Die Sonneneinstrahlung ist die Leistung pro Flächeneinheit, die von der Sonne in Form von elektromagnetischer Strahlung im Wellenlängenbereich des Messinstruments empfangen wird. Die im Laufe der Zeit integrierte Sonneneinstrahlung wird Sonneneinstrahlung, Sonneneinstrahlung oder Sonneneinstrahlung genannt. Die Sonneneinstrahlung wird jedoch oft synonym mit der Bestrahlungsstärke in der Praxis verwendet.

Die Bestrahlungsstärke kann nach atmosphärischer Absorption und Streuung im Weltraum oder an der Erdoberfläche gemessen werden. Die Bestrahlungsstärke im Raum ist eine Funktion der Entfernung von der Sonne, des Sonnenzyklus und der zyklischen Änderungen. Die Einstrahlung auf die Erdoberfläche hängt zusätzlich von der Neigung der Messfläche, der Höhe der Sonne über dem Horizont und den atmosphärischen Bedingungen ab. Die Sonnenbestrahlung beeinflusst den Pflanzenstoffwechsel und das Verhalten der Tiere.

Typen
Es gibt verschiedene Arten von Sonneneinstrahlung.

Die gesamte Sonneneinstrahlung (Total Solar Irradiance, TSI) ist ein Maß für die Sonnenenergie über alle Wellenlängen pro Flächeneinheit, die auf die obere Erdatmosphäre einwirken. Es wird senkrecht zum einfallenden Sonnenlicht gemessen. Die Sonnenkonstante ist ein konventionelles Maß für den mittleren TSI bei einer Entfernung von einer Astronomischen Einheit (AU).

Direkte Normalstrahlung (DNI) oder Strahlstrahlung wird an der Erdoberfläche an einer bestimmten Stelle mit einem Oberflächenelement senkrecht zur Sonne gemessen. Es schließt diffuse Sonnenstrahlung (Strahlung, die von atmosphärischen Komponenten gestreut oder reflektiert wird) aus. Die direkte Bestrahlungsstärke entspricht der außerirdischen Bestrahlungsstärke über der Atmosphäre minus den atmosphärischen Verlusten aufgrund von Absorption und Streuung. Die Verluste hängen von der Tageszeit (Länge des Weges des Lichts durch die Atmosphäre, abhängig vom Sonnenhöhenwinkel), Wolkendecke, Feuchtigkeitsgehalt und anderen Inhalten ab. Die Bestrahlungsstärke über der Atmosphäre variiert ebenfalls mit der Jahreszeit (weil die Entfernung zur Sonne variiert), obwohl dieser Effekt im Vergleich zu der Auswirkung von Verlusten auf DNI im Allgemeinen weniger signifikant ist.

Diffuse Horizontal Irradiance (DHI) oder Diffuse Sky Radiation ist die Strahlung an der Erdoberfläche aus Licht, das von der Atmosphäre gestreut wird. Es wird auf einer horizontalen Oberfläche gemessen, wobei die Strahlung von allen Himmelsstellen ausgeht, mit Ausnahme der zirkumsolaren Strahlung (Strahlung, die von der Sonnenscheibe kommt). Es würde fast keine DHI in Abwesenheit von Atmosphäre geben.

Global Horizontal Irradiance (GHI) ist die Gesamtbestrahlungsstärke der Sonne auf einer horizontalen Oberfläche der Erde. Es ist die Summe der direkten Bestrahlungsstärke (nach Berücksichtigung des Sonnenzenitwinkels der Sonne z) und der diffusen horizontalen Bestrahlungsstärke:

Einheiten
Die SI-Einheit der Bestrahlungsstärke ist Watt pro Quadratmeter (W / m2).

Eine alternative Maßeinheit ist Langley (1 thermochemische Kalorie pro Quadratzentimeter oder 41.840 J / m²) pro Zeiteinheit.

Die Solarenergie-Industrie verwendet Wattstunden pro Quadratmeter (Wh / m2) pro Zeiteinheit. Die Beziehung zur SI-Einheit ist somit: 1 kW / m2 = (24 h / Tag) × (1 kW / m2) = (24 kWh / m2) / Tag = (365 Tag / Jahr) × (24 kWh / m2) / Tag = (8760 kWh / m2) / Jahr.

