Слънчевата радиация е важна метеорологична променлива, която служи за определяне на количеството „топлина“, което ще получим от слънцето на земната повърхност. Това количество слънчева радиация се променя от изменението на климата и задържането на парникови газове.
Слънчевата радиация може да загрява повърхността на земята и предметите (включително нас самите), като същевременно едва загрява въздуха. Освен това, тази променлива е от решаващо значение за оценката на усилията ни в борбата с изменението на климата. Искате ли да научите всичко за слънчевата радиация?
Слънчевата радиация преминава през атмосферата
Когато сме на плажа в един от тези горещи летни дни, си лягаме, за да се потопим в слънцето. Колкото по-дълго стоим върху кърпите си, толкова повече забелязваме как телата ни се нагряват и температурата ни се повишава, докато не ни се наложи да се потопим или да намерим сянка, защото ще изгорим на слънце. Какво се е случило тук, ако въздухът не е чак толкова горещ? Случилото се е, че слънчевите лъчи са преминали през атмосферата ни и са затоплили телата ни, без значително да затоплят въздуха.
Нещо подобно на случващото се с нас в тази ситуация се случва и на Земята: Атмосферата е почти „прозрачна“ за слънчевата радиация, но земната повърхност и другите тела върху нея я абсорбират. Енергията, пренасяна от Слънцето към Земята, е известна като лъчиста енергия или радиация. Радиацията се разпространява през пространството под формата на вълни, които носят енергия. В зависимост от количеството енергия, което носят, те се класифицират по електромагнитния спектър. Имаме най-енергийните вълни, като гама-лъчи, рентгенови лъчи и ултравиолетови лъчи, както и такива с по-малко енергия, като инфрачервени лъчи, микровълни и радиовълни.
Всички тела излъчват радиация
Всички тела излъчват радиация в зависимост от температурата си. Това се определя от закона на Стефан-Болцман , който гласи, че енергията, излъчвана от тялото, е право пропорционална на четвъртата степен на неговата температура. Ето защо Слънцето, горящото парче дърво, нашите собствени тела и дори парче лед непрекъснато излъчват енергия.
Това ни води до въпроса: защо сме в състояние да „виждаме“ радиацията, излъчвана от слънцето или горящо парче дърво, но не и радиацията, която излъчваме самите ние, земната повърхност или парче лед? Е, това до голяма степен зависи от температурата, която достига всеки обект , и следователно от количеството енергия, което излъчва. Колкото по-висока е температурата на едно тяло, толкова по-голямо количество енергия излъчва то в своите вълни и затова става по-видимо.
Слънцето има температура от 6.000 K и излъчва радиация предимно във видимия спектър (известен като светлинни вълни). То излъчва и ултравиолетова радиация (която има повече енергия и следователно изгаря кожата ни при продължително излагане), а останалата част е инфрачервена радиация, която е неуловима за човешкото око. Ето защо не можем да възприемем радиацията, излъчвана от собствените ни тела. Човешкото тяло е на приблизително 37 градуса по Целзий и радиацията, която излъчва, е предимно в инфрачервения диапазон.
Как работи слънчевата радиация
Знанието, че обектите постоянно излъчват радиация и енергия, вероятно повдига друг въпрос: Защо обектите не се охлаждат постепенно, ако излъчват енергия и радиация? Отговорът е прост: те също така абсорбират енергия. Съществува и друг закон, законът за радиационното равновесие, който гласи, че обектът излъчва същото количество енергия, колкото абсорбира. Ето защо обектите са способни да поддържат постоянна температура.
По този начин, в нашата система Земя-атмосфера протичат поредица от процеси, при които енергията се абсорбира, излъчва и отразява, така че крайният баланс между радиацията, достигаща горните слоеве на атмосферата от Слънцето, и тази, излизаща в космоса, е нула. Това означава, че средната годишна температура остава постоянна. Когато слънчевата радиация навлезе в Земята, по-голямата част от нея се абсорбира от земната повърхност. Много малка част от падащата радиация се абсорбира от облаците и въздуха. Останалата част от радиацията се отразява от повърхността, газовете и облаците и се връща в космоса.
