الإشعاع الشمسي – HiSoUR والفن تاريخ معلومات السفر

الإشعاع الشمسي هو القدرة لكل وحدة مساحة يتم الحصول عليها من الشمس في شكل إشعاع كهرومغناطيسي في نطاق الطول الموجي لأداة القياس. يسمى الإشعاع الشمسي المتكامل مع مرور الوقت بالتشعيع الشمسي ، أو التشوه ، أو التعرض للشمس. ومع ذلك ، غالباً ما يتم استخدام التشبع بالتبادل مع الإشعاع في الممارسة.

يمكن قياس الإشعاع في الفضاء أو على سطح الأرض بعد الامتصاص والانتثار في الغلاف الجوي. الإشعاع في الفضاء هو وظيفة المسافة من الشمس ، والدورة الشمسية ، وتغيرات الدورة المشتركة. يعتمد الإشعاع على سطح الأرض بشكل إضافي على إمالة سطح القياس ، وارتفاع الشمس فوق الأفق ، والظروف الجوية. يؤثر الإشعاع الشمسي على استقلاب النباتات وسلوك الحيوان.

أنواع
هناك عدة أنواع من الإشعاع الشمسي.

إجمالي الإشعاع الشمسي (TSI) هو مقياس للطاقة الشمسية على طول جميع الأطوال الموجية لكل وحدة مساحة في الغلاف الجوي العلوي للأرض. يقاس عمودي على ضوء الشمس القادم. الثابت الشمسي هو مقياس تقليدي لمعدل TSI على مسافة وحدة واحدة (AU).

يتم قياس الإشعاع الطبيعي المباشر (DNI) أو إشعاع الحزمة على سطح الأرض في موقع معين مع عنصر سطح عمودي على الشمس.ويستثنى من الإشعاع الشمسي المنتشر (الإشعاع الذي يتشتت أو ينعكس في المكونات الجوية). الإشعاع المباشر يساوي الإشعاع خارج الأرض فوق الغلاف الجوي مطروحاً منه خسائر الغلاف الجوي بسبب الامتصاص والتشتت. تعتمد الخسائر على الوقت من اليوم (طول مسار الضوء عبر الغلاف الجوي اعتمادًا على زاوية الارتفاع الشمسي) ، والغطاء السحابي ، ومحتوى الرطوبة ومحتويات أخرى. كما يختلف الإشعاع فوق الغلاف الجوي مع الوقت من السنة (لأن المسافة إلى الشمس تختلف) ، على الرغم من أن هذا التأثير يكون أقل أهمية بشكل عام مقارنة بتأثير الخسائر على DNI.

الإشعاع الأفقي المنتشر (DHI) ، أو إشعاع السماء المنتشر هو الإشعاع على سطح الأرض من الضوء المتناثر في الغلاف الجوي. يتم قياسه على سطح أفقي مع إشعاع قادم من جميع النقاط في السماء باستثناء الإشعاع الدائري (الإشعاع القادم من قرص الشمس). لن يكون هناك تقريبا أي DHI في غياب الغلاف الجوي.

الإشعاع الأفقي العالمي (GHI) هو الإشعاع الكلي من الشمس على سطح أفقي على الأرض. هو مجموع الإشعاع المباشر (بعد حساب زاوية السمت الشمسي للشمس z) والإشعاع الأفقي المنتشر:
${\ displaystyle {\ text {GHI}} = {\ text {DHI}} + {\ text {DNI}} \ times \ cos (z)}$

وحدات
وحدة SI للإشعاع هي watt لكل متر مربع (W / m2).

وحدة القياس البديلة هي Langley (1 حرارية حرارية لكل سنتيمتر مربع أو 41،840 J / m2) لكل وحدة زمنية.

تستخدم صناعة الطاقة الشمسية ساعة واط لكل متر مربع (Wh / m2) لكل وحدة زمنية. وبالتالي ، فإن العلاقة بوحدة SI هي: 1 kW / m2 = (24 ساعة / يوم) × (1 kW / m2) = (24 kWh / m2) / يوم = (365 يوم / سنة) × (24 كيلو واط في الساعة / م 2) / يوم = (8760 كيلو واط في الساعة / م 2) / سنة.

التشعيع في الجزء العلوي من الغلاف الجوي
يتم تحديد توزيع الإشعاع الشمسي في الجزء العلوي من الغلاف الجوي من خلال كروية الأرض والمعلمات المدارية. وهذا ينطبق على أي حادثة شعاع أحادي الاتجاه على كرة دوارة. يعتبر العزل عنصرًا أساسيًا في التنبؤ العددي بالطقس وفهم المواسم وتغير المناخ. ويعرف التطبيق على العصور الجليدية بدورات ميلانكوفيتش.