Bestrahlung an der Spitze der Atmosphäre
Die Verteilung der Sonnenstrahlung an der Spitze der Atmosphäre wird durch die Kugelform und die Bahnparameter der Erde bestimmt. Dies gilt für jeden unidirektionalen Strahl, der auf eine rotierende Kugel auftrifft. Die Sonneneinstrahlung ist essentiell für die numerische Wettervorhersage und das Verständnis von Jahreszeiten und Klimawandel. Anwendung auf Eiszeiten ist als Milankovitch Zyklen bekannt.

Die Verteilung basiert auf einer fundamentalen Identität aus der sphärischen Trigonometrie, dem sphärischen Kosinusgesetz:

wobei a, b und c Bogenlängen im Bogenmaß der Seiten eines sphärischen Dreiecks sind. C ist der Winkel im Scheitelpunkt gegenüber der Seite mit der Bogenlänge c. Bei der Berechnung des Sonnenzenitwinkels Applied gilt für das Kugelgesetz von Kosinus:

Die obige Gleichung kann auch von einer allgemeineren Formel abgeleitet werden:

wobei β ein Winkel von der Horizontalen und γ ein Azimutwinkel ist.

Die Trennung der Erde von der Sonne kann als RE bezeichnet werden, und der mittlere Abstand kann mit R0 bezeichnet werden, ungefähr 1 astronomische Einheit (AU). Die Solarkonstante ist mit S0 bezeichnet. Die Sonnenflussdichte (Sonneneinstrahlung) auf eine Ebene, die tangential zur Erdkugel verläuft, aber über dem Großteil der Atmosphäre (Höhe 100 km oder mehr) beträgt:

Der Durchschnitt von Q über einen Tag ist der Durchschnitt von Q über eine Rotation oder der Stundenwinkel, der von h = π nach h = -π verläuft:

Sei h0 der Stundenwinkel, wenn Q positiv wird. Dies könnte bei Sonnenaufgang auftreten, wenn  oder für h0 als Lösung von

oder

Wenn tan (φ) tan (δ) & gt; 1, dann geht die Sonne nicht unter und die Sonne ist schon um h = π angestiegen, also ho = π. Wenn tan (φ) tan (δ) & lt; -1, die Sonne geht nicht auf und .

 ist im Laufe eines Tages fast konstant und kann außerhalb des Integrals genommen werden

Deshalb:

Sei θ der konventionelle Polarwinkel, der eine Planetenbahn beschreibt. Sei θ = 0 am Frühlingsäquinoktium. Die Deklination δ als Funktion der Orbitalposition ist

wo ε ist die Schiefe. Der konventionelle Längengrad von Perihel π ist relativ zum Frühlingspunkt definiert, also für die elliptische Umlaufbahn:

oder

Mit Kenntnis von π, ε und e aus astrodynamischen Berechnungen und So aus einem Konsens von Beobachtungen oder Theorien,  kann für jeden Breitengrad φ und θ berechnet werden.Wegen der elliptischen Umlaufbahn und als Folge des zweiten Keplerschen Gesetzes entwickelt sich θ nicht gleichmäßig mit der Zeit. Dennoch ist θ = 0 ° genau die Zeit des Frühlingspunktes, θ = 90 ° ist genau die Zeit der Sommersonnenwende, θ = 180 ° ist genau die Zeit des Herbstäquinoktiums und θ = 270 ° ist genau die Zeit von die Wintersonnenwende.

Eine vereinfachte Gleichung für die Bestrahlungsstärke an einem bestimmten Tag ist:

wo n ist eine Zahl eines Tages des Jahres.

Variation
Gesamtbestrahlungsstärke
Die gesamte Sonneneinstrahlung (TSI) ändert sich langsam auf dekadischen und längeren Zeitskalen. Die Variation während des Sonnenzyklus 21 betrug etwa 0,1% (Spitze zu Spitze). Im Gegensatz zu älteren Rekonstruktionen weisen jüngste TSI-Rekonstruktionen auf eine Zunahme von nur etwa 0,05% bis 0,1% zwischen dem Maunder-Minimum und der Gegenwart hin.