Количеството радиация, отразена от даден обект спрямо падащата радиация, е известно като „албедо“. Следователно можем да кажем, че системата Земя-атмосфера има средно албедо от 30%. Прясно падналият сняг или някои купесто-дъждовни облаци със значително вертикално развитие имат албедо близо до 90%, докато пустините имат около 25%, а океаните около 10% (абсорбирайки почти цялата радиация, която достига до тях).
Как измерваме радиацията?
За да измерим слънчевата радиация, която получаваме в дадена точка, използваме устройство, наречено пиранометър. Това устройство се състои от сензор, затворен в прозрачно полукълбо, което пропуска цялото лъчение с много къси дължини на вълната. Този сензор има редуващи се бели и черни сегменти, които абсорбират лъчението по различен начин. Температурният контраст между тези сегменти се калибрира според радиационния поток (измерен във ватове на квадратен метър).
Оценка на количеството слънчева радиация, която получаваме, може да бъде получена и чрез измерване на броя слънчеви часове, които имаме. За целта използваме инструмент, наречен хелиограф. Това се формира от стъклена сфера, ориентирана към географския юг, която действа като голяма лупа, концентрираща цялата радиация, получена в нажежаема точка, която изгаря специална хартиена лента, градуирана с часовете на деня.
Слънчева радиация и повишен парников ефект
По-рано споменахме, че количеството слънчева радиация, влизащо и излизащо от Земята, е еднакво. Това не е напълно вярно, защото ако беше така, средната глобална температура на нашата планета щеше да бъде -88 градуса по Целзий. Нуждаем се от нещо, което да ни помага да задържаме топлината, за да поддържаме комфортна и обитаема температура, която прави живота възможен на Земята. Тук се появява парниковият ефект. Когато слънчевата радиация достигне земната повърхност, тя отразява почти половината от нея обратно в атмосферата, преди да бъде изхвърлена в космоса. Обсъдихме как облаците, въздухът и други атмосферни компоненти абсорбират малка част от слънчевата радиация. Това абсорбирано количество обаче не е достатъчно, за да поддържа стабилна температура, която би направила нашата планета обитаема. Как можем да живеем с тези температури?
Парниковите газове са тези газове, които улавят част от топлината, излъчвана от земната повърхност, предотвратявайки нейното връщане обратно в атмосферата. Примери за парникови газове включват водна пара, въглероден диоксид (CO2), азотни оксиди, серни оксиди и метан. Всеки парников газ има различен капацитет да абсорбира слънчевата радиация. Колкото по-голям е капацитетът му да абсорбира радиация, толкова повече топлина задържа и предотвратява нейното връщане в космоса.
През цялата човешка история концентрацията на парникови газове (най-вече CO2) непрекъснато се е увеличавала. Този скок се дължи до голяма степен на индустриалната революция и изгарянето на изкопаеми горива в промишлеността, производството на енергия и транспорта . Изгарянето на изкопаеми горива като петрол и въглища води до емисии на CO2 и метан. Тези все по-високи емисии улавят значително количество слънчева радиация, предотвратявайки нейното изтичане обратно в космоса.
Това е известно като парников ефект. Засилването на този ефект, който наричаме парников ефект, обаче е контрапродуктивно , тъй като това, което правим, е все повече и повече повишаване на средните глобални температури. Колкото по-голяма е концентрацията на тези поглъщащи радиация газове в атмосферата, толкова повече топлина ще задържат те и следователно толкова по-високи ще бъдат температурите.
Слънчева радиация и изменение на климата
Глобалното затопляне е известно в световен мащаб. Това повишаване на температурите поради голямото задържане на слънчева радиация причинява промяна в глобалния климат. Това не само означава, че средните температури на планетата ще се повишат, но че климатът и всичко, което води до това, ще се променят.
Покачващите се температури причиняват нестабилност във въздушните течения, океанските маси, разпространението на видовете, смяната на сезоните и увеличаване на екстремните метеорологични явления (като суши, наводнения, урагани и др.) . Следователно, за да възстановим радиационния си баланс по стабилен начин, трябва да намалим емисиите на парникови газове и да възстановим климата си.
