太陽放射照

太陽放射照度は、測定装置の波長範囲内で電磁放射の形で太陽から受け取った単位面積当たりの電力である。 時間とともに積算された太陽放射照度は、日射、日射、または日射と呼ばれます。 しかし、日射は実際には放射照度と交換可能に使用されることが多い。

照射輻射は、大気の吸収および散乱の後に、宇宙で、または地球の表面で測定することができる。宇宙における照射は、太陽からの距離、太陽周期、および周回変化の関数である。 地表面の照射は、測定面の傾き、水平線上の太陽の高さ、大気条件にもよります。 太陽放射は、植物の代謝および動物の行動に影響を及ぼす。

タイプ
いくつかの測定されたタイプの太陽放射照度がある。

全太陽放射率(TSI)は、地球上の大気に入射する単位面積あたりのすべての波長にわたる太陽光の尺度です。 入射する太陽光に対して垂直に測定されます。 太陽定数は、1つの天文単位(AU)の距離における平均TSIの従来の尺度である。

直接法線放射(DNI)、すなわちビーム放射は、太陽に垂直な表面要素を有する所与の場所で地球の表面で測定される。 拡散した太陽放射(大気成分によって散乱または反射される放射)は除外されます。 直接放射照度は、大気より上の地球外放射照度から、吸収および散乱による大気損失を差し引いたものに等しい。 損失は​​日時(太陽の仰角に応じて大気を通る光の経路の長さ)、雲のカバー、含水量およびその他の内容に依存する。 大気の上の放射照度も年の経過とともに変化する(太陽距離が変化するため)が、この影響は一般的にDNIの損失の影響と比較して重要ではない。

Diffuse Horizo​​ntal Irradiance(DHI)、またはDiffuse Sky Radiationは、大気によって散乱された光から地表面の放射線です。 これは、天空の放射線(太陽のディスクから放射される放射線)を除いて、空のすべての点から来る放射線で水平面で測定されます。 大気のないところではDHIはほとんどないでしょう。

地球水平放射照度(GHI)は、地球上の水平面上の太陽からの総放射照度です。 これは、直接放射照度(太陽zの太陽天頂角を考慮した後)と拡散した水平放射照度の合計です。

単位
放射照度のSI単位はワット/平方メートル(W / m2)である。

別の測定単位は、単位時間当たりのラングレー(熱化学カロリー/平方センチメートルまたは41,840 J / m2)です。

太陽エネルギー産業は単位時間当たり1平方メートルあたりのワット時(Wh / m2)を使用する。1kW / m2 =(24h /日)×(1kW / m2)=(24kWh / m2)/日=(365日/年)×(24kWh / m2)SI単位との関係は、 /日=(8760kWh / m2)/年。

大気の上部での照射
大気の上部での太陽放射の分布は、地球の球形度と軌道パラメータによって決定されます。 これは、回転球に入射する単一指向性ビームに適用されます。 日射量の数値予測や季節や気候変動の理解には、日射遮蔽が不可欠です。 氷河期への適用はMilankovitchサイクルとして知られています。

分布は球面三角法からの基本的な同一性、つまり余弦の球法則に基づいている:

ここで、a、bおよびcは、球面三角形の辺の弧長(ラジアン単位)です。 Cは、円弧長さcを有する辺の反対側の頂点における角度である。 太陽天頂角Θの計算に適用すると、以下がコサインの球法則に適用されます。

上の方程式はより一般的な式からも導くことができます:

βは水平からの角度であり、γは方位角である。

太陽からの地球の分離はREで表すことができ、平均距離はR0、約1天文単位(AU)と表すことができる。 太陽定数はS0で示される。 地球の球面に接するが大気の大部分(標高100 km以上)の平面上の太陽光束密度(日射量)は次のとおりです。

1日のQの平均は、1回転にわたるQの平均、またはh =πからh =-πまで進行する時間角です。

Qが正になる時の時角をh0とする。 これは日の出時に発生する可能性があります  、またはh0の解として

または

tan(φ)tan(δ)> 1であるとき、太陽は設定されず、太陽はすでにh =πで上昇しているので、ho =πである。 tan(φ)tan(δ) -1、太陽は上がらず、  。

 1日の間にほぼ一定であり、積分外に取り出すことができる


したがって:


θを惑星軌道を表す従来の極角とする。 春分点でθ= 0とする。 軌道位置の関数としての偏角δは、


ここで、εは斜度です。 近日点πの従来の経度は、春分点に対して定義されるので、楕円軌道の場合:


または


π、ε、およびeの動態学的計算からの知見と、それで、観測または理論のコンセンサスから、  任意の緯度φおよびθについて計算することができる。 楕円軌道のために、そしてケプラーの第2の法則の結果として、θは時間と共に均一に進まない。 それにもかかわらず、θ= 0°はちょうど春分点の時間であり、θ= 90°はちょうど夏至の時間であり、θ= 180°は秋分の正確な時間であり、θ= 270°は冬至。

与えられた日の放射照度の単純化された方程式は:


ここで、nは1年の日数です。

変化
全放射照度
全太陽放射照度(TSI)は、10年以上の時間スケールでゆっくりと変化します。 太陽サイクル21の変動は約0.1%(ピークツーピーク)であった。 古い復元とは対照的に、最新のTSI再構築は、Maunder Minimumと現在の間で約0.05%から0.1%の増加しか示していません。

紫外線照射
紫外放射照度(EUV)は、200〜300nmの波長に対してソーラー最大値から最小値まで約1.5パーセント変化する。 しかし、委任状調査では、Maunder MinimumからUVが3.0%増加したと推定されています。

ミランコビッチサイクル

日射の変化は、太陽の変化によるものではなく、周囲とその頂点との間の地球の移動、または放射線の緯度分布の変化によるものである。 これらの軌道の変化またはミランコビッチのサイクルは、長時間にわたり25%もの輝度変化(局所的には地球規模の平均変化がはるかに小さい)を引き起こしている。 最も最近の重要な出来事は、ホロコーの気候的最適付近の北方夏の24°の軸方向傾斜であった。

aの時系列を求める  特定の時間、特定の緯度のために、Milankovitchのサイクルの理論の役に立つアプリケーションです。 例えば、夏至では、偏角δは傾きεに等しい。 太陽からの距離は


この夏至の計算では、楕円軌道の役割は重要な製品の中に完全に含まれています  偏心度が大きい場合の65°Nでの日射の変化を支配する歳差運動指数。 次の10万年の間、偏心の変化は比較的小さく、斜めの変化が支配的です。

測定
空間ベースのTSI記録は、3つの太陽周期にまたがる10以上の放射計からの測定値を含む。

技術
現代のTSI衛星機器はすべて、能動空洞電気置換放射測定法を採用している。 この技術は、入射太陽光が較正された領域の精密なアパーチャを通過する間、熱平衡状態で吸収性黒化空洞を維持するために測定された電気加熱を適用する。 アパーチャはシャッタを介して変調される。 期待される変化は1世紀あたり0.05~0.15W / m2の範囲にあるため、長期の太陽放射照度変化を検出するには<0.01%の精度不確実性が必要である。

時間較正
軌道では、空洞の太陽劣化、ヒーターの電子劣化、精密アパーチャの表面劣化、および熱的バックグラウンドを変化させる様々な表面放射および温度を含む理由により放射較正がドリフトする。 これらのキャリブレーションでは、一貫した測定を維持するために補償が必要です。

様々な理由から、情報源が必ずしも一致するとは限りません。 太陽放射および気候実験/全照射放射能測定(SORCE / TIM)TSI値は、地球放射性廃棄物衛星(ERBS)の地球放射計予算実験(ERBE)、太陽ヘリオス天文台(SoHO)のVIRGO、 (SMM)、上空気候研究衛星(UARS)およびACRIMSatのACRIM装置が含まれる。 照射前の地上較正は、放射照度基準が絶対精度が足りなかったため、システムレベルの測定ではなくコンポーネントに依存していました。

測定安定性は、異なる放射計キャビティを異なる放射線蓄積量に曝露して、曝露依存性の劣化効果を定量化することを含む。 これらの影響は、最終的なデータにおいて補償される。 観測オーバラップは、絶対オフセットと器械ドリフトの検証の両方の補正を可能にする。

個々の観測の不確かさは放射照度変動(〜0.1%)を上回る。 したがって、機器の安定性と測定の連続性は、実際の変化を計算するために使用されます。

長期放射計ドリフトは、気候に影響を及ぼすと誤解される可能性のある放射照度変動と誤解される可能性があります。 例としては、1986年と1996年のサイクル最小値の間の放射照度増加の問題があり、2008年の最低期間のPMOD合成物における低照度レベルとACRIMコンポジットでのみ明らかである(モデルではない)。

