Солнечная радиация

Солнечное излучение — это мощность на единицу площади, полученная от Солнца в виде электромагнитного излучения в диапазоне длин волн измерительного прибора. Солнечная радиация, интегрированная во времени, называется солнечным облучением, инсоляцией или солнечным воздействием. Тем не менее, инсоляция часто используется взаимозаменяемо с освещением на практике.

Излучение может быть измерено в пространстве или на поверхности Земли после поглощения и рассеяния в атмосфере. Ослабление в пространстве зависит от расстояния от Солнца, солнечного цикла и перекрестного цикла. Ослабление на поверхности Земли дополнительно зависит от наклона измерительной поверхности, высоты солнца над горизонтом и атмосферных условий. Солнечная радиация влияет на метаболизм растений и поведение животных.

Типы
Существует несколько измеряемых типов солнечной радиации.

Общее солнечное излучение (TSI) является мерой солнечной энергии по всем длинам волн на единицу площади, падающей на верхнюю атмосферу Земли. Он измеряется перпендикулярно входящему солнечному свету. Константа Солнца является обычной мерой среднего TSI на расстоянии одной астрономической единицы (AU).

Прямая нормальная облучательная способность (DNI) или излучение пучка измеряется на поверхности Земли в данном месте с поверхностным элементом, перпендикулярным Солнцу.Он исключает диффузное солнечное излучение (излучение, которое рассеивается или отражается атмосферными компонентами). Прямая облученность равна внеземному освещению над атмосферой за счет атмосферных потерь из-за поглощения и рассеяния.Потери зависят от времени суток (длина пути света через атмосферу в зависимости от угла наклона Солнца), облачного покрова, влажности и другого содержимого. Радиация над атмосферой также меняется со временем года (потому что расстояние до солнца меняется), хотя этот эффект, как правило, менее значителен по сравнению с эффектом потерь на DNI.

Диффузное горизонтальное излучение (DHI) или диффузное излучение неба — это излучение на поверхности Земли от рассеянного атмосферой света. Он измеряется на горизонтальной поверхности с излучением, исходящим из всех точек неба, исключая околосолнечное излучение (излучение, исходящее от солнечного диска). В отсутствии атмосферы почти не будет DHI.

Глобальная горизонтальная облученность (GHI) — это полная освещенность от солнца на горизонтальной поверхности Земли. Это сумма прямого облучения (после учета солнечного зенитного угла солнца z) и диффузной горизонтальной освещенности:

Единицы
Единица измерения СИ составляет 1 Вт на квадратный метр (Вт / м2).

Альтернативной единицей измерения является Лэнгли (1 термохимическая калория на квадратный сантиметр или 41 840 Дж / м2) в единицу времени.

В солнечной энергетике используется ватт-час на квадратный метр (Вт / м2) за единицу времени. Таким образом, отношение к единице СИ: 1 кВт / м2 = (24 часа в сутки) × (1 кВт / м2) = (24 кВтч / м2) / день = (365 дней в году) × (24 кВтч / м2) / день = (8760 кВтч / м2) / год.

Облучение в верхней части атмосферы
Распределение солнечной радиации в верхней части атмосферы определяется сферичностью Земли и параметрами орбиты. Это относится к любому однонаправленному пучку, падающему на вращающуюся сферу. Инсоляция необходима для численного прогноза погоды и понимания сезонов и изменения климата. Применение к ледниковым периодам известно как циклы Миланковича.

Распределение основано на фундаментальной идентичности из сферической тригонометрии, сферического закона косинусов:

где a, b и c — длины дуги, в радианах, сторон сферического треугольника. C — угол в вершине, противоположной стороне, имеющей длину дуги c. При расчете солнечного зенитного угла Θ к сферическому закону косинусов применяется следующее:

Выше формулы можно также получить из более общей формулы:

где β — угол от горизонтали, а γ — азимутальный угол.

