Солнечное излучение

«Инсоляция» перенаправляется сюда. Не путать с изоляцией .

Глобальное распределение приходящей коротковолновой солнечной радиации, усредненное за 1981–2010 годы из набора данных CHELSA-BIOCLIM+.

Защитное влияние атмосферы Земли на солнечное излучение. Верхнее изображение — среднегодовое солнечное излучение (или инсоляция) в верхней части атмосферы Земли (TOA); нижнее изображение показывает годовую инсоляцию, достигающую поверхности Земли после прохождения через атмосферу. Оба изображения используют одну и ту же цветовую шкалу.

Солнечное излучение — это мощность на единицу площади ( поверхностная плотность мощности ), полученная от Солнца в виде электромагнитного излучения в диапазоне длин волн измерительного прибора. Солнечное излучение измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м). ² ) в единицах СИ .

Солнечное излучение часто интегрируется за определенный период времени, чтобы определить лучистую энергию, излучаемую в окружающую среду ( джоуль на квадратный метр, Дж/м). ² ) в течение этого периода времени. Это интегрированное солнечное излучение называется солнечным облучением , солнечным воздействием , солнечной инсоляцией или инсоляцией .

Излучение можно измерить в космосе или на поверхности Земли после атмосферного поглощения и рассеяния . Излучение в космосе является функцией расстояния от Солнца, солнечного цикла и изменений между циклами. Освещенность на поверхности Земли дополнительно зависит от наклона измерительной поверхности, высоты Солнца над горизонтом и атмосферных условий. Солнечное излучение влияет на метаболизм растений и поведение животных.

Исследование и измерение солнечного излучения имеют несколько важных применений, включая прогнозирование выработки энергии на солнечных электростанциях , отопительных и охлаждающих нагрузок зданий, моделирование климата и прогнозирование погоды, пассивное дневное радиационное охлаждение и космические путешествия.

Типы

Глобальная карта глобальной горизонтальной радиации

Глобальная карта прямого нормального излучения

Существует несколько измеряемых типов солнечного излучения.

• Полное солнечное излучение (TSI) — это мера солнечной энергии Земли по всем длинам волн на единицу площади, падающей на верхние слои атмосферы . Он измеряется перпендикулярно падающему солнечному свету. Солнечная постоянная — это общепринятая мера среднего значения TSI на расстоянии одной астрономической единицы (а.е.).
• Прямое нормальное излучение (DNI) , или лучевое излучение , измеряется на поверхности Земли в заданном месте с элементом поверхности, перпендикулярным направлению Солнца. Он исключает диффузное 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 света через атмосферу в зависимости от угла возвышения Солнца ), облачности , содержания влаги и другого содержимого . Облученность 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.
• Диффузное горизонтальное излучение (DHI) , или диффузное излучение неба, — это излучение на поверхности Земли света, рассеянного атмосферой. Он измеряется на горизонтальной поверхности с излучением, исходящим из всех точек неба, за исключением околосолнечного излучения (излучения, исходящего от солнечного диска). В отсутствие атмосферы DHI почти не было бы.
• Глобальное горизонтальное излучение (GHI) — это общее излучение Солнца на горизонтальную поверхность Земли. Это сумма прямой радиации (после учета зенитного угла Солнца z ) и диффузной горизонтальной радиации:

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

• Глобальное наклонное излучение (GTI) — это общее излучение, получаемое на поверхности с определенным наклоном и азимутом, фиксированным или отслеживающим Солнце. GTI можно измерить или смоделировано на основе GHI, DNI, DHI. Часто это относится к фотоэлектрическим электростанциям , при этом фотоэлектрические модули монтируются на стационарных или подвижных конструкциях.
• Глобальное нормальное излучение (GNI) — это общее излучение Солнца на поверхность Земли в данном месте с элементом поверхности, перпендикулярным Солнцу.

Единицы

Единица освещенности в системе СИ — ватты на квадратный метр (Вт/м). ² = Втм ⁻² ). Единицей инсоляции, часто используемой в солнечной энергетике , является киловатт-час на квадратный метр (кВтч/м2). ² ).

Лэнгли — альтернативная единица измерения инсоляции. Один Лэнгли — это одна термохимическая калория на квадратный сантиметр или 41 840   Дж/м. ² .