يعتمد التوزيع على هوية أساسية من علم المثلثات الكروي ، وقانون الكوسينات الكروي:

${\ displaystyle \ cos (c) = \ cos (a) \ cos (b) + \ sin (a) \ sin (b) \ cos (C)}$

حيث a و b و c أطوال قوس ، بالراديان ، من جوانب مثلث كروي. C هي الزاوية في القمة المقابلة للجانب الذي له طول القوس c. بالتطبيق على حساب زاوية السمت الشمسي Θ ، ينطبق ما يلي على قانون الكوزين الكروي:

${\ displaystyle C = h}$ ${\ displaystyle c = \ Theta}$ ${\ displaystyle a = {\ tfrac {1} {2}} \ pi - \ phi}$

${\ displaystyle b = {\ tfrac {1} {2}} \ pi - \ delta}$

${\ displaystyle \ cos (\ Theta) = \ sin (\ phi) \ sin (\ delta) + \ cos (\ phi) \ cos (\ delta) \ cos (h)}$

يمكن أيضًا اشتقاق المعادلة أعلاه من صيغة أكثر عمومية:

${\ displaystyle {\ begin {align} \ cos (\ Theta) & = \ sin (\ phi) \ sin (\ delta) \ cos (\ beta) + \ sin (\ delta) \ cos (\ phi) \ sin (\ beta) \ cos (\ gamma) + \ cos (\ phi) \ cos (\ delta) \ cos (\ beta) \ cos (h) \\ & qquad - \ cos (\ delta) \ sin (\ phi) \ sin (\ beta) \ cos (\ gamma) \ cos (h) - \ cos (\ delta) \ sin (\ beta) \ sin (\ gamma) \ sin (h) \ end {align}}}$

حيث β هي زاوية من الزاوية الأفقية و γ هي زاوية السمت.

يمكن الإشارة إلى فصل الأرض عن الشمس ويمكن معرفة متوسط المسافة R0 ، ما يقرب من 1 وحدة فلكية (AU). يشير الثابت الشمسي S0. كثافة التدفق الشمسي (التشمس) على مماس طائفي إلى الكرة الأرضية ، ولكن فوق الجزء الأكبر من الغلاف الجوي (الارتفاع 100 كم أو أكثر) هو:

${\ displaystyle Q = {\ begin {cases} S_ {o} {\ frac {R_ {o} ^ {2}} {R_ {E} ^ {2}}} \ cos (\ Theta) & \ cos (\ Theta)> 0 \\ 0 & \ cos (\ Theta) \ leq 0 \ end {cases}}}$

متوسط Q على مدار يوم هو متوسط Q على دوران واحد ، أو زاوية ساعة تتقدم من h = π إلى h = −π:

$\ overline {Q} ^ {{{\ {text {day}}}} = - {\ frac {1} {2 \ pi}} {\ int _ {{\ pi}} ^ {{- \ pi}} Q \ درهم}$

دع h0 تكون زاوية الساعة عندما يصبح Q إيجابيًا. هذا يمكن أن يحدث عند شروق الشمس عندما $\ Theta = {\ tfrac {1} {2}} \ pi$ أو h0 كحل من

$\ sin (\ phi) \ sin (\ delta) + \ cos (\ phi) \ cos (\ delta) \ cos (h_ {o}) = 0 \،$

أو

$\ cos (h_ {o}) = - \ tan (\ phi) \ tan (\ delta)$

إذا تان (φ) تان (δ) و GT. 1 ، ثم لا تضبط الشمس والشمس قد ارتفعت بالفعل في ح = π ، لذلك هو = π. إذا كان tan (φ) tan (δ) & lt؛ −1 ، لا ترتفع الشمس و $\ overline {Q} ^ {{{\ mathrm {day}}}} = 0$ .

${\ frac {R_ {o} ^ {2}} {R_ {E} ^ {2}}}$ يكاد يكون ثابتًا على مدار اليوم ، ويمكن أخذه خارج التكامل

${\ displaystyle {\ begin {align} \ int _ {\ pi} ^ {- \ pi} Q \، dh & = \ int _ {h_ {o}} ^ {- h_ {o}} Q \، dh \\ & = S_ {o} {\ frac {R_ {o} ^ {2}} {R_ {E} ^ {2}}} \ int _ {h_ {o}} ^ {- h_ {o}} \ cos ( \ Theta) \، dh \\ & = S_ {o} {\ frac {R_ {o} ^ {2}} {R_ {E} ^ {2}}} \ left [h \ sin (\ phi) \ sin (\ delta) + \ cos (\ phi) \ cos (\ delta) \ sin (h) \ right] _ {h = h_ {o}} ^ {h = -h_ {o}} \\ & = - 2S_ {o} {\ frac {R_ {o} ^ {2}} {R_ {E} ^ {2}}} \ left [h_ {o} \ sin (\ phi) \ sin (\ delta) + \ cos ( \ phi) \ cos (\ delta) \ sin (h_ {o}) \ right] \ end {align}}}$
وبالتالي:

$\ overline {Q} ^ {{{\ text {day}}}} = {\ frac {S_ {o}} {\ pi}} {\ frac {R_ {o} ^ {2}} {R_ {E} ^ {2}}} \ left [h_ {o} \ sin (\ phi) \ sin (\ delta) + \ cos (\ phi) \ cos (\ delta) \ sin (h_ {o}) \ right]$
دع θ تكون الزاوية القطبية التقليدية التي تصف مدارًا كوكبيًا. اسمحوا θ = 0 في الاعتدال الربيعي. الانحراف δ كدالة في الموقع المداري هو

${\ displaystyle \ delta = \ varepsilon \ sin (\ theta)}$
حيث ε هو الميل. يتم تعريف خطوط الطول التقليدية من الحضيض relative نسبة إلى الاعتدال الربيعي ، لذلك بالنسبة للمدار الأهليلجية:

$R_ {E} = {\ frac {R_ {o}} {1 + e \ cos (\ theta - \ varpi)}}$
أو

${\ frac {R_ {o}} {R_ {E}}} = {1 + e \ cos (\ theta - \ varpi)}$
مع معرفة ϖ ، ε و e من الحسابات الفلكية ، وبالتالي من توافق الآراء أو النظرية ، $\ overline {Q} ^ {{{\ mathrm {day}}}}$ يمكن حسابه لأي خط عرض φ و θ.بسبب المدار الإهليلجي ، ونتيجة للقانون الثاني كبلر ، θ لا يتقدم بشكل موحد مع مرور الوقت. ومع ذلك ، θ = 0 ° هو بالضبط وقت الاعتدال الربيعي ، θ = 90 ° هو بالضبط وقت الانقلاب الصيفي ، θ = 180 ° هو بالضبط وقت الاعتدال الخريفي و θ = 270 ° هو بالضبط وقت الانقلاب الشتوي.

معادلة مبسطة للإشعاع في يوم معين هي:

${\ displaystyle Q = S_ {0} \ left (1 + 0.034 \ cos \ left (2 \ pi {\ frac {n} {365.25}} \ right) \ right)}$
حيث n عدد من يوم من السنة.

الاختلاف
مجموع الإشعاع
يتغير إجمالي الإشعاع الشمسي (TSI) ببطء على فترات زمنية أطول وعشرية. كان التباين خلال الدورة الشمسية 21 حوالي 0.1 ٪ (الذروة إلى الذروة). على النقيض من عمليات إعادة البناء القديمة ، تشير أحدث عمليات إعادة بناء TSI إلى زيادة بنسبة 0.05٪ فقط إلى 0.1٪ بين Maunder Minimum والحاضر.

الإشعاع فوق البنفسجي
الإشعاع فوق البنفسجي (EUV) يختلف بنسبة 1.5٪ تقريبًا من الحد الأقصى الشمسي إلى الحد الأدنى ، من 200 إلى 300 نانومتر. ومع ذلك ، قدرت دراسة بالوكالة أن الأشعة فوق البنفسجية قد زادت بنسبة 3.0 ٪ منذ Maunder Minimum.

دورات ميلانكوفيتش

بعض الاختلافات في الشوائب لا تنتج عن تغيرات في الطاقة الشمسية بل بسبب انتقال الأرض بين حضيضها وأوجها ، أو تغيرات في التوزيع العرضي للإشعاع. تسببت هذه التغيرات المدارية أو دورات Milankovitch في حدوث تغيرات في الإشعاع بنسبة تصل إلى 25٪ (محليًا ؛ والتغييرات العالمية أصغر كثيرًا) على مدى فترات طويلة. وكان آخر حدث هام هو الميل المحوري البالغ 24 درجة خلال الصيف الشتوي بالقرب من المحيط الأمثل لمناخ الهولوسين.

الحصول على سلسلة زمنية ل $\ overline {Q} ^ {{{\ mathrm {day}}}}$ لوقت معين من السنة ، وخط العرض المعين ، هو تطبيق مفيد في نظرية دورات ميلانكوفيتش.على سبيل المثال ، عند الانقلاب الصيفي ، يكون الانحراف δ يساوي الميل ε. المسافة من الشمس

${\ frac {R_ {o}} {R_ {E}}} = 1 + e \ cos (\ theta - \ varpi) = 1 + e \ cos ({\ tfrac {\ pi} {2}} - \ varpi ) = 1 + e \ sin (\ varpi)$
بالنسبة لهذا الحساب الصيفي للانحدار ، فإن دور المدار الإهليجي محصور بشكل كامل في المنتج المهم $e \ sin (\ varpi)$ ، مؤشر الاستباقية ، الذي يهيمن تغيره على الاختلافات في الشوائب عند 65 درجة شمالا عندما يكون الانحراف واسعًا. على مدى 100000 سنة قادمة ، مع اختلاف الانحرافات الصغيرة نسبياً ، تسود تغيرات في الميل.