Разделение Земли от Солнца можно обозначить как RE, а среднее расстояние можно обозначить R0, приблизительно 1 астрономическую единицу (AU). Константа Солнца обозначается S0. Плотность солнечного потока (инсоляция) на плоскость, касательную к сфере Земли, но выше основной массы атмосферы (высота 100 км):

Среднее значение Q в течение дня представляет собой среднее значение Q за один оборот или часовой угол, прогрессирующий от h = π до h = -π:

Пусть h0 — часовой угол, когда Q становится положительным. Это может произойти на рассвете, когда  , или для h0 в качестве решения

или

Если tan (φ) tan (δ) & gt; 1, то солнце не устанавливается, и солнце уже поднимается при h = π, поэтому ho = π. Если tan (φ) tan (δ) & lt; -1, солнце не поднимается и  ,

 почти постоянна в течение дня и может быть выведена за пределы интеграла


Следовательно:


Пусть θ — условный полярный угол, описывающий планетарную орбиту. Пусть θ = 0 на весеннем равноденствии. Наклон δ в зависимости от орбитальной позиции


где ε — наклон. Обычная долгота перигелия π определяется относительно весеннего равноденствия, поэтому для эллиптической орбиты:


или


Имея знание π, ε и e из астродинамических расчетов и, следовательно, из консенсуса наблюдений или теории,  может быть рассчитана для любой широты φ и θ. Из-за эллиптической орбиты и, как следствие второго закона Кеплера, θ не прогрессирует равномерно со временем. Тем не менее, θ = 0 ° — это точно время весеннего равноденствия, θ = 90 ° — это точно время летнего солнцестояния, θ = 180 ° — это точно время осеннего равноденствия, а θ = 270 ° — это точно время зимнее солнцестояние.

Упрощенным уравнением для облучения в данный день является:


где n — число дней в году.

варьирование
Общая освещенность
Общая солнечная радиация (TSI) медленно меняется на десятичные и более длительные временные рамки. Изменение во время солнечного цикла 21 составляло около 0,1% (от пика до пика). В отличие от более старых реконструкций, последние недавние реконструкции TSI указывают на увеличение только приблизительно от 0,05% до 0,1% между Минимальным Маундом и настоящим.

Ультрафиолетовая радиация
Ультрафиолетовая радиация (EUV) изменяется примерно на 1,5 процента от солнечных максимумов до минимумов при длинах волн от 200 до 300 нм. Тем не менее, по данным исследования прокси, УФ увеличился на 3,0% с минимального количества Маунда.

Циклы Миланковича

Некоторые изменения в инсоляции обусловлены не солнечными изменениями, а скорее тем, что Земля движется между ее перигеем и апогеем или изменениями широтного распределения излучения. Эти орбитальные изменения или циклы Миланковича вызвали изменения яркости на целых 25% (локально, глобальные средние изменения намного меньше) в течение длительных периодов. Самым последним значимым событием был осевой наклон 24 ° во время бореального лета вблизи голоценового климатического оптимума.

Получение временного ряда для  для конкретного времени года и особой широты, является полезным приложением в теории циклов Миланковича. Например, в летнее солнцестояние склонение δ равно наклонности ε. Расстояние от солнца


Для расчета летнего солнцестояния роль эллиптической орбиты полностью содержится в важном продукте  , индекс прецессии, изменение которого доминирует в вариациях инсоляции при 65 ° с. ш., когда эксцентриситет большой. В течение следующих 100 000 лет, когда вариации эксцентриситета относительно малы, преобладают изменения наклона.

измерение
Космическая запись TSI содержит измерения из более чем десяти радиометров, охватывающих три солнечных цикла.

Техника
Во всех современных спутниковых приборах TSI используется радиометрия электрозамещения с активной полостью. Этот метод применяет измеренное электрическое нагревание для поддержания поглощающей почерневшей полости в тепловом равновесии, когда солнечный свет падает через точную апертуру калиброванной области. Апертура модулируется через затвор. Для выявления долговременных вариаций солнечной радиации требуются погрешности погрешности & lt; 0,01%, поскольку ожидаемые изменения находятся в диапазоне от 0,05 до 0,15 Вт / м2 в течение столетия.

Интертемпоральная калибровка
На орбите радиометрические калибровки дрейфуют по причинам, включая солнечную деградацию полости, электронную деградацию нагревателя, ухудшение поверхности прецизионной апертуры и изменение поверхностных выбросов и температур, которые изменяют тепловой фон. Эти калибровки требуют компенсации для сохранения согласованных измерений.

По разным причинам источники не всегда согласны. Значения TSI для измерения солнечного излучения и климатических экспериментов / общего облучения (SORCE / TIM) ниже, чем предыдущие измерения по бюджетному эксперименту по радиодиапазону Земли (ERBE) на спутнике спутникового излучения Земли (ERBS), VIRGO в Солнечной гелиосферной обсерватории (SoHO) и приборы ACRIM на Солнечной максимальной миссии (SMM), спутниках исследований в атмосфере (UARS) и ACRIMSat. Предварительная калибровка земли основывалась на измерении компонентов, а не на уровне системы, поскольку стандарты облучения не обладали абсолютной точностью.