Облучение верхних слоев атмосферы

Сферический треугольник для применения сферического закона косинусов для расчета зенитного угла Солнца Θ для наблюдателя на широте φ и долготе λ на основе знания часового угла h и солнечного склонения δ . ( δ — широта подсолнечной точки, h — относительная долгота подсолнечной точки).

Среднегодовая солнечная радиация, достигающая верхних слоев атмосферы Земли, составляет около 1361   Вт/м. ² . Это представляет собой мощность солнечного излучения на единицу площади сферической поверхности, окружающей Солнце, с радиусом, равным расстоянию до Земли (1   а.е. ). Это означает, что приблизительно круглый диск Земли, если смотреть со стороны Солнца, получает примерно стабильную мощность 1361   Вт/м. ² всегда. Площадь этого круглого диска равна π r ² , где r — радиус Земли. Поскольку Земля имеет приблизительно сферическую форму , ее общая площадь $4\pi r^{2}$Это означает, что солнечная радиация, достигающая верхних слоев атмосферы, усредненная по всей поверхности Земли, просто делится на четыре, чтобы получить 340   Вт/м. ² . Другими словами, в среднем за год и сутки атмосфера Земли получает 340   Вт/м2. ² от Солнца. Эта цифра важна для радиационного воздействия .

Вывод

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

Распределение основано на фундаментальном тождестве сферической тригонометрии — сферическом законе косинусов : $$\cos(c)=\cos(a)\cos(b)+\sin(a)\sin(b)\cos(C)$$где a , b и c — длины дуг в радианах сторон сферического треугольника. C — угол в вершине, противоположной стороне, имеющей длину дуги c . Применительно к расчету зенитного угла Солнца Θ к сферическому закону косинусов применяется следующее: $${\begin{aligned}C&=h\\c&=\Theta \\a&={\tfrac {1}{2}}\pi -\varphi \\b&={\tfrac {1}{2}}\pi -\delta \\\cos(\Theta )&=\sin(\varphi )\sin(\delta )+\cos(\varphi )\cos(\delta )\cos(h)\end{aligned}}$$

Это уравнение также можно вывести из более общей формулы: $${\begin{aligned}\cos(\Theta )=\sin(\varphi )\sin(\delta )\cos(\beta )&+\sin(\delta )\cos(\varphi )\sin(\beta )\cos(\gamma )+\cos(\varphi )\cos(\delta )\cos(\beta )\cos(h)\\&-\cos(\delta )\sin(\varphi )\sin(\beta )\cos(\gamma )\cos(h)-\cos(\delta )\sin(\beta )\sin(\gamma )\sin(h)\end{aligned}}$$где β — угол от горизонтали, а γ — азимутальный угол .

${\overline {Q}}^{\text{day}}$, теоретическое среднесуточное облучение в верхних слоях атмосферы, где θ — полярный угол орбиты Земли, θ = 0 в мартовское равноденствие и θ = 90° в июньское солнцестояние; φ – широта Земли. В расчетах принимались условия, соответствующие 2000 году   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 Вт·м. ⁻² .

Расстояние между Землей и Солнцем можно обозначить R _E , а среднее расстояние можно обозначить R ₀ , что составляет примерно 1 астрономическую единицу (а.е.). Солнечная постоянная обозначается S ₀ . Плотность солнечного потока (инсоляции) на плоскость, касательную к сфере Земли, но над основной частью атмосферы (высота 100 км и выше): $$Q={\begin{cases}S_{o}{\frac {R_{o}^{2}}{R_{E}^{2}}}\cos(\Theta )&\cos(\Theta )>0\\0&\cos(\Theta )\leq 0\end{cases}}$$

Среднее значение Q за день — это среднее значение Q за один оборот или часовой угол , прогрессирующий от h = π до h = −π : $${\overline {Q}}^{\text{day}}=-{\frac {1}{2\pi }}{\int _{\pi }^{-\pi }Q\,dh}$$

Пусть h ₀ будет часовым углом, когда Q станет положительным. Это могло произойти на восходе солнца, когда $\Theta ={\tfrac {1}{2}}\pi$, или для h ₀ как решение $$\sin(\varphi )\sin(\delta )+\cos(\varphi )\cos(\delta )\cos(h_{o})=0$$или $$\cos(h_{o})=-\tan(\varphi )\tan(\delta )$$