Ultraviolette Bestrahlungsstärke
Die Ultraviolettbestrahlungsstärke (EUV) variiert um ungefähr 1,5 Prozent von Sonnenmaxima zu Minima für Wellenlängen von 200 bis 300 nm. Eine Proxy-Studie schätzte jedoch, dass die UV-Strahlung seit dem Maunder-Minimum um 3,0% gestiegen ist.

Milankovitch Zyklen

Einige Variationen in der Sonneneinstrahlung sind nicht auf Sonnenveränderungen zurückzuführen, sondern eher auf die Bewegung der Erde zwischen ihrem Perigäum und ihrem Apogäum oder auf Änderungen in der Breitenverteilung der Strahlung. Diese Orbitaländerungen oder Milankovitch-Zyklen haben Strahlendifferenzen von bis zu 25% (lokal; globale durchschnittliche Änderungen sind viel kleiner) über lange Zeiträume verursacht. Das letzte signifikante Ereignis war eine axiale Neigung von 24 ° während des borealen Sommers in der Nähe des holozänen Klimamodells.

Eine Zeitreihe für eine  für eine bestimmte Jahreszeit, und besondere Breite, ist eine nützliche Anwendung in der Theorie der Milankovitch-Zyklen. Zum Beispiel ist bei der Sommersonnenwende die Deklination δ gleich der Neigung ε. Die Entfernung von der Sonne ist

Für diese Sommersonnenwendeberechnung ist die Rolle der elliptischen Umlaufbahn vollständig innerhalb des wichtigen Produktes enthalten  der Präzessionsindex, dessen Variation die Schwankungen der Sonneneinstrahlung bei 65 ° N dominiert, wenn die Exzentrizität groß ist. Für die nächsten 100.000 Jahre, mit Variationen in der Exzentrizität, die relativ klein sind, dominieren Variationen in der Schräglage.

Messung
Der weltraumgestützte TSI-Datensatz umfasst Messungen von mehr als zehn Radiometern, die sich über drei Sonnenzyklen erstrecken.

Technik
Alle modernen TSI-Satelliteninstrumente verwenden eine aktive Hohlraumresonatorradiometrie.Diese Technik wendet eine gemessene elektrische Heizung an, um einen absorbierten geschwärzten Hohlraum im thermischen Gleichgewicht zu halten, während einfallendes Sonnenlicht durch eine Präzisionsöffnung eines kalibrierten Bereichs hindurchtritt. Die Blende wird über einen Shutter moduliert. Genauigkeitsunsicherheiten von & lt; 0,01% sind erforderlich, um langfristige Sonnenbestrahlungsschwankungen zu erfassen, da erwartete Änderungen im Bereich von 0,05 bis 0,15 W / m² pro Jahrhundert liegen.

Intertemporale Kalibrierung
In der Umlaufbahn driften radiometrische Kalibrierungen aus Gründen der solaren Verschlechterung des Hohlraums, der elektronischen Verschlechterung des Heizelements, der Oberflächenverschlechterung der Präzisionsöffnung und variierender Oberflächenemissionen und Temperaturen, die thermische Hintergründe verändern. Diese Kalibrierungen erfordern eine Kompensation, um konsistente Messungen zu erhalten.

Aus verschiedenen Gründen stimmen die Quellen nicht immer überein. Die TSI-Werte für Sonnenstrahlung und Klimaexperiment / Gesamtbestrahlung (SORCE / TIM) sind niedriger als die früheren Messungen des ERDI (Radiochemisches Haushaltserdiment) auf dem Erdbeobachtungssatelliten (ERBS), VIRGO auf dem Sonnenheliosphärenobservatorium (SOHO). und die ACRIM-Instrumente für die Solar Maximum Mission (SMM), den UARS (Upper Atmosphere Research Satellite) und ACRIMSat. Vor dem Start durchgeführte Bodenkalibrierungen beruhten eher auf Komponentenmessungen als auf Messungen auf Systemebene, da Bestrahlungsstandards keine absoluten Genauigkeiten aufwiesen.

Bei der Messstabilität werden unterschiedliche Radiometer-Hohlräume unterschiedlichen Ansammlungen von Sonnenstrahlung ausgesetzt, um die expositionsabhängigen Degradationseffekte zu quantifizieren. Diese Effekte werden dann in den endgültigen Daten kompensiert. Beobachtungsüberlappungen erlauben Korrekturen sowohl für absolute Offsets als auch für Validierung von instrumentellen Drifts.