Стабильность измерений включает в себя разоблачение различных полостей радиометра для различных накоплений солнечного излучения для количественной оценки эффектов деградации, зависящих от воздействия. Эти эффекты затем компенсируются в окончательных данных. Наблюдательные перекрытия допускают поправки как для абсолютных смещений, так и для валидации инструментальных дрейфов.

Неопределенности отдельных наблюдений превышают изменчивость облучения (~ 0,1%).Таким образом, стабильность прибора и непрерывность измерений основаны на вычислении реальных изменений.

Долгосрочные дрейфы радиометра могут быть ошибочно приняты за вариации облучения, которые могут быть неверно истолкованы как влияющие на климат. Примеры включают вопрос об увеличении освещенности между минимумами цикла в 1986 и 1996 годах, что видно только в композите ACRIM (а не в модели) и низких уровнях освещенности в составе PMOD в течение минимума 2008 года.

Несмотря на то, что ACRIM I, ACRIM II, ACRIM III, VIRGO и TIM все трещины деградации с избыточными полостями, заметные и необъяснимые различия остаются в освещенности и моделируемых влияний солнечных пятен и факелов.

Стойкие несоответствия
Несогласие между перекрывающимися наблюдениями указывает на неразрешенные дрифты, которые предполагают, что запись TSI недостаточно стабильна, чтобы различать солнечные изменения в декадальных временных масштабах. Только композит ACRIM показывает увеличение освещенности на ~ 1 Вт / м2 между 1986 и 1996 годами; это изменение также отсутствует в модели.

Рекомендации по устранению расхождений инструмента включают в себя проверку точности оптического измерения путем сравнения наземных инструментов с лабораторными данными, например, в Национальном институте науки и технологии (NIST); NIST-проверка калибровки области диафрагмы использует запасные части от каждого инструмента; и применения дифракционных поправок из ограничивающей обзор апертуры.

Для ACRIM NIST определил, что дифракция от ограничивающей обзор апертуры вносит сигнал 0,13%, не учитываемый в трех инструментах ACRIM. Эта коррекция снижает зарегистрированные значения ACRIM, приближая ACRIM к TIM. В ACRIM и во всех других инструментах, кроме TIM, диафрагма глубоко внутри инструмента, с увеличенной ограничивающей изображение апертурой спереди. В зависимости от несовершенства края это может непосредственно рассеивать свет в полость. Эта конструкция допускает в передней части прибора в два-три раза больше света, предназначенного для измерения; если он не полностью поглощен или рассеян, этот дополнительный свет создает ошибочно высокие сигналы. Напротив, дизайн TIM позволяет разместить апертуру точности спереди так, чтобы в нее попадал только нужный свет.

Вариации из других источников, вероятно, включают годовой цикл, который находится почти в фазе с расстоянием между Солнцем и Землей в данных ACRIM III и 90-дневными всплесками в данных VIRGO, совпадающими с маневрами космического корабля SoHO, которые были наиболее очевидны во время солнечного минимума 2008 года.

Оборудование для радиометра TSI
Высокая абсолютная точность ТИМ создает новые возможности для измерения климатических переменных. TSI Radiometer Facility (TRF) — это криогенный радиометр, работающий в вакууме с контролируемыми источниками света. Стандарты и технологии L-1 (LASP) спроектировали и построили систему, завершенную в 2008 году. Она была откалибрована для оптической мощности против радиоприемника первичного оптического ватта NIST, криогенного радиометра, который поддерживает масштаб лучистой мощности NIST до неопределенности 0,02% ( 1σ). По состоянию на 2011 год TRF был единственным объектом, который приблизился к желаемой неопределенности & lt; 0,01% для проверки перед запуском солнечных радиометров, измеряющих излучение (а не только оптическую мощность) при уровнях солнечной энергии и в условиях вакуума.