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

${\frac {R_{o}^{2}}{R_{E}^{2}}}$ практически постоянен в течение суток и может быть вынесен за пределы интеграла

$${\begin{aligned}\int _{\pi }^{-\pi }Q\,dh&=\int _{h_{o}}^{-h_{o}}Q\,dh\\[5pt]&=S_{o}{\frac {R_{o}^{2}}{R_{E}^{2}}}\int _{h_{o}}^{-h_{o}}\cos(\Theta )\,dh\\[5pt]&=S_{o}{\frac {R_{o}^{2}}{R_{E}^{2}}}{\Bigg [}h\sin(\varphi )\sin(\delta )+\cos(\varphi )\cos(\delta )\sin(h){\Bigg ]}_{h=h_{o}}^{h=-h_{o}}\\[5pt]&=-2S_{o}{\frac {R_{o}^{2}}{R_{E}^{2}}}\left[h_{o}\sin(\varphi )\sin(\delta )+\cos(\varphi )\cos(\delta )\sin(h_{o})\right]\end{aligned}}$$

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

Пусть θ — условный полярный угол, описывающий орбиту планеты . Пусть θ = 0 в мартовское равноденствие . Склонение как δ функция орбитального положения равно $$\delta =\varepsilon \sin(\theta )$$где ε — наклон . (Примечание. Правильная формула, действительная для любого осевого наклона, выглядит так: $\sin(\delta )=\sin(\varepsilon )\sin(\theta )$. ) Условная долгота перигелия ϖ определяется относительно мартовского равноденствия, поэтому для эллиптической орбиты: $$R_{E}={\frac {R_{o}(1-e^{2})}{1+e\cos(\theta -\varpi )}}$$или $${\frac {R_{o}}{R_{E}}}={\frac {1+e\cos(\theta -\varpi )}{1-e^{2}}}$$

Зная ϖ , ε и e из астродинамических расчетов и S _o на основании консенсуса наблюдений или теории, ${\overline {Q}}^{\text{day}}$можно рассчитать для любой широты φ и θ . Из-за эллиптической орбиты и как следствие Кеплера второго закона θ не прогрессирует равномерно со временем. Тем не менее, θ = 0° — это точно время мартовского равноденствия, θ = 90° — это точно время июньского солнцестояния, θ = 180° — это точно время сентябрьского равноденствия и θ = 270° — это точно время декабрьское солнцестояние.

Упрощенное уравнение освещенности в определенный день: $$Q\approx S_{0}\left(1+0.034\cos \left(2\pi {\frac {n}{365.25}}\right)\right)$$

где n — номер дня в году.

Вариация

Полное солнечное излучение (TSI) меняется медленно в десятилетних и более длительных временных масштабах. Изменение во время 21 солнечного цикла составило около 0,1% (от пика к пику). В отличие от старых реконструкций, самые последние реконструкции TSI указывают на увеличение всего лишь примерно на 0,05–0,1% между минимумом Маундера 17 века и настоящим. Однако нынешнее понимание, основанное на различных доказательствах, предполагает, что более низкие значения векового тренда более вероятны. В частности, вековой тренд более 2 Wm ^-2 считается крайне маловероятным. Ультрафиолетовое излучение (EUV) варьируется примерно на 1,5 процента от солнечного максимума до минимума для длин волн от 200 до 300 нм. Тем не менее, по оценкам косвенного исследования, УФ-излучение увеличилось на 3,0% со времени минимума Маундера.

Изменения орбиты Земли, приводящие к изменениям потока солнечной энергии на высоких широтах и ​​наблюдаемым ледниковым циклам.

Некоторые изменения инсоляции происходят не из-за солнечных изменений, а скорее из-за перемещения Земли между перигелием и афелием или изменениями в широтном распределении радиации. Эти орбитальные изменения или циклы Миланковича вызвали изменения яркости на целых 25% (локально; глобальные средние изменения намного меньше) в течение длительных периодов времени. Самым последним значительным событием стал наклон оси на 24° во время бореального лета вблизи климатического оптимума голоцена .Получение временного ряда для ${\overline {Q}}^{\mathrm {day} }$ для определенного времени года и определенной широты является полезным применением в теории циклов Миланковича. Например, в день летнего солнцестояния склонение δ равно наклону ε . Расстояние от Солнца составляет $${\frac {R_{o}}{R_{E}}}=1+e\cos(\theta -\varpi )=1+e\cos \left({\frac {\pi }{2}}-\varpi \right)=1+e\sin(\varpi )$$

Для расчета летнего солнцестояния роль эллиптической орбиты полностью заключена в важном продукте $e\sin(\varpi )$, индекс прецессии , изменение которого доминирует над изменениями инсоляции на 65 °   с.ш., когда эксцентриситет велик. В течение следующих 100 000 лет, когда изменения эксцентриситета будут относительно небольшими, будут доминировать изменения наклона.