ACRIM I、ACRIM II、ACRIM III、VIRGOおよびTIMはすべて冗長空洞での劣化を追跡するという事実にもかかわらず、顕著で原因不明な差異が照度および黒点と顔面のモデル化された影響に残っています。

永続的な矛盾
重なり合う観測の間の不一致は、TSI記録が十年の時間スケールにおける太陽の変化を識別するのに十分安定でないことを示唆する未解決のドリフトを示す。 ACRIMコンポジットのみが、1986年から1996年の間に〜1W / m2増加する放射照度を示す。 この変更もモデルには存在しません。

機器の不一致を解決するための推奨事項には、地上機器と国立科学技術研究所(NIST)のような実験室基準とを比較することによる光学測定精度の検証、 アパーチャエリアキャリブレーションのNIST検証では、各計測器のスペアを使用します。 視野制限アパーチャからの回折補正を適用することを含む。

ACRIMについては、NISTは、視野制限アパーチャからの回折が3つのACRIM装置で説明されていない0.13%の信号に寄与すると判断した。 この修正により、報告されたACRIM値が低下し、ACRIMがTIMに近づきます。 ACRIMとTIMを除く他のすべての機器では、アパーチャは計器内部の深いところにあり、前方に大きな視野制限アパーチャがあります。 エッジの不完全性に応じて、これは光をキャビティに直接散乱させることができる。 この設計は、測定しようとする光の量の2〜3倍を計器の前部に受け入れます。 完全に吸収されないかまたは散乱されない場合、この追加の光は、誤って高い信号を生成する。 対照的に、TIMの設計は、正面に精密アパーチャを配置し、所望の光のみが入射するようにする。

他のソースからのバリエーションには、ACRIM IIIデータのSun-Earth距離とほぼ同位相の年間サイクルと、2008年の太陽最低値の間に最も明白なSoHO宇宙船操縦と一致するVIRGOデータの90日間のスパイクが含まれている可能性があります。

TSIラジオメーター施設
TIMの高い絶対精度は、気候変動を測定する新しい機会を創出します。 TSIラジオメーター施設(TRF)は、制御された光源で真空中で動作する極低温放射計です。 2008年に完成したL-1標準技術(LASP)は、NISTの一次光ワットラジオメーターであるNISTの放射パワースケールを0.02%の不確実性に維持する光学パワー用に較正されました( 1σ)。 2011年現在、TRFは、ソーラーパワーレベルおよび真空条件下で放射照度(単なる光パワーではなく)を測定する太陽放射計の発射前検証の望ましい<0.01%不確実性に近づいた唯一の施設でした。

TRFは、静止した空間的に均一な照射ビームを含む共通の真空システム内で、基準放射計と試験下の計器の両方を囲む。 0.0031%(1σ)に較正された領域を有する精密アパーチャは、ビームの測定部分を決定する。 試験装置の精密アパーチャは、ビームを光学的に変更することなく、基準との直接比較のために、同じ位置に配置される。 可変ビームパワーは、直線性の診断と、様々な計測器コンポーネントからの散乱による可変ビーム直径診断を提供します。

Glory / TIMとPICARD / PREMOSの飛行機の絶対スケールは、現在、光パワーと放射照度の両方でTRFに追跡可能です。 結果として得られる高い精度は、太陽放射照度記録における将来のギャップの結果を減少させる。

TRFとの差

楽器 照射:オーバービューされた視野制限開口 照射:高精度アパーチャオーバーフィルド スキャッタエラーに起因する違い 測定された光パワーエラー 残留放射照合契約 不確実性
ソース/ティムグラウンド NA -0.037% NA -0.037% 0.000% 0.032%
栄光/ TIM便 NA -0.012% NA -0.029% 0.017% 0.020%
PREMOS-1グラウンド -0.005% -0.104% 0.098% -0.049% -0.104% ~0.038%
PREMOS-3便 0.642% 0.605% 0.037% 0.631% -0.026% 〜0.027%
VIRGO-2グラウンド 0.897% 0.743% 0.154% 0.730% 0.013% 〜0.025%

2011年再評価
太陽極小を表すTSIの最も有望な値は、1360.8±0.5W / m2であり、1990年代に確立された初期の許容値1365.4±1.3W / m2よりも低い。 新しい価値はSORCE / TIMと放射性物質検査室の検査から来ました。 散乱光は、精密アパーチャがより大きな視野制限アパーチャの後ろに位置する初期の衛星によって測定されたより高い放射照度値の主な原因である。 TIMは、このスプリアス信号を排除する精密アパーチャよりも小さい視野制限アパーチャを使用します。 新しい見積もりは、太陽光出力の変化ではなく、より良い測定によるものです。

