніг або деякі купчасто-дощові хмари зі значним вертикальним розвитком мають альбедо близьке до 90%, тоді як пустелі мають близько 25%, а океани – близько 10% (поглинаючи майже все випромінювання, яке до них досягає).
Як ми вимірюємо випромінювання?
Для вимірювання сонячного випромінювання, яке ми отримуємо в певній точці, ми використовуємо пристрій, який називається піранометром. Цей пристрій складається з датчика, укладеного в прозору півсферу, яка пропускає все випромінювання з дуже короткими довжинами хвиль. Цей датчик має чергувані білі та чорні сегменти, які по-різному поглинають випромінювання. Температурний контраст між цими сегментами калібрується відповідно до потоку випромінювання (вимірюється у ватах на квадратний метр).
Оцінку кількості одержуваної нами сонячної радіації також можна отримати, вимірявши кількість сонячних годин, які ми маємо. Для цього ми використовуємо прилад, який називається геліограф. Це утворено скляною кулею, орієнтованою на географічний південь, яка діє як велике збільшувальне скло, що концентрує все випромінювання, отримане в точці розжарювання, яка спалює спеціальну паперову стрічку, градуйовану з годинним часом.
Сонячне випромінювання та посилення парникового ефекту
Ми раніше згадували, що кількість сонячної радіації, яка надходить на Землю та покидає її, однакова. Це не зовсім так, адже якби це було так, середня глобальна температура на нашій планеті становила б -88 градусів Цельсія. Нам потрібно щось, що допоможе нам утримувати тепло, щоб підтримувати комфортну та придатну для життя температуру, яка робить можливим життя на Землі. Саме тут і виникає парниковий ефект. Коли сонячна радіація потрапляє на поверхню Землі, вона відбиває майже половину її назад в атмосферу, перш ніж потрапити в космічний простір. Ми обговорювали, як хмари, повітря та інші атмосферні компоненти поглинають невелику частину сонячної радіації. Однак цієї поглиненої кількості недостатньо для підтримки стабільної температури, яка зробила б нашу планету придатною для життя. Як ми можемо жити за таких температур?
Парникові гази – це гази, які затримують частину тепла, що випромінюється поверхнею Землі, запобігаючи його поверненню в атмосферу. Прикладами парникових газів є водяна пара, вуглекислий газ (CO2), оксиди азоту, оксиди сірки та метан. Кожен парниковий газ має різну здатність поглинати сонячну радіацію. Чим більша його здатність поглинати радіацію, тим більше тепла він утримує та запобігає його виходу в космос.
Протягом усієї історії людства концентрація парникових газів (особливо CO2) неухильно зростала. Цей сплеск значною мірою зумовлений промисловою революцією та спалюванням викопного палива в промисловості, виробництві енергії та транспорті . Спалювання викопного палива, такого як нафта та вугілля, призводить до викидів CO2 та метану. Ці дедалі більші викиди затримують значну кількість сонячної радіації, запобігаючи її поверненню назад у космос.
Це відомо як парниковий ефект. Однак посилення цього ефекту, який ми називаємо парниковим ефектом, є контрпродуктивним , оскільки ми все більше підвищуємо середню глобальну температуру. Чим більша концентрація цих газів, що поглинають радіацію, в атмосфері, тим більше тепла вони утримуватимуть, а отже, тим вище підніматиметься температура.
Сонячна радіація та зміна клімату
Глобальне потепління відоме у всьому світі. Це підвищення температур через велике утримання сонячної радіації спричиняє зміну глобального клімату. Це не тільки означає, що середні температури на планеті будуть зростати, але що клімат і все, що за цим пов'язане, зміниться.
Підвищення температури спричиняє нестабільність повітряних потоків, океанічних мас, розподілу видів, зміни сезонів та збільшення кількості екстремальних погодних явищ (таких як посухи, повені, урагани тощо) . Тому, щоб стабільно відновити наш радіаційний баланс, ми повинні зменшити викиди парникових газів та відновити наш клімат.