Unsicherheiten einzelner Beobachtungen übersteigen die Bestrahlungsvariabilität (~ 0,1%). Daher werden Instrumentenstabilität und Messungskontinuität zur Berechnung realer Variationen herangezogen.

Langfristige Radiometerdriften können fälschlicherweise für Schwankungen der Bestrahlungsstärke gehalten werden, die fälschlicherweise als klimaschädlich interpretiert werden können. Beispiele hierfür sind das Problem des Anstiegs der Bestrahlungsstärke zwischen Zyklusminima in den Jahren 1986 und 1996, der sich nur im ACRIM-Verbundmaterial (und nicht im Modell) und den niedrigen Bestrahlungsstärken im PMOD-Verbundmaterial während des Minimums von 2008 zeigt.

Trotz der Tatsache, dass ACRIM I, ACRIM II, ACRIM III, VIRGO und TIM die Degradation mit redundanten Kavitäten verfolgen, bleiben bemerkenswerte und unerklärbare Unterschiede in der Bestrahlungsstärke und den modellierten Einflüssen von Sonnenflecken und Fackeln bestehen.

Anhaltende Inkonsistenzen
Meinungsverschiedenheiten zwischen sich überlappenden Beobachtungen deuten auf ungelöste Drifts hin, die darauf hindeuten, dass die TSI-Aufzeichnungen nicht ausreichend stabil sind, um solare Veränderungen auf dekadischen Zeitskalen zu erkennen. Nur das ACRIM-Komposit zeigt zwischen 1986 und 1996 eine um 1 W / m2 zunehmende Bestrahlungsstärke; Diese Änderung fehlt auch im Modell.

Empfehlungen zur Behebung der Gerätediskrepanzen umfassen die Validierung der optischen Messgenauigkeit durch Vergleich von bodengestützten Instrumenten mit Laborreferenzen, wie z. B. denen des National Institute of Science and Technology (NIST); Die NIST-Validierung von Aperturflächen-Kalibrierungen verwendet Ersatzteile von jedem Instrument; und Anwenden von Beugungskorrekturen von der Sichtbegrenzungsöffnung.

Für ACRIM stellte NIST fest, dass die Beugung von der Sichtbegrenzungsblende ein Signal von 0,13% liefert, das in den drei ACRIM-Instrumenten nicht berücksichtigt wurde. Diese Korrektur senkt die gemeldeten ACRIM-Werte und bringt ACRIM näher an TIM heran. Bei ACRIM und allen anderen Instrumenten, außer TIM, befindet sich die Öffnung tief im Instrument, mit einer größeren Sichtbegrenzungsblende an der Vorderseite. Abhängig von Kantenfehlern kann dies direkt Licht in die Kavität streuen. Diese Konstruktion lässt im vorderen Teil des Instruments die zwei- bis dreifache Menge an Licht zu, die gemessen werden soll; wenn es nicht vollständig absorbiert oder gestreut wird, erzeugt dieses zusätzliche Licht fälschlicherweise hohe Signale. Im Gegensatz dazu platziert das Design von TIM die Präzisionsblende so, dass nur das gewünschte Licht eintritt.

Variationen aus anderen Quellen schließen wahrscheinlich einen jährlichen Zyklus ein, der nahezu in Phase mit der Sonne-Erde-Distanz in ACRIM III-Daten und 90-Tage-Spitzen in den VIRGO-Daten ist, die mit SoHO-Raumfahrzeugmanövern zusammenfallen, die während des solaren Minimums 2008 am deutlichsten waren.

TSI Radiometer Facility
Die hohe absolute Genauigkeit von TIM schafft neue Möglichkeiten zur Messung von Klimavariablen.TSI Radiometer Facility (TRF) ist ein kryogenes Radiometer, das im Vakuum mit kontrollierten Lichtquellen arbeitet. L-1 Standards and Technology (LASP) entwarf und baute das System, das 2008 fertiggestellt wurde. Es wurde für optische Leistung gegen das NIST Primary Optical Watt Radiometer kalibriert, ein kryogenes Radiometer, das die NIST-Strahlungsleistungsskala auf eine Unsicherheit von 0,02% hält ( 1σ). Ab 2011 war TRF die einzige Einrichtung, die die gewünschte & lt; 0,01% ige Unsicherheit für die Vorstartvalidierung von Solarradiometern erreichte, die Bestrahlungsstärke (und nicht nur optische Leistung) bei Solarenergieniveaus und unter Vakuumbedingungen messen.