SORCE / TIMデータからの黒点と隅の影響の相対的な割合の回帰モデルに基づく分割は、観測された分散の92%を占め、TIMの安定帯内の観測された傾向を追跡します。 この合意は、TSIの変動は主に太陽表面磁気活動に起因するというさらなる証拠を提供する。

2014年の再評価
2014年に、新しいACRIMコンポジットが、更新されたACRIM3レコードを使用して開発されました。 TRFでの最近のテスト中に明らかになった散乱と回折の修正と2つのアルゴリズムの更新が追加されました。 このアルゴリズムは、機器の熱挙動およびシャッターサイクルデータの解析をより正確に説明します。 これらは、擬似年間信号の成分を補正し、信号対雑音比をそれぞれ増加させた。 これらの修正の正味の効果は、ACRIM合成TSIの傾向に影響を与えずに平均ACRIM3 TSI値を減少させた。

ACRIMとPMODの複合材の違いは明白ですが、最も重要なのは太陽サイクルの太陽の最小値から最小値の傾向です21-23。 ACRIMは、1980年から2000年にかけて+ 0.037%/ 10年の増加を見出し、その後は減少した。 PMODは、1978年以来、着実に減少しています。太陽熱サイクル21と22のピーク時にも、大きな違いが見られます。これらは、サテライト実験チームが発表したオリジナルのTSI結果を使用しています。それらを特定のTSIプロキシモデルに適合させる。 20世紀の最後の20年間の地球温暖化の間にTSIを増加させることの意味は、太陽光の強制は、CMIP5の一般的な循環気候モデルに代表されるよりも、気候変動においてわずかに大きな要因かもしれないということです。

地球表面の照射
地球大気の上部に到着する平均日照量は約1361W / m2です。 太陽の光線は、大気を通過する際に減衰し、晴れた日に海面で約1000W / m2で最大の通常の表面放射照度を残します。 1361 W / m2が大気の上に到着すると(太陽が雲のない天空の天頂にあるとき)、直射日光は約1050 W / m2であり、地面の水平面上の全地球放射は約1120 W / m2である。 後者の図には、大気とその周辺で散乱または再放射された放射線が含まれています。 実際の数字は、太陽の角度や大気の状況によって異なります。 雲を無視すると、地球の1日平均日射量は約6 kWh / m2 = 21.6 MJ / m2です。

例えば光電池パネルの出力は、パネルに対する太陽の角度に部分的に依存する。 1つの太陽は、実際の日射の標準値ではなく、電力フラックスの単位です。 時々このユニットはソルと呼ばれ、ゾルと混同されることはなく、1日の太陽の日を意味します。

吸収と反射
物体に到達する放射線の一部は吸収され、残りは反射される。 通常、吸収された放射線は熱エネルギーに変換され、物体の温度を上昇させる。 しかし、人工または天然のシステムは、光電池または植物の場合のように、吸収された放射線の一部を電気または化学結合のような別の形態に変換することができる。 反射された放射線の割合は、物体の反射率またはアルベドである。

投影効果
サーフェスがサーフェスに直接面しているとき(サーフェスがサーフェスに直面しているとき)サーフェスへのソルーションは最大です。 表面と太陽との間の角度が法線から移動するにつれて、日射は角度の余弦に比例して減少する。 気候に対する太陽の角度の影響を見てください。

図において、示された角度は、垂直方向と太陽光線の間ではなく、地面と太陽光線との間にある。したがって、コサインではなくサインが適切です。 1マイル(1.6km)の太陽光線が直接上空から到着し、もう1本は水平線から30°の角度で到着する。 30°の角度の正弦は1/2であり、90°の角度の正弦は1です。したがって、斜めの太陽光は光を2倍以上に広げます。 したがって、平方マイルごとに光の半分が落ちます。

この「投影効果」は、地球の極地域が赤道地域よりもずっと寒い主な理由です。 年間平均で、極は赤道よりも日射遮蔽が少なく、極は熱帯より常に太陽から離れているため、またそれぞれの冬の6ヶ月間は日射を全く受けないためです。