قياس
يشتمل سجل TSI الفضائي على قياسات من أكثر من عشرة أجهزة قياس إشعاع تمتد عبر ثلاث دورات شمسية.

تقنية
تستخدم جميع أجهزة الأقمار الصناعية الحديثة TSI مقياس إشعاع كهربائي بديل. تُطبق هذه التقنية التسخين الكهربائي المُقاس للحفاظ على تجويف مسود ذو شفط في التوازن الحراري ، بينما يمر ضوء الشمس الساقط عبر فتحة دقيقة للمنطقة المُعايرة. يتم تعديل الفتحة عبر مصراع.مطلوب عدم اليقين الدقة & lt؛ 0.01٪ للكشف عن تغيرات الإشعاع الشمسي على المدى الطويل ، لأن التغيرات المتوقعة في نطاق 0.05 إلى 0.15 واط / م 2 لكل قرن.

المعايرة الزمنية
في المدار ، تنحرف المعايرات الإشعاعية لأسباب تشمل التدهور الشمسي للتجويف ، والتدهور الإلكتروني للسخان ، والانحطاط السطحي للفتحة الدقيقة والانبعاثات السطحية المتغيرة ودرجات الحرارة التي تغير الخلفيات الحرارية. تتطلب هذه المعايرات تعويضاً للحفاظ على القياسات المتناسقة.

لأسباب مختلفة ، لا تتفق المصادر دائمًا. قياسات TSI للإشعاع والطاقة الشمسية / مقياس الإشعاع الكلي (SORCE / TIM) أقل من القياسات السابقة من قبل تجربة ميزانية راديومتر الأرض (ERBE) على ساتل ميزانية الأرض الإشعاعية (ERBS) ، VIRGO على المرصد الشمسي للهيليووسفير (SoHO) وأدوات ACRIM في البعثة الشمسية القصوى (SMM) ، والساتل للبحوث في الغلاف الجوي العلوي (UARS) و ACRIMSat. اعتمدت معايرة الأرض قبل الإطلاق على المكونات بدلاً من قياسات مستوى النظام ، حيث كانت معايير الإشعاع تفتقر إلى الدقة المطلقة.

يستلزم استقرار القياسات تعريض تجاويف مقياس إشعاع مختلف إلى تراكمات مختلفة من الإشعاع الشمسي لتحديد آثار التدهور المعتمد على التعرض. ثم يتم تعويض هذه الآثار في البيانات النهائية. تسمح تداخلات الملاحظة بتصحيحات لكل من الإزاحة المطلقة والتحقق من الانجرافات الآلية.

عدم اليقين في الملاحظات الفردية يتجاوز تقلبية الإشعاع (∼0.1 ٪). وبالتالي ، يتم الاعتماد على استقرار الأجهزة واستمرارية القياس لحساب التغيرات الحقيقية.

يمكن أن يظن خطأ انجرافات مقياس الإشعاع على المدى الطويل بسبب تغيرات الإشعاع التي يمكن إساءة تفسيرها على أنها تؤثر على المناخ.وتشمل الأمثلة على ذلك مسألة زيادة الإشعاع بين الحدود الدنيا للدورة في عامي 1986 و 1996 ، والواضحة فقط في مركب ACRIM (وليس النموذج) ومستويات الإشعاع المنخفضة في مركب PMOD خلال عام 2008 كحد أدنى.

على الرغم من حقيقة أن ACRIM I ، و ACRIM II ، و ACRIM III ، و VIRGO و TIM كل تدهور المسار مع تجاويف زائدة عن الحاجة ، تظل الاختلافات الملحوظة وغير المبررة في الإشعاع والتأثيرات النموذجية للبقع الشمسية والوصلات.

التناقضات المستمرة
ويشير الاختلاف بين الملاحظات المتداخلة إلى انحرافات غير محسومة تشير إلى أن سجل TSI غير مستقر بما فيه الكفاية لتمييز التغيرات الشمسية على مقاييس الوقت العقدية. يُظهر مركب ACRIM فقط زيادة في الإشعاع بمقدار ∼1 واط / م 2 بين عامي 1986 و 1996 ؛ هذا التغيير غائب أيضا في النموذج.

وتشمل التوصيات المتعلقة بحل تباين الصك التحقق من دقة القياس البصري بمقارنة الأدوات الأرضية بمراجع مختبرية ، مثل تلك الموجودة في المعهد الوطني للعلوم والتكنولوجيا (NIST) ؛ يستخدم التحقق من نيست لمعايرة منطقة الفتحة قطع غيار من كل أداة ؛ وتطبيق تصحيحات الحيود من فتحة الرؤية.