TRF охватывает как контрольный радиометр, так и испытуемый прибор в общей вакуумной системе, которая содержит стационарный пространственно однородный осветительный луч.Точная апертура с площадью, откалиброванной до 0,0031% (1σ), определяет измеренную часть луча. Точная диафрагма измерительного прибора расположена в том же месте, без оптического изменения луча, для прямого сравнения с эталоном. Переменная мощность пучка обеспечивает диагностику линейности, а диаметры диаметров переменного пучка рассеивают различные компоненты инструмента.

Абсолютные шкалы абсолютного веса полёта Glory / TIM и PICARD / PREMOS теперь прослеживаются в TRF как по оптической мощности, так и по освещенности. Полученная высокая точность уменьшает последствия любого будущего разрыва в записи солнечной радиации.

Разница относительно TRF

инструмент Irradiance: переливание с увеличенной диафрагмой Irradiance: прецизионная апертура переполнена Разница, связанная с ошибкой рассеяния Измеренная ошибка оптической мощности Соглашение о остаточном раздражении неопределенность
Земля SORCE / TIM Не Доступно -0,037% Не Доступно -0,037% 0,000% 0,032%
Полет Славы / TIM Не Доступно -0,012% Не Доступно -0,029% 0,017% 0,020%
Земля PREMOS-1 -0,005% -0,104% 0,098% -0,049% -0,104% ~0.038%
Полет «PREMOS-3» 0,642% 0,605% 0,037% 0,631% -0,026% ~0.027%
Земля VIRGO-2 0,897% 0,743% 0,154% 0,730% 0,013% ~0.025%

2011 переоценка
Наиболее вероятное значение показателя минимального солнечного минимума TSI составляет 1360,8 ± 0,5 Вт / м2, что ниже, чем ранее принятое значение 1365,4 ± 1,3 Вт / м2, установленное в 1990-х годах. Новое значение было получено от SORCE / TIM и радиометрических лабораторных тестов. Рассеянный свет является основной причиной более высоких значений освещенности, измеренных более ранними спутниками, в которых прецизионная апертура расположена за более широкой апертурой, ограничивающей обзор.TIM использует ограничивающее изображение диафрагму, которая меньше, чем прецизионная апертура, которая исключает этот паразитный сигнал. Новая оценка — это лучшее измерение, а не изменение солнечной энергии.

Разделение регрессионной модели относительной доли солнечных пятен и факультативных влияний из данных SORCE / TIM составляет 92% наблюдаемой дисперсии и отслеживает наблюдаемые тенденции в пределах полосы устойчивости TIM. Это соглашение дает дополнительные доказательства того, что вариации TSI обусловлены прежде всего магнитной активностью на поверхности Солнца.

2014 переоценка
В 2014 году новый композит ACRIM был разработан с использованием обновленной записи ACRIM3. Он добавил поправки для рассеяния и дифракции, выявленные в ходе последних испытаний на TRF и двух обновлениях алгоритмов. Алгоритм обновляет более точно учет теплового поведения прибора и разбора данных цикла затвора. Они скорректировали компонент квазигонового сигнала и соответственно увеличили отношение сигнал / шум.Чистый эффект этих поправок уменьшил среднее значение ACIIM3 TSI без влияния на тренд в ACRIM Composite TSI.

Различия между композитами ACRIM и PMOD TSI очевидны, но наиболее значимыми являются солнечные минимумы-минимумы в солнечных циклах 21-23. ACRIM обнаружил увеличение на +0.037% / десятилетие с 1980 по 2000 год и последующее снижение. PMOD вместо этого представляет собой неуклонное снижение с 1978 года. Значительные различия также можно наблюдать во время пика солнечных циклов 21 и 22. Это связано с тем фактом, что ACRIM использует исходные результаты TSI, опубликованные группами спутников-экспериментаторов, в то время как PMOD значительно изменяет некоторые результаты для согласовать их с конкретными прокси-моделями TSI. Последствия увеличения TSI во время глобального потепления в последние два десятилетия 20-го века состоят в том, что солнечное воздействие может быть чуть более важным фактором изменения климата, чем представлено в моделях климатического климата CMIP5.

