Zakres prowadzonych obserwacji. 1. Podstawowe pomiary
advertisement
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.