بالنسبة لـ ACRIM ، حدد NIST أن الانعراج عن فتحة التحديد المحددة يساهم بإشارة 0.13٪ غير محسوبة في أدوات ACRIM الثلاثة.يعمل هذا التصحيح على تقليل قيم ACRIM التي تم الإبلاغ عنها ، مما يجعل ACRIM أقرب إلى TIM. في ACRIM وجميع الأدوات الأخرى ولكن TIM ، الفتحة عميقة داخل الجهاز ، مع فتحة أكبر في الحد الأمامي. بالاعتماد على عيوب الحواف ، يمكن أن يؤدي ذلك إلى تشتيت الضوء مباشرة داخل التجويف. يعترف هذا التصميم في الجزء الأمامي من الأداة بمقدار ضعفين إلى ثلاثة أضعاف كمية الضوء المقصود قياسها ؛ إذا لم يتم امتصاصه أو تشتيته بالكامل ، ينتج هذا الضوء الإضافي إشارات عالية خاطئة. في المقابل ، يضع تصميم TIM الفتحة الدقيقة في المقدمة بحيث يدخل الضوء المطلوب فقط.

من المحتمل أن تتضمن التباينات من مصادر أخرى دورة سنوية تقترب من الطور مع المسافة بين الشمس والأرض في بيانات ACRIM III والتمزيق خلال 90 يومًا في بيانات VIRGO المتزامنة مع مناورات المركبة الفضائية SoHO التي كانت أكثر وضوحًا خلال الحد الأدنى للطاقة الشمسية لعام 2008.

TSI Radiometer Facility
توفر الدقة العالية المطلقة لـ TIM فرصًا جديدة لقياس المتغيرات المناخية. TSI Radiometer Facility (TRF) هو مقياس إشعاع تبقي يعمل في فراغ مع مصادر الضوء الخاضعة للرقابة. قامت L-1 للمعايير والتقنيات (LASP) بتصميم وبناء النظام ، الذي تم الانتهاء منه في عام 2008. تم معايرته من أجل الطاقة الضوئية مقابل مقياس الإشعاع الضوئي الأساسي WIST الأولي ، وهو مقياس إشعاع تبقي يحافظ على مقياس الطاقة الإشعاعية NIST إلى درجة عدم اليقين البالغة 0.02٪ ( 1σ). واعتبارًا من عام 2011 ، كانت مؤسسة TRF هي المنشأة الوحيدة التي اقتربت من درجة عدم الدقة المطلوبة بنسبة 0.01٪ من أجل التحقق من الإطلاق لمقاييس الإشعاع الشمسي قبل قياس الإشعاع (بدلاً من الطاقة الضوئية فقط) عند مستويات الطاقة الشمسية وفي ظل ظروف الفراغ.

ترفق TRF بين مقياس الإشعاع المرجعي والأداة الخاضعة للاختبار في نظام تفريغ شائع يحتوي على حزمة إضاءة ثابتة ثابتة من الناحية المكانية. تحدد فتحة الدقة مع المساحة التي تمت معايرتها إلى 0.0031٪ (1σ) الجزء المقاس في الحزمة. يتم وضع الفتحة الدقيقة لأداة الاختبار في نفس الموقع ، دون تغيير الشعاع بصريًا ، للمقارنة المباشرة مع المرجع. توفر قدرة الحزمة المتغيرة تشخيص خطي ، ويشخص قطر الحزمة المتغيرة التشتت من مكونات مختلفة للأجهزة.

إن المقاييس المطلقة لأداة الطيران Glory / TIM و PICARD / PREMOS يمكن إرجاعها الآن إلى TRF في كل من القوة البصرية والإشعاع. الدقة العالية الناتجة تقلل من عواقب أي فجوة مستقبلية في سجل الإشعاع الشمسي.

الفرق النسبي ل TRF

صك	Irradiance: View-Limiting Afture Overfilled	الإشعاع: فتحة الدقة مملوءة	الفرق يعزى إلى خطأ مبعثر	خطأ الطاقة الضوئية المقاسة	اتفاق الإشعاع المتبقي	شك
أرضية SORCE / TIM	NA	-0.037٪	NA	-0.037٪	0.000٪	0.032٪
رحلة المجد / TIM	NA	-0.012٪	NA	-0.029٪	0.017٪	0.020٪
PREMOS-1	-0.005٪	-0.104٪	0.098٪	-0.049٪	-0.104٪	~0.038٪
رحلة PREMOS-3	0.642٪	0.605٪	0.037٪	0.631٪	-0.026٪	~0.027٪
VIRGO-2 الأرض	0.897٪	0.743٪	0.154٪	0.730٪	0.013٪	~0.025٪

إعادة تقييم 2011
القيمة الأكثر احتمالا لممثل TSI من الحد الأدنى للطاقة الشمسية هو 1360.8 ± 0.5 واط / م 2 ، أقل من القيمة السابقة التي تم قبولها عند 1365.4 ± 1.3 واط / م 2 ، التي أنشئت في التسعينات. وجاءت القيمة الجديدة من SORCE / TIM والاختبارات المعملية الراديومترية.والضوء المتناثر هو السبب الرئيسي لقيم الإشعاع الأعلى التي تقاسها الأقمار الصناعية السابقة التي توجد فيها فتحة العدسة بدقة أكبر خلف الفتحة ذات الرؤية الأكبر. يستخدم TIM فتحة رؤية محدودة أصغر من فتحة الدقة التي تمنع هذه الإشارة الهامشية. التقدير الجديد من قياس أفضل بدلاً من تغيير في إنتاج الطاقة الشمسية.