TRF umschließt sowohl das Referenzradiometer als auch das zu prüfende Instrument in einem gemeinsamen Vakuumsystem, das einen stationären, räumlich einheitlichen Beleuchtungsstrahl enthält. Eine Präzisionsblende mit einer auf 0,0031% (1σ) kalibrierten Fläche bestimmt den gemessenen Teil des Strahls. Die Präzisionsapertur des Testinstruments wird an derselben Stelle positioniert, ohne den Strahl optisch zu verändern, um direkt mit der Referenz verglichen zu werden.Variable Strahlleistung liefert Linearitätsdiagnose und variable Strahldurchmesserdiagnosen, die von verschiedenen Instrumentenkomponenten streuen.

Die Glory / TIM- und PICARD / PREMOS-Fluginstrument-Absolutskalen sind nun sowohl bei der optischen Leistung als auch bei der Bestrahlungsstärke auf die TRF rückführbar. Die daraus resultierende hohe Genauigkeit reduziert die Folgen einer zukünftigen Lücke in der Sonneneinstrahlung.

Differenz relativ zu TRF

Instrument	Einstrahlung: Sichtbegrenzende Blende überfüllt	Einstrahlung: Präzisionsblende überfüllt	Unterschied, der auf Streufehler zurückzuführen ist	Gemessener optischer Leistungsfehler	Reststrahlungsvereinbarung	Unsicherheit
SORCE / TIM Boden	N / A	-0,037%	N / A	-0,037%	0,000%	0,032%
Ruhm / TIM Flug	N / A	-0.012%	N / A	-0.029%	0,017%	0,020%
PREMOS-1 Boden	-0,005%	-0,104%	0,098%	-0.049%	-0,104%	~0.038%
PREMOS-3 Flug	0.642%	0,605%	0,037%	0.631%	-0.026%	~0,027%
VIRGO-2 Boden	0,897%	0.743%	0.154%	0.730%	0,013%	~0,025%

Neubeurteilung 2011
Der wahrscheinlichste Wert der TSI, der für das solare Minimum repräsentativ ist, ist 1360,8 ± 0,5 W / m2, niedriger als der früher akzeptierte Wert von 1365,4 ± 1,3 W / m2, der in den 1990er Jahren eingeführt wurde. Der neue Wert kam von SORCE / TIM und radiometrischen Labortests. Streulicht ist eine Hauptursache für die höheren Strahlungsintensitätswerte, die von früheren Satelliten gemessen wurden, bei denen die Präzisionsapertur hinter einer grßeren, die Sicht begrenzenden Apertur liegt. Die TIM verwendet eine Sichtbegrenzungsblende, die kleiner ist als eine Präzisionsblende, die dieses Störsignal ausschließt. Die neue Schätzung beruht eher auf einer besseren Messung als auf einer Änderung der Solarleistung.

Eine Regressionsmodell-basierte Aufspaltung des relativen Anteils von Sonnenflecken- und frakulären Einflüssen von SORCE / TIM-Daten macht 92% der beobachteten Varianz aus und verfolgt die beobachteten Trends innerhalb der TIM-Stabilitätsbande. Diese Vereinbarung liefert weitere Belege dafür, dass TSI-Variationen hauptsächlich auf die magnetische Aktivität der Sonnenoberfläche zurückzuführen sind.

Neubeurteilung 2014
Im Jahr 2014 wurde ein neues ACRIM-Composite mit dem aktualisierten ACRIM3-Record entwickelt.Es fügte Korrekturen für Streuung und Beugung hinzu, die während der letzten Tests bei TRF und zwei Aktualisierungen des Algorithmus aufgedeckt wurden. Der Algorithmus aktualisiert genauer das thermische Verhalten des Instruments und analysiert die Daten des Verschlusszyklus. Diese korrigierten eine Komponente des quasi-jährlichen Signals und erhöhten das Signal-Rausch-Verhältnis. Der Nettoeffekt dieser Korrekturen verringerte den durchschnittlichen ACRIM3-TSI-Wert, ohne die Trends in der ACRIM-Composite-TSI zu beeinflussen.