Измерение

Космические записи TSI включают измерения более чем десяти радиометров и охватывают три солнечных цикла.Все современные спутниковые приборы TSI используют электрозамещающую радиометрию с активным резонатором . Этот метод измеряет электрический нагрев, необходимый для поддержания поглощающей черной полости в тепловом равновесии с падающим солнечным светом, который проходит через прецизионную апертуру калиброванной площади. Диафрагма модулируется затвором . Для обнаружения долгосрочных изменений солнечного излучения требуется погрешность <0,01%, поскольку ожидаемые изменения находятся в диапазоне 0,05–0,15   Вт/м. ² в столетие.

Межвременная калибровка

На орбите радиометрические калибровки отклоняются по причинам, включая солнечную деградацию полости, электронную деградацию нагревателя, деградацию поверхности прецизионной апертуры, а также изменение поверхностных излучений и температур, которые изменяют тепловой фон. Эти калибровки требуют компенсации для сохранения согласованности измерений.

По разным причинам источники не всегда совпадают. Значения TSI эксперимента по солнечному излучению и климату/измерению общего излучения ( SORCE /TIM) ниже, чем предыдущие измерения в рамках эксперимента по бюджетному радиометру Земли (ERBE) на спутнике баланса радиации Земли (ERBS), VIRGO на Солнечной гелиосферной обсерватории (SoHO). и инструменты ACRIM для миссии Solar Maximum Mission (SMM), спутника для исследования верхних слоев атмосферы (UARS) и ACRIMSAT . Наземные калибровки перед запуском основывались на измерениях на уровне компонентов, а не на уровне системы, поскольку стандарты освещенности в то время не имели достаточной абсолютной точности.

Стабильность измерений предполагает подвергание различных резонаторов радиометра воздействию различных накоплений солнечного излучения для количественной оценки эффектов деградации, зависящих от воздействия. Эти эффекты затем компенсируются в окончательных данных. Перекрытие наблюдений позволяет корректировать как абсолютные смещения, так и проверять корректировку инструментальных дрейфов.

Неопределенности отдельных наблюдений превышают изменчивость освещенности (~0,1%). Таким образом, при расчете реальных отклонений полагаются на стабильность прибора и непрерывность измерений.

Долгосрочные дрейфы радиометра потенциально могут быть ошибочно приняты за изменения освещенности, которые могут быть ошибочно истолкованы как влияющие на климат. Примеры включают проблему увеличения облучения между минимумами цикла в 1986 и 1996 годах, очевидную только в композите ACRIM (а не в модели), а также низкие уровни облучения в композите PMOD во время минимума 2008 года.

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

Постоянные несоответствия

Разногласия между перекрывающимися наблюдениями указывают на неразрешенные дрейфы, которые предполагают, что запись TSI недостаточно стабильна, чтобы различать солнечные изменения в десятилетних временных масштабах. Только композит ACRIM показывает увеличение излучения на ~ 1   Вт/м. ² между 1986 и 1996 годами; это изменение также отсутствует в модели.

Рекомендации по устранению расхождений в приборах 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 поправок за дифракцию от апертуры, ограничивающей обзор.

Для ACRIM NIST определил, что дифракция от апертуры, ограничивающей обзор, вносит вклад в сигнал 0,13%, не учитываемый в трех инструментах ACRIM. Эта коррекция 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 краев это может напрямую рассеивать свет в полость. Эта конструкция пропускает в переднюю часть прибора в два-три раза больше света, предназначенного для измерения; если этот дополнительный свет не полностью поглощен или рассеян, он создает ошибочно высокие сигналы. Напротив, в конструкции TIM точная апертура расположена спереди, так что проникает только желаемый свет.