يمثل التقسيم القائم على نموذج الانحدار من النسبة النسبية للبقع الشمسية وتأثيرات تركيبية من بيانات SORCE / TIM 92٪ من التباين المرصود ويتتبع الاتجاهات الملحوظة ضمن نطاق ثبات TIM. توفر هذه الاتفاقية دليلاً آخر على أن اختلافات TSI ترجع أساسًا إلى النشاط المغناطيسي للسطح الشمسي.

إعادة تقييم 2014
في عام 2014 ، تم تطوير مركب ACRIM جديد باستخدام سجل ACRIM3 المحدث. وأضاف التصحيحات لالانتثار والحيود كشفت خلال الاختبار الأخير في TRF وتحديثات الخوارزمية اثنين. تحدِّد الخوارزمية بشكل أكثر دقة السلوك الحراري للأداة وتعديل بيانات دورة المصراع. هذه تصحح أحد عناصر الإشارة شبه السنوية وزيادة نسبة الإشارة إلى الضوضاء ، على التوالي. وقد أدى التأثير الصافي لهذه التصحيحات إلى انخفاض متوسط قيمة ACRIM3 TSI دون التأثير على الاتجاه في ACSI TSI المركب.

الاختلافات بين ACRIM ومركبات TOD PMOD واضحة ، ولكن الأهم هو اتجاهات الحد الأدنى من الطاقة الشمسية إلى الحد الأدنى خلال دورات الطاقة الشمسية 21-23. وجد ACRIM زيادة بنسبة + 0.037٪ / عقد من 1980 إلى 2000 ونقص بعد ذلك. تقدم PMOD انخفاضا مطردا منذ عام 1978. ويمكن أيضا أن نرى اختلافات كبيرة خلال ذروة الدورتين الشمسية 21 و 22. وينشأ هذا من حقيقة أن ACRIM يستخدم نتائج TSI الأصلية التي نشرتها فرق تجارب الأقمار الصناعية في حين تعديل PMOD بشكل كبير بعض النتائج ل تتفق مع نماذج بروكسي TSI محددة. إن الآثار المترتبة على زيادة TSI خلال الاحترار العالمي في العقدين الأخيرين من القرن العشرين هي أن التأثير الشمسي قد يكون عاملًا هامًا بشكل كبير في تغير المناخ أكبر من تمثيله في نماذج المناخ العام لدورة CMIP5.

الإشعاع على سطح الأرض
يبلغ متوسط الإشعاع الشمسي السنوي الذي يصل إلى الجزء العلوي من الغلاف الجوي للأرض ما يقرب من 1361 واط / م 2. وتضعف أشعة الشمس أثناء مرورها عبر الغلاف الجوي ، تاركة أقصى قدر من الإشعاع السطحي العادي عند حوالي 1000 واط / م 2 عند مستوى سطح البحر في يوم صافٍ. عندما يصل 1361 واط / م 2 فوق الغلاف الجوي (عندما تكون الشمس في سمت في سماء صافية) ، تكون الشمس المباشرة حوالي 1050 واط / م 2 ، والإشعاع العالمي على سطح أفقي عند مستوى الأرض حوالي 1120 واط / م 2. ويشمل الشكل الأخير الإشعاع المتناثر أو المعاد بناؤها من الغلاف الجوي والمناطق المحيطة بها. الرقم الفعلي يختلف مع زاوية الشمس والظروف الجوية. في ظل تجاهل الغيوم ، يبلغ متوسط التشظّي اليومي للأرض حوالي 6 كيلووات ساعة / متر مربع = 21.6 ميجا جول / متر مربع.

يعتمد إخراج لوحة ضوئية ، على سبيل المثال ، على زاوية الشمس بالنسبة للوحة. One Sun هي وحدة لتدفق الطاقة ، وليست قيمة قياسية للإشعال الفعلي. أحيانا يشار إلى هذه الوحدة باسم سول ، لا ينبغي الخلط بينه وبين سول ، وهذا يعني يوم واحد للطاقة الشمسية.

