Analiza promieniowania słonecznego
dochodzącego do powierzchni ziemi
w rejonie Podkarpacia.
dr Krzysztof Markowicz
Instytut Geofizyki, Uniwersytet Warszawski
[email protected]
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)
I
IA
Ta4
T4
I  Ta4  AI  T 4
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.
Download

Zakres prowadzonych obserwacji. 1. Podstawowe pomiary