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

Радиометрический центр TSI

Высокая абсолютная точность TIM создает новые возможности для измерения климатических переменных. TSI Radiometer Facility (TRF) — криогенный радиометр , работающий в вакууме с контролируемыми источниками света. Компания L-1 Standards and Technology (LASP) спроектировала и построила систему, завершенную в 2008 году. Она была откалибрована по оптической мощности по первичному оптическому ватт-радиометру NIST, криогенному радиометру, который поддерживает шкалу мощности излучения NIST с погрешностью 0,02% ( 1 σ ). По состоянию на 2011 год TRF был единственным учреждением, которое приблизилось к желаемой неопределенности <0,01% для предпусковой проверки солнечных радиометров, измеряющих освещенность (а не просто оптическую мощность) на уровнях солнечной энергии и в условиях вакуума.

TRF заключает как эталонный радиометр, так и испытуемый прибор в общую вакуумную систему, содержащую стационарный, пространственно однородный освещающий луч. Прецизионная апертура с площадью, откалиброванной до 0,0031% (1 σ ), определяет измеряемую часть луча. Прецизионная апертура испытательного 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.

Абсолютные шкалы летных приборов Glory/TIM и PICARD/PREMOS теперь прослеживаются до TRF как по оптической мощности, так и по излучению. Полученная в результате высокая точность снижает последствия любого будущего пробела в данных о солнечном излучении.

Разница относительно TRF

Инструмент	Освещенность, ограничение обзора апертура переполнена	Излучение, точность апертура переполнена	Разница обусловлена разбросать ошибку	Измеренная оптическая ошибка питания	Остаточная освещенность соглашение	Неопределенность
Земля SORCE/TIM	—	−0.037%	—	−0.037%	0.000%	0.032%
Слава / полет ТИМ	—	−0.012%	—	−0.029%	0.017%	0.020%
ПРЕМОС-1 наземный	−0.005%	−0.104%	0.098%	−0.049%	−0.104%	~0.038%
полет ПРЕМОС-3	0.642%	0.605%	0.037%	0.631%	−0.026%	~0.027%
ДЕВА-2 наземная	0.897%	0.743%	0.154%	0.730%	0.013%	~0.025%

переоценка 2011 года

Наиболее вероятное значение TSI, представляющее солнечный минимум, составляет ± 0,5 1 360,9 Вт /м. ² , ниже принятого ранее значения 1 365,4 ± 1,3 Вт/м ² , созданный в 1990-х годах. Новое значение получено в результате SORCE/TIM и радиометрических лабораторных испытаний. Рассеянный свет является основной причиной более высоких значений освещенности, измеренных более ранними спутниками, в которых точная апертура расположена за большей апертурой, ограничивающей обзор. TIM использует апертуру ограничения обзора, которая меньше, чем прецизионная апертура, которая исключает этот паразитный сигнал. Новая оценка основана на более точных измерениях, а не на изменении солнечной энергии.

Разделение относительной доли солнечных пятен и факулярных влияний на основе регрессионной модели по данным SORCE/TIM составляет 92% наблюдаемой дисперсии и отслеживает наблюдаемые тенденции в пределах диапазона стабильности TIM. Это соглашение дает дополнительные доказательства того, что изменения TSI в первую очередь связаны с магнитной активностью поверхности Солнца.

Неточности приборов добавляют значительную неопределенность в определение энергетического баланса Земли . Энергетический дисбаланс, по различным измерениям (во время глубокого солнечного минимума 2005–2010 гг.), составил +0,58 ± 0,15 Вт/м. ² , +0,60 ± 0,17 Вт/м ² и +0,85 Вт/м ² . Оценки по данным космических измерений составляют +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 сравнимо с энергетическим дисбалансом.

переоценка 2014 г.

В 2014 году был разработан новый композит ACRIM с использованием обновленной записи ACRIM3. В него добавлены поправки на рассеяние и дифракцию, выявленные во время недавнего тестирования в TRF, а также два обновления алгоритма. Обновления алгоритма более точно учитывают тепловое поведение прибора и анализ данных цикла затвора. Они корректировали компонент квазигодового паразитного сигнала и увеличивали отношение сигнал/шум соответственно. Конечный эффект этих коррекций снизил среднее значение ACRIM3 TSI, не влияя на тенденции в ACRIM Composite TSI.

Различия между композитами ACRIM и PMOD TSI очевидны, но наиболее значительными являются тенденции солнечного минимума к минимуму во время циклов 21-23 . солнечных ACRIM обнаружил рост 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 оригинальные результаты TSI, опубликованные группами спутниковых экспериментов, в то время как PMOD значительно модифицирует некоторые результаты, чтобы согласовать их с конкретными моделями прокси-серверов TSI. Последствия увеличения TSI во время глобального потепления последних двух десятилетий 20-го века заключаются в том, что солнечное воздействие может быть несколько более значительным фактором изменения климата, чем представлено в CMIP5 климатических моделях общей циркуляции .