امتصاص وانعكاس
يتم امتصاص جزء من الإشعاع الذي يصل إلى كائن وينعكس الباقي. عادة يتم تحويل الإشعاع الممتص إلى طاقة حرارية ، مما يزيد من درجة حرارة الجسم. بيد أن الأنظمة الصناعية أو الطبيعية يمكنها تحويل جزء من الإشعاع الممتص إلى شكل آخر مثل الروابط الكهربائية أو الكيميائية ، كما هو الحال في الخلايا أو الخلايا الكهروضوئية. نسبة الإشعاع المنعكس هي انعكاسية الكائن أو البياض.

تأثير الإسقاط
يكون التشمس على السطح أكبر عندما يواجه السطح (من الطبيعي) الشمس. نظرًا لأن الزاوية بين السطح والشمس تتحرك من الوضع الطبيعي ، يتم تقليل التشوه بما يتناسب مع زاوية جيب الزاوية ؛ رؤية تأثير زاوية الشمس على المناخ.

في الشكل ، الزاوية الموضحة هي بين الأرض والشمس بدلاً من بين الاتجاه الرأسي والشمس. ومن هنا فإن الجيب بدلا من جيب التمام مناسب.يصل عرض شعاع الشمس لمسافة ميل واحد (1.6 كيلومتر) من فوق الرأس مباشرة ، والآخر بزاوية 30 درجة إلى الجانب الأفقي. جيب الزاوية 30 درجة هو 1/2 ، في حين أن جيب زاوية 90 درجة هو 1. لذلك ، فإن شعاع الشمس الزاوي يوزع الضوء على المنطقة مرتين.وبالتالي ، يقع نصف كمية الضوء على كل ميل مربع.

هذا “تأثير الإسقاط” هو السبب الرئيسي في أن المناطق القطبية للأرض أكثر برودة من المناطق الاستوائية. وفي المتوسط السنوي ، تحصل القطبين على تشوه أقل مما يفعله خط الاستواء ، لأن القطبين يكونان دائمًا بعيدًا عن الشمس أكثر من المناطق المدارية ، وعلاوةً على ذلك ، لا يحصلان على أي إزعاج على الإطلاق طوال الأشهر الستة من فصول الشتاء الخاصة بهما.

تأثير الامتصاص
في زاوية أقل يجب أن ينتقل الضوء أيضًا عبر المزيد من الغلاف الجوي. هذا يضعف ذلك (عن طريق الامتصاص والانتثار) مزيد من الحد من التشمس على السطح.

يخضع التوهين لقانون بير لامبرت ، أي أن نفاذية أو جزء من التشوه الذي يصل إلى السطح ينخفض بشكل كبير في العمق البصري أو الامتصاص (تختلف المفهومان فقط بعامل ثابت قدره ln (10) = 2.303) للمسير من التشمس من خلال الغلاف الجوي. بالنسبة لأي طول قصير محدد للمسار ، يتناسب العمق البصري مع كمية الامتصاص والناثرات على طول هذا الطول ، وعادةً ما يتزايد مع انخفاض الارتفاع. إن العمق البصري للمسار الكامل هو إذن مجموع (مجموع) تلك الأعماق البصرية على طول المسار.

عندما تكون طبقات الممتصات متعددة الطبقات ، يعتمد ذلك على الوضع الرأسي أكثر من الموضع الأفقي في الغلاف الجوي ، إلى تقريب جيد يكون العمق البصري متناسبًا عكسياً مع تأثير الإسقاط ، أي إلى جيب تمام زاوية السمت. بما أن النفاذية تقل بشكل كبير مع زيادة العمق البصري ، مع اقتراب الشمس من الأفق ، تأتي نقطة يسيطر فيها الامتصاص على الإسقاط لبقية اليوم. مع مستوى عال نسبيا من امتصاص هذا يمكن أن يكون جزء كبير من وقت متأخر بعد الظهر ، وبالمثل في الصباح الباكر. وعلى النقيض من الغياب التام (الافتراضي) للامتصاص ، يظل العمق البصري صفرًا عند جميع ارتفاعات الشمس ، أي أن النفاذية تبقى 1 ، وبالتالي لا ينطبق سوى تأثير الإسقاط.

تطبيقات

الطاقة الشمسية
وتستخدم أرقام التشعيع الشمسي للتخطيط لنشر أنظمة الطاقة الشمسية. في العديد من البلدان ، يمكن الحصول على الأرقام من خارطة التشمس أو من جداول العزل التي تعكس البيانات على مدى 30 إلى 50 سنة السابقة. يمكن لتقنيات الطاقة الشمسية المختلفة استخدام مكونات مختلفة للإشعاع الكلي. في حين أن الألواح الشمسية الكهروضوئية قادرة على تحويل الكهرباء إلى إشعاع مباشر وتشعيع منتشر ، فإن الطاقة الشمسية المركزة قادرة فقط على العمل بكفاءة مع الإشعاع المباشر ، مما يجعل هذه الأنظمة مناسبة فقط في المواقع ذات الغطاء السحابي المنخفض نسبياً.