Unterschiede zwischen ACRIM- und PMOD-TSI-Verbundwerkstoffen sind offensichtlich, aber die wichtigsten sind die solaren Minimum-zu-Minimum-Trends während der Sonnenzyklen 21-23.ACRIM fand zwischen 1980 und 2000 einen Anstieg von + 0,037% / Dekade und danach einen Rückgang. PMOD hingegen zeigt seit 1978 einen stetigen Rückgang. Signifikante Unterschiede sind auch während des Höhepunkts der Sonnenzyklen 21 und 22 zu verzeichnen. Diese ergeben sich aus der Tatsache, dass ACRIM die ursprünglichen TSI-Ergebnisse der Satelliten-Versuchsteams verwendet, während PMOD einige Ergebnisse signifikant modifiziert passen Sie sie spezifischen TSI-Proxy-Modellen an. Die Auswirkungen der zunehmenden TSI während der globalen Erwärmung in den letzten beiden Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts sind, dass der Solarantrieb ein marginal größerer Faktor für den Klimawandel sein kann, als in den allgemeinen zirkulierenden Klimamodellen CMIP5 dargestellt.

Einstrahlung auf der Erdoberfläche
Die durchschnittliche jährliche Sonneneinstrahlung, die an die Spitze der Erdatmosphäre gelangt, beträgt ungefähr 1361 W / m2. Die Strahlen der Sonne werden abgeschwächt, wenn sie durch die Atmosphäre hindurchgehen, wobei die maximale normale Oberflächenbestrahlung bei ungefähr 1000 W / m² auf Meereshöhe an einem klaren Tag verbleibt. Wenn 1361 W / m2 über der Atmosphäre ankommen (wenn die Sonne an einem wolkenlosen Himmel im Zenit steht), beträgt die direkte Sonne etwa 1050 W / m2 und die globale Strahlung auf einer horizontalen Fläche am Boden beträgt etwa 1120 W / m2. Die letztgenannte Zahl enthält Strahlung, die von Atmosphäre und Umgebung gestreut oder wieder abgegeben wird. Die tatsächliche Zahl variiert mit dem Winkel und den atmosphärischen Bedingungen der Sonne. Ohne Berücksichtigung der Wolken beträgt die tägliche durchschnittliche Sonneneinstrahlung für die Erde etwa 6 kWh / m2 = 21,6 MJ / m2.

Die Leistung von beispielsweise einem Photovoltaik-Paneel hängt teilweise von dem Winkel der Sonne relativ zu dem Paneel ab. Eine Sonne ist eine Einheit des Leistungsflusses, nicht ein Standardwert für die tatsächliche Sonneneinstrahlung. Manchmal wird diese Einheit als Sol bezeichnet, nicht um mit einem Sol zu verwechseln, was einen Solartag bedeutet.

Absorption und Reflexion
Ein Teil der Strahlung, die ein Objekt erreicht, wird absorbiert und der Rest reflektiert. Normalerweise wird die absorbierte Strahlung in thermische Energie umgewandelt, wodurch die Temperatur des Objekts erhöht wird. Künstliche oder natürliche Systeme können jedoch einen Teil der absorbierten Strahlung in eine andere Form wie Elektrizität oder chemische Bindungen umwandeln, wie dies bei photovoltaischen Zellen oder Pflanzen der Fall ist. Der Anteil der reflektierten Strahlung ist das Reflexionsvermögen des Objekts oder Albedo.

Projektionseffekt
Die Sonneneinstrahlung auf eine Oberfläche ist am größten, wenn die Oberfläche direkt der Sonne zugewandt ist (normal ist). Wenn sich der Winkel zwischen der Oberfläche und der Sonne von der Norm aus bewegt, wird die Sonneneinstrahlung proportional zum Kosinus des Winkels reduziert.siehe Effekt des Sonnenwinkels auf das Klima.