Излучение на поверхности Земли

Пиранометр . , используемый для измерения глобального излучения

Пиргелиометр солнечном , установленный на трекере , используется для измерения прямого нормального излучения (или лучевого излучения).

Среднегодовая солнечная радиация, достигающая верхних слоев атмосферы Земли, составляет примерно 1361   Вт/м. ² . Солнечные лучи ослабляются при прохождении через атмосферу , в результате чего максимальная нормальная освещенность поверхности составляет примерно 1000   Вт/м. ² на уровне моря в ясный день. При 1361 Вт/м ² прибывает над атмосферой (когда Солнце находится в зените на безоблачном небе), прямое солнце около 1050 Вт/м ² , а глобальное излучение на горизонтальной поверхности на уровне земли составляет около 1120 Вт/м. ² . Последняя цифра включает излучение, рассеянное или переизлученное атмосферой и окружающей средой. Фактическая цифра зависит от угла наклона Солнца и атмосферных условий. Если не учитывать облака, среднесуточная инсоляция для Земли составляет примерно 6 кВтч/м. ² = 21,6 МДж/м ² .

Мощность, например, фотоэлектрической панели частично зависит от угла падения солнца относительно панели. Одно Солнце — это единица потока мощности , а не стандартное значение фактической инсоляции. Иногда эту единицу называют Солнцем, не путать с Солом , что означает один солнечный день .

Поглощение и отражение

Спектр солнечного излучения над атмосферой и на поверхности

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

Эффект проекции

Эффект проекции : один солнечный луч шириной в милю светит на землю под углом 90°, а другой — под углом 30°. Наклонный солнечный луч распределяет свою световую энергию на вдвое большую площадь.

Инсоляция на поверхность самая большая, когда поверхность обращена непосредственно к солнцу (нормально к нему). Когда угол между поверхностью и Солнцем отклоняется от нормального, инсоляция уменьшается пропорционально косинусу угла ; см. влияние угла Солнца 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 милю падает прямо над головой, а другой — под углом 30° к горизонту. Синус . угла 30° равен 1/2, тогда как синус угла 90° равен 1. Следовательно, наклонный солнечный луч распространяет свет на удвоенную площадь Следовательно, на каждую квадратную милю падает вдвое меньше света.

Земли Этот эффект проекции является основной причиной того, что полярные регионы намного холоднее экваториальных . В среднем за год полюса получают меньше инсоляции, чем экватор, потому что полюса всегда отклоняются от Солнца под большим углом, чем тропики, и, кроме того, вообще не получают инсоляции в течение шести месяцев соответствующей зимы.

Эффект поглощения

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

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

Когда плотность поглотителей слоистая, т. е. гораздо больше зависит от вертикального, чем горизонтального положения в атмосфере, оптическая толщина в хорошем приближении обратно пропорциональна эффекту проекции, т. е. косинусу зенитного угла. Поскольку коэффициент пропускания экспоненциально уменьшается с увеличением оптической глубины, по мере приближения солнца к горизонту наступает момент, когда поглощение доминирует над проекцией до конца дня. При относительно высоком уровне поглотителей это может занять значительную часть времени после полудня, а также и раннего утра. И наоборот, при (гипотетическом) полном отсутствии поглощения оптическая толщина остается равной нулю на всех высотах Солнца, то есть коэффициент пропускания остается равным 1, и поэтому применяется только эффект проекции.

Карты солнечного потенциала

Оценка и картирование солнечного потенциала на глобальном, региональном и страновом уровнях стали предметом значительного академического и коммерческого интереса. Одной из первых попыток провести комплексное картирование солнечного потенциала отдельных стран был проект «Оценка солнечных и ветровых ресурсов» (SWERA). финансируется Программой ООН по окружающей среде и осуществляется Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии США . Другие примеры включают глобальное картографирование Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства и других подобных 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, предоставляющих данные о солнечных ресурсах разработчикам солнечной энергетики, в том числе 3E, Clean Power Research, SoDa Solar Radiation Data, Solargis, Vaisala (ранее 3Tier) и Vortex, и эти фирмы часто предоставляют карты солнечного потенциала для бесплатно. В январе 2017 года Глобальный солнечный атлас запустил Всемирный банк с использованием данных, предоставленных Solargis, чтобы предоставить единый источник высококачественных солнечных данных, карт и слоев ГИС, охватывающих все страны.