نظرًا لأنه يتم دائمًا تثبيت ألواح تجميع الطاقة الشمسية بزاوية تجاه الشمس ، يجب تعديل التشبع لمنع التقديرات غير الدقيقة في الشتاء والارتفاع غير الدقيق في الصيف. وهذا يعني أيضًا أن كمية الشمس التي تسقط على لوح شمسي عند خط العرض المرتفع ليست منخفضة مقارنةً بواحد عند خط الاستواء كما هو متوقع من مجرد النظر إلى التشمس على سطح أفقي.

يتم تصنيف الألواح الكهروضوئية تحت ظروف قياسية لتحديد تصنيف Wp (قمة الذروة) ، والذي يمكن استخدامه بعد ذلك مع التشوه لتحديد المخرجات المتوقعة ، معدلة بعوامل مثل الإمالة والتتبع والتظليل (والتي يمكن تضمينها لإنشاء Wp مثبت تقييم). تتراوح قيم التشميس من 800 إلى 950 كيلوواط / ساعة (kWp • y) في النرويج لتصل إلى 2،900 كيلو وات في الساعة (kWp) في أستراليا.

البنايات
في البناء ، يعتبر التشمس أحد الاعتبارات الهامة عند تصميم مبنى لموقع معين.
يمكن استخدام تأثير الإسقاط لتصميم المباني التي تكون باردة في الصيف ودافئة في الشتاء ، من خلال توفير نوافذ عمودية على الجانب المواجه للمساكن من المبنى (الوجه الجنوبي في نصف الكرة الشمالي ، أو الوجه الشمالي في نصف الكرة الجنوبي) : هذا يزيد من التشمس في أشهر الشتاء عندما تكون الشمس منخفضة في السماء ويقللها في الصيف عندما تكون الشمس مرتفعة. (يمتد المسار الشمالي / الجنوبي للشمس عبر السماء على مدار 47 درجة طوال العام).

هندسة مدنية
في الهندسة المدنية والهيدرولوجيا ، تستخدم النماذج العددية لجريان السيل الثلجي مراقبات الشوائب. هذا يسمح لتقدير معدل إطلاق الماء من ذوبان الثلوج. يتم إجراء القياس الميداني باستخدام مقياس pyranometer.

بحوث المناخ
تلعب Irradiance دورًا في النمذجة المناخية والتنبؤ بالطقس. يشير الإشعاع الصافي العالمي غير الصفري في الجزء العلوي من الغلاف الجوي إلى اختلال التوازن الحراري للأرض كما يفرضه التأثير المناخي.

ﻻ ﯾﻌﺗﺑر ﺗﺄﺛﯾر ﻗﯾﻣﺔ TSI اﻟﺧﻔﯾف ﻟﻌﺎم 2014 ﻋﻟﯽ اﻟﻧﻣﺎذج اﻟﻣﻧﺎﺧﯾﺔ ﻏﯾر ﻣﻌروف عادةً ما يُعتبر عدد قليل من أعشار التغير في مستوى TSI المطلق أقل من الحد الأدنى لمحاكاة المناخ. تتطلب القياسات الجديدة تعديلات معلمات نموذج المناخ.

اختبرت التجارب مع نموذج GISS 3 حساسية أداء النموذج إلى القيمة المطلقة لـ TSI خلال العهود الحالية وما قبل الصناعية ، ووصف ، على سبيل المثال ، كيف يتم تقسيم خفض الإشعاع بين الغلاف الجوي والسطح والتأثيرات على الإشعاع الصادر.

يتطلب تقييم تأثير تغيرات الإشعاع طويل الأجل على المناخ قدرا أكبر من استقرار الأدوات إلى جانب رصدات عالمية موثوقة لدرجات حرارة سطح الأرض لتحديد مقدار عمليات الاستجابة المناخية للتأثير الإشعاعي على مقاييس الزمن العقدية. وتضفي زيادة الإشعاع المرصودة بنسبة 0.1٪ تأثيراً مناخياً قدره 0.22 وات / م 2 ، مما يوحي باستجابة مناخية عابرة تبلغ 0.6 درجة مئوية لكل واط / م 2. وهذه الاستجابة أكبر بعامل يبلغ 2 أو أكثر مما هو مذكور في نماذج 2008 التي تم تقييمها من قبل الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ (IPCC) ، والتي يمكن أن تظهر في امتصاص حرارة النماذج من قبل المحيط.

السفر إلى الفضاء
العزل هو المتغير الأساسي الذي يؤثر على درجة حرارة التوازن في تصميم المركبات الفضائية وعلم الكواكب.

يعتبر نشاط الطاقة الشمسية وقياس الإشعاعية مصدر قلق للسفر عبر الفضاء. على سبيل المثال ، أطلقت وكالة الفضاء الأمريكية ، ناسا ، قمرها الخاص بالإشعاع الشمسي والمناخ التجريبي (SORCE) مع مراقبي الإشعاع الشمسي.