In der Figur ist der gezeigte Winkel zwischen dem Boden und dem Sonnenstrahl und nicht zwischen der vertikalen Richtung und dem Sonnenstrahl; daher ist der Sinus und nicht der Kosinus angemessen. Ein 1,6 km breiter Sonnenstrahl kommt direkt von oben und ein anderer in einem Winkel von 30 ° zur Horizontalen. Der Sinus eines 30 ° -Winkels ist 1/2, während der Sinus eines 90 ° -Winkels 1 ist. Daher spreizt der angewinkelte Sonnenstrahl das Licht über die doppelte Fläche.Folglich fällt halb so viel Licht auf jede Quadratmeile.

Dieser „Projektionseffekt“ ist der Hauptgrund dafür, dass die polaren Regionen der Erde viel kälter sind als äquatoriale Regionen. Im Jahresdurchschnitt erhalten die Pole weniger Sonneneinstrahlung als der Äquator, weil die Pole immer mehr von der Sonne abgewinkelt sind als die Tropen und außerdem für die sechs Monate ihres jeweiligen Winters keine Sonneneinstrahlung erhalten.

Absorptionseffekt
In einem niedrigeren Winkel muss das Licht auch durch mehr Atmosphäre reisen. Dies dämpft (durch Absorption und Streuung) die Sonneneinstrahlung an der Oberfläche weiter.

Die Dämpfung wird durch das Beer-Lambert-Gesetz bestimmt, nämlich dass die Transmission oder der Anteil der Sonneneinstrahlung, die die Oberfläche erreicht, exponentiell in der optischen Tiefe oder Extinktion (die zwei Begriffe unterscheiden sich nur um einen konstanten Faktor von ln (10) = 2,303) des Pfades abnimmt der Sonneneinstrahlung durch die Atmosphäre. Für jede gegebene kurze Länge des Weges ist die optische Tiefe proportional zur Menge der Absorber und Streuer entlang dieser Länge, die typischerweise mit abnehmender Höhe zunimmt. Die optische Tiefe des gesamten Pfades ist dann das Integral (die Summe) dieser optischen Tiefen entlang des Pfades.

Wenn die Dichte von Absorbern geschichtet ist, das heißt, viel mehr von vertikaler als horizontaler Position in der Atmosphäre abhängt, ist die optische Tiefe in guter Näherung umgekehrt proportional zum Projektionseffekt, dh zum Kosinus des Zenitwinkels. Da die Durchlässigkeit mit zunehmender optischer Tiefe exponentiell abnimmt, kommt es, wenn sich die Sonne dem Horizont nähert, zu einem Punkt, an dem die Absorption für den Rest des Tages die Projektion dominiert. Bei relativ hohen Absorbern kann dies ein beträchtlicher Teil des späten Nachmittags und ebenso des frühen Morgens sein. Umgekehrt bleibt bei der (hypothetischen) völligen Abwesenheit der Absorption die optische Tiefe in allen Sonnenhöhen gleich null, dh der Transmissionsgrad bleibt 1, und so gilt nur der Projektionseffekt.

Anwendungen

Solarenergie
Die Solarstrahlungszahlen dienen zur Planung des Einsatzes von Solarstromanlagen. In vielen Ländern können die Zahlen aus einer Sonneneinstrahlungskarte oder aus Einstrahlungstabellen erhalten werden, die Daten über die vorherigen 30-50 Jahre wiedergeben. Unterschiedliche Technologien für die Solarenergie können unterschiedliche Komponenten der Gesamtbestrahlung nutzen. Während Solar-Photovoltaik-Module sowohl direkte Bestrahlung als auch diffuse Strahlung in Elektrizität umwandeln können, kann konzentrierter Solarstrom nur mit direkter Bestrahlung effizient arbeiten, so dass diese Systeme nur an Standorten mit relativ geringer Bewölkung geeignet sind.

Da Solarkollektoren fast immer in einem Winkel zur Sonne angebracht sind, muss die Sonneneinstrahlung angepasst werden, um zu verhindern, dass die Schätzungen für den Winter ungenau und für den Sommer ungenau hoch sind. Dies bedeutet auch, dass die Menge der Sonne, die auf ein Sonnenkollektor bei hohem Breitengrad fällt, nicht so niedrig ist, verglichen mit einer Sonnenstrahlung am Äquator, wie es sich aus einer Betrachtung der Sonneneinstrahlung auf einer horizontalen Oberfläche ergeben würde.