• Карты потенциала GHI по регионам и странам (Примечание: цвета на картах не одинаковы)
• 
  Африка к югу от Сахары
• 
  Латинская Америка и Карибский бассейн
• 
  Китай
• 
  Индия
• 
  Мексика
• 
  ЮАР

Карты солнечной радиации строятся с использованием баз данных, полученных на основе спутниковых изображений, например, с использованием видимых изображений со спутника Meteosat Prime. К изображениям применен метод определения солнечной радиации. Одной из хорошо проверенных моделей спутникового излучения является модель SUNY. Точность этой модели хорошо оценена. В целом карты солнечного излучения точны, особенно для глобального горизонтального излучения.

Приложения

Коэффициент преобразования (умножьте верхнюю строку на коэффициент, чтобы получить боковой столбец)

	Вт/м 2	кВт·ч/(м 2 ·день)	солнечные часы/день	кВтч/(м 2 ·и)	кВтч/(кВт·г)
Вт/м 2	1	41.66666	41.66666	0.1140796	0.1521061
кВт·ч/(м 2 ·день)	0.024	1	1	0.0027379	0.0036505
солнечные часы/день	0.024	1	1	0.0027379	0.0036505
кВтч/(м 2 ·и)	8.765813	365.2422	365.2422	1	1.333333
кВтч/(кВт·г)	6.574360	273.9316	273.9316	0.75	1

Солнечная энергия

Солнечный свет несет лучистую энергию в длинах волн видимого света . Лучистая энергия может быть использована для производства солнечной энергии .

Показатели солнечной радиации используются для планирования развертывания солнечных энергетических систем . Во многих странах цифры можно получить из карты инсоляции или таблиц инсоляции, отражающих данные за предыдущие 30–50 лет. Различные технологии солнечной энергетики могут использовать разные компоненты общего излучения. В то время как солнечные фотоэлектрические панели способны преобразовывать в электричество как прямое, так и рассеянное излучение, концентрированная солнечная энергия способна 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 к ​​Солнцу, значения инсоляции необходимо корректировать, чтобы определить количество солнечного света, падающего на панель. Это предотвратит ошибочно низкие оценки для зимы и неточно высокие для лета. Это также означает, что количество солнечного света, падающего на солнечную панель на высоких широтах, не так мало по сравнению с количеством солнечного света на экваторе, как можно было бы предположить, просто учитывая инсоляцию на горизонтальной поверхности.Значения горизонтальной инсоляции варьируются от 800 до 950   кВтч/(кВт·год) в Норвегии и до 2900   кВтч/(кВт·год) в Австралии . А вот правильно наклоненная панель на широте 50° получает 1860   кВтч/м. ² /год по сравнению с 2370 на экваторе. Фактически, при ясном небе солнечная панель, расположенная горизонтально на северном или южном полюсе в середине лета, получает больше солнечного света в течение 24 часов (косинус угла падения равен sin(23,5°) или около 0,40), чем горизонтальная панель на экваторе в середине лета. равноденствие (средний косинус равен 1/ π или около 0,32).

Фотоэлектрические панели рассчитаны на стандартные условия для определения номинальной мощности Wp (пиковая мощность), который затем можно использовать с учетом инсоляции, скорректированной с помощью таких факторов, как наклон, отслеживание и затенение, для определения ожидаемого результата.

Здания

Изменение инсоляции по месяцам; Средние значения за январь (вверху) и апрель (внизу) за 1984–1993 гг.

В строительстве инсоляция является важным фактором при проектировании здания для конкретного участка.

Эффект проекции можно использовать для проектирования зданий, в которых прохладно летом и тепло зимой, обеспечив вертикальные окна на стороне здания, обращенной к экватору (южная сторона в северном полушарии или северная сторона в южном полушарии ). : это максимизирует инсоляцию в зимние месяцы, когда Солнце находится низко на небе, и минимизирует ее летом, когда Солнце высоко. ( Путь Солнца по небу с севера на юг составляет 47 ° в течение года).

Гражданское строительство

В гражданском строительстве и гидрологии численные модели талого стока используют наблюдения за инсоляцией. Это позволяет оценить скорость выделения воды из тающего снежного покрова. Измерение поля осуществляется с помощью пиранометра .