吸収効果
より低い角度では、光はより多くの雰囲気を通過しなければならない。 これにより、(吸収および散乱によって)表面を一層減光することができます。

減衰は、Beer-Lambert Lawによって支配されています。つまり、表面に到達する日射の透過率または割合は、光の深さまたは吸光度(指数はln(10)= 2.303の定数だけ異なる)大気を通した日射の所与の短い経路の長さに対して、光学的深さは、その長さに沿った吸収体および散乱体の量に比例し、典型的には高度の減少に伴って増加する。 全経路の光学的深さは、経路に沿った光学的深さの積分(合計)である。

吸収体の密度が層状になっている場合、すなわち、大気中の水平位置よりも鉛直方向にはるかに依存する場合、光学的な深さは投影効果、すなわち天頂角の余弦に反比例する。 光の深さが増すにつれて透過率が指数関数的に減少するため、太陽が地平線に近づくにつれて、吸収が残りの日の投影を支配する点が生じる。 比較的高いレベルの吸収剤では、これは午後のかなりの部分であり、同様に早朝の部分である可能性がある。 逆に、(仮説的に)吸収が全くない場合、光学的な深さは太陽のすべての高度でゼロのままである、すなわち透過率は1のままであり、投影効果のみが適用される。

アプリケーション

太陽光発電
太陽光照射の数値は、太陽光発電システムの展開を計画するために使用されます。 多くの国では、過去30-50年のデータを反映する日射マップまたは日射テーブルから数値を得ることができます。異なる太陽光発電技術は、全照射の異なる成分を使用することができる。 太陽光発電パネルは直接照射と拡散照射の両方に変換することができますが、集中太陽光発電は直接照射で効率的にしか動作できず、したがってこれらのシステムは比較的低い雲量の場所でのみ適しています。

ソーラーコレクターのパネルはほとんど常に太陽に向かって斜めに取り付けられているため、冬には不正確に低く、夏には不正確に高い推定値を避けるために、日射を調節する必要があります。 これはまた、高緯度のソーラーパネルに降りる太陽の量が、水平面の日射を考慮したように見える赤道での太陽の量と比べて低くないことを意味します。

太陽光発電パネルは、標準的な条件で定格でWp定格(ワットピーク)を決定し、日射とともに使用して、予想出力を決定し、傾き、追跡、シェーディングなどの要素によって調整することができます評価)。 日射量は、ノルウェーでは800〜950 kWh /(kWp・y)、オーストラリアでは2,900 kWh /(kWp・y)です。

建物
建設中、特定の場所の建物を設計するときは、日射遮蔽は重要な考慮事項です。
投影効果は、建物の赤道に面する側(北半球の南の面、または南半球の北の面)に垂直な窓を提供することによって、夏には涼しく、冬には暖かい建物を設計するために使用できます。これは冬の日の出が最大になる夏季には日の出を最大限に抑え、夏には日射量が少なくなるようにします。(空を通る太陽の南/南の道は、年間を通して47度に及ぶ)。

土木工学
土木工学および水文学では、スノーメルト流出の数値モデルは日射の観測を使用する。 これは、融雪剤から水が放出される速度の推定を可能にする。 フィールド測定は、ピラノメーターを使用して行われます。

気候研究
Irradianceは、気候モデルと天気予報に関わっています。 大気上部のゼロでない平均地球規模の正味放射量は、気候強制によって課せられた地球の熱的不均衡を示している。

気候モデルに対する2014 TSI値の低下の影響は不明である。 絶対的なTSIレベルの変化の数十分の1は、通常、気候シミュレーションにとって最小の結果であると考えられています。 新しい測定には、気候モデルパラメータの調整が必要です。

GISSモデル3を用いた実験は、現在および工業化以前の時期におけるTSI絶対値に対するモデル性能の感度を調べ、例えば放射照度の減少が大気と表面の間でどのように区分され、放射への影響を説明する。

気候に及ぼす長期放射照度の変化の影響を評価するには、10年スケールの放射強制に対する気候応答プロセスを定量化するために、信頼性の高い地球表面温度観測と組み合わせたより大きな機器安定性が必要です。 観測された0.1%放射照度の増加は0.22W / m2の気候強制をもたらし、W / m2あたり0.6℃の一時的な気候応答を示唆している。 この応答は、IPCCで評価された2008年のモデルよりも2倍以上大きく、おそらくモデルによる熱の海洋への取り込みに現れます。

宇宙旅行
Insolationは、宇宙船の設計と惑星学における平衡温度に影響を与える主要な変数です。

太陽活動と放射照度の測定は宇宙旅行の関心事です。 例えば、アメリカの宇宙機関であるNASAは、ソーラー放射照度モニターを搭載したソーラー放射気候実験(SORCE)衛星を打ち上げました。