Photovoltaikanlagen werden unter Standardbedingungen bewertet, um die Wp-Bewertung (Watt Peak) zu bestimmen, die dann mit der Sonneneinstrahlung verwendet werden kann, um die erwartete Leistung zu bestimmen, die durch Faktoren wie Neigung, Verfolgung und Schattierung (die zum Erstellen des installierten Wp berücksichtigt werden können) angepasst wird Bewertung). Die Einstrahlungswerte reichen von 800 bis 950 kWh / (kWp • y) in Norwegen bis zu 2.900 kWh / (kWp • y) in Australien.

Gebäude
Im Baubereich ist die Sonneneinstrahlung ein wichtiger Aspekt beim Entwurf eines Gebäudes für einen bestimmten Standort.
Der Projektionseffekt kann verwendet werden, um Gebäude zu entwerfen, die im Sommer kühl und im Winter warm sind, indem vertikale Fenster auf der dem Äquator zugewandten Seite des Gebäudes (der Südseite auf der Nordhalbkugel oder der Nordseite auf der Südhalbkugel) zur Verfügung gestellt werden. : Dies maximiert die Sonneneinstrahlung in den Wintermonaten, wenn die Sonne tief im Himmel steht und minimiert sie im Sommer, wenn die Sonne hoch ist. (Der Nord / Süd-Weg der Sonne durch den Himmel erstreckt sich über 47 Grad im Jahr).

Bauingenieurwesen
Im Bauwesen und in der Hydrologie verwenden numerische Modelle des Schneeschmelzeabflusses Beobachtungen der Sonneneinstrahlung. Dies ermöglicht eine Schätzung der Geschwindigkeit, mit der Wasser aus einer schmelzenden Schneedecke freigesetzt wird. Die Feldmessung erfolgt mit einem Pyranometer.

Klimaforschung
Die Bestrahlungsstärke spielt eine Rolle bei der Klimamodellierung und der Wettervorhersage. Eine von Null verschiedene globale Netto-Strahlung an der Spitze der Atmosphäre ist ein Indikator für das thermische Ungleichgewicht der Erde, das durch den Klimawandel verursacht wird.

Die Auswirkungen des niedrigeren TSI-Wertes für 2014 auf Klimamodelle sind nicht bekannt. Eine Veränderung des absoluten TSI um einige Zehntelprozent wird für Klimasimulationen typischerweise als minimal relevant angesehen. Die neuen Messungen erfordern Anpassungen des Klimamodells.

Experimente mit dem GISS-Modell 3 untersuchten die Empfindlichkeit der Modellleistung gegenüber dem absoluten TSI-Wert während gegenwärtiger und vorindustrieller Epochen und beschreiben zum Beispiel, wie die Reduktion der Strahlungsdichte zwischen der Atmosphäre und der Oberfläche und die Auswirkungen auf die ausgehende Strahlung aufgeteilt wird.

Die Bewertung der Auswirkungen langfristiger Änderungen der Strahlungsintensität auf das Klima erfordert eine größere Instrumentenstabilität in Verbindung mit zuverlässigen Beobachtungen der globalen Oberflächentemperatur, um die Reaktionsprozesse des Klimas auf den Strahlungsantrieb auf dekadischen Zeitskalen zu quantifizieren. Der beobachtete Anstieg der Bestrahlungsstärke um 0,1% bewirkt eine Klimaerzwingung von 0,22 W / m2, was auf eine vorübergehende Klimaantwort von 0,6 ° C pro W / m2 schließen lässt. Diese Antwort ist um einen Faktor von 2 oder mehr größer als in den IPCC-bewerteten Modellen von 2008, möglicherweise in der Wärmeaufnahme der Modelle durch den Ozean.

Raumfahrt
Die Sonneneinstrahlung ist die Hauptvariable, die die Gleichgewichtstemperatur im Design von Raumfahrzeugen und in der Planetologie beeinflusst.

Die Messung der Sonnenaktivität und der Bestrahlungsstärke ist ein Thema für die Raumfahrt. Zum Beispiel hat die amerikanische Raumfahrtbehörde NASA ihren Satelliten „Solar Radiation and Climate Experiment“ (SORCE) mit Solar Irradiance Monitors gestartet.