Климатические исследования

Излучение играет важную роль в моделировании климата и прогнозировании погоды . Ненулевое среднее глобальное чистое излучение в верхних слоях атмосферы указывает на тепловое неравновесие Земли, вызванное климатическими воздействиями .

Влияние более низкого значения TSI 2014 года 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 моделью GISS Model 3 исследовали чувствительность производительности модели к абсолютному значению TSI в современную и доиндустриальную эпохи и описывают, например, как снижение освещенности распределяется между атмосферой и поверхностью и влиянием на исходящую радиацию.

Оценка влияния долгосрочных изменений освещенности на климат требует большей стабильности прибора. в сочетании с надежными глобальными наблюдениями за приземной температурой для количественной оценки процессов реакции климата на радиационное воздействие в десятилетних временных масштабах. Наблюдаемое увеличение освещенности на 0,1% дает 0,22   Вт/м. ² климатическое воздействие, которое предполагает временную реакцию климата на уровне 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 океаном в моделях.

Глобальное похолодание

Измерение способности поверхности отражать солнечное излучение имеет важное значение для пассивного дневного радиационного охлаждения , которое было предложено в качестве метода обращения вспять локального и глобального повышения температуры, связанного с глобальным потеплением . Чтобы измерить охлаждающую способность пассивной радиационной охлаждающей поверхности, необходимо количественно оценить как поглощенную мощность атмосферного, так и солнечного излучения. В ясный день солнечное излучение может достигать 1000 Вт/м. ² с диффузной составляющей от 50 до 100 Вт/м ² . В среднем охлаждающая мощность пассивной дневной поверхности радиационного охлаждения оценивается в ~ 100-150 Вт/м. ² .

Космос

Инсоляция является основной переменной, влияющей на равновесную температуру в конструкции космических кораблей и планетологии .

Измерение солнечной активности и излучения является проблемой для космических путешествий. Например, американское космическое агентство НАСА запустило свой спутник «Эксперимент по солнечному излучению и климату » (SORCE) с мониторами солнечного излучения .

См. также

• Энергетический бюджет Земли
• PI-кривая (кривая фотосинтеза-облучения)
• Освещенность
• Альбедо
• Поток
• Плотность мощности
• Солнечная карта
• Солнечный свет
• Продолжительность солнечного сияния
  • Список городов по продолжительности солнечного сияния

Библиография

• Уилсон, Ричард К.; Х.С. Хадсон (1991). «Светимость Солнца в течение полного солнечного цикла». Природа . 351 (6321): 42–4. Бибкод : 1991Natur.351...42W . дои : 10.1038/351042a0 . S2CID   4273483 .
• «Солнце и климат» . Информационный бюллетень Геологической службы США 0095-00 . Проверено 21 февраля 2005 г.
• Фукал, Питер; и др. (1977). «Влияние солнечных пятен и факелов на солнечную постоянную» . Астрофизический журнал . 215 : 952. Бибкод : 1977ApJ...215..952F . дои : 10.1086/155431 .
• Стетсон, ХТ (1937). Солнечные пятна и их последствия . Нью-Йорк: МакГроу Хилл.
• Яскелл, Стивен Хейвуд (31 декабря 2012 г.). Великие фазы на Солнце: аргументы в пользу механизма, ответственного за расширенные солнечные минимумы и максимумы . Траффорд Паблишинг. ISBN  978-1-4669-6300-9 .

Внешние ссылки

• Глобальный атлас солнечной энергии — просмотр или загрузка карт и слоев данных ГИС (глобальных или по стране) долгосрочных средних данных о солнечном облучении (опубликовано Всемирным банком, предоставлено Solargis)]
• Solcast — данные о солнечном излучении обновляются каждые 10–15 минут. Последние, актуальные, исторические и прогнозные, бесплатные для публичного исследовательского использования.
• Последние данные об общем солнечном излучении обновляются каждый понедельник.
• Солнечная карта Сан-Франциско
• Европейская Комиссия – Интерактивные карты
• Вчерашняя карта солнечной радиации Австралии
• Солнечное излучение с использованием Google Maps
• SMARTS , программное обеспечение для расчета солнечной инсоляции в каждую дату/местоположение Земли. Данные и инструменты о солнечных ресурсах.
• НАСА Приземная метеорология и солнечная энергия
• insol: пакет R для инсоляции на сложном рельефе
• Онлайн калькулятор инсоляции