Облучение на поверхности Земли
Среднегодовая солнечная радиация, достигающая вершины земной атмосферы, составляет примерно 1361 Вт / м2. Лучи Солнца аттенуируются, когда они проходят через атмосферу, оставляя максимальную нормальную поверхностную освещенность примерно на 1000 Вт / м2 на уровне моря в ясный день. Когда 1361 Вт / м2 находится над атмосферой (когда солнце находится в зените в безоблачном небе), прямое солнце составляет около 1050 Вт / м2, а глобальное излучение на горизонтальной поверхности на уровне земли составляет около 1120 Вт / м2. Последняя цифра включает излучение, рассеянное или повторно поглощенное атмосферой и окружающей средой. Фактическая цифра зависит от угла Солнца и атмосферных обстоятельств. Игнорируя облака, среднесуточная инсоляция для Земли составляет приблизительно 6 кВтч / м2 = 21,6 МДж / м2.

Выход, например, фотоэлектрической панели, частично зависит от угла солнца относительно панели. Одно Солнце является единицей потока мощности, а не стандартным значением для фактической инсоляции. Иногда эта единица упоминается как Соль, чтобы не путать с золем, что означает один солнечный день.

Абсорбция и отражение
Часть излучения, достигающего объекта, поглощается, а остальная часть отражается. Обычно поглощаемое излучение преобразуется в тепловую энергию, увеличивая температуру объекта.Однако искусственные или природные системы могут превращать часть поглощенного излучения в другую форму, такую ​​как электричество или химические связи, как в случае фотогальванических элементов или растений. Доля отраженного излучения — отражательная способность объекта или альбедо.

Эффект проекции
Инсоляция на поверхности наибольшая, когда поверхность непосредственно обращена (нормальна) к солнцу. Поскольку угол между поверхностью и Солнцем движется от нормы, инсоляция уменьшается пропорционально косинусу угла; см. влияние угла солнца на климат.

На рисунке показан указанный угол между землей и солнечным лучом, а не между вертикальным и солнечным лучами; следовательно, подходит синус, а не косинус. Солнечный луч шириной в одну милю (1,6 км) поступает прямо над головой, а другой под углом 30 ° к горизонтали. Синус с углом 30 ° равен 1/2, тогда как синус с углом 90 ° равен 1. Поэтому угловой солнечный луч рассеивает свет в два раза больше площади. Следовательно, на каждую квадратную милю приходится меньше половины света.

Этот «проекционный эффект» является основной причиной того, что полярные области Земли намного холоднее, чем экваториальные. В среднем в среднем полюса получают меньше инсоляции, чем экватор, потому что полюса всегда уклоняются от солнца, чем тропики, и, кроме того, не получают никакой инсоляции вообще за шесть месяцев их соответствующих зим.

Эффект абсорбции
При более низком угле свет также должен проходить через большую атмосферу. Это ослабляет (поглощение и рассеяние) дальнейшее уменьшение инсоляции на поверхности.

Затухание регулируется Законом Бера-Ламберта, а именно, что коэффициент пропускания или доля инсоляции, достигающей поверхности, экспоненциально уменьшается по оптической глубине или поглощению (два понятия, отличающиеся только постоянным коэффициентом ln (10) = 2,303) пути инсоляции через атмосферу. Для любой заданной короткой длины пути оптическая глубина пропорциональна количеству поглотителей и рассеивателей вдоль этой длины, обычно увеличиваясь с уменьшением высоты. Оптическая глубина всего пути — это интеграл (сумма) этих оптических глубин вдоль пути.

Когда плотность поглотителей является слоистой, то есть, зависит гораздо больше от вертикального, чем горизонтальное положение в атмосфере, в хорошем приближении оптическая глубина обратно пропорциональна проекционному эффекту, то есть косинусу зенитного угла. Поскольку коэффициент пропускания экспоненциально уменьшается с увеличением оптической глубины, когда солнце приближается к горизонту, наступает точка, когда поглощение доминирует над проекцией на оставшуюся часть дня. При относительно высоком уровне поглотителей это может быть значительная часть позднего вечера, а также раннего утра. Напротив, в (гипотетическом) полном отсутствии поглощения оптическая глубина остается равной нулю на всех высотах Солнца, т. Е. Коэффициент пропускания остается равным 1, и поэтому действует только эффект проекции.

Приложения

Солнечная энергия
Показатели солнечного облучения используются для планирования развертывания солнечных энергетических систем. Во многих странах цифры могут быть получены на карте инсоляции или в таблицах инсоляции, которые отражают данные за предыдущие 30-50 лет. Различные технологии солнечной энергии способны использовать различные компоненты общего облучения. В то время как солнечные фотоэлектрические панели способны преобразовывать в электричество как прямое облучение, так и диффузное облучение, концентрированная солнечная энергия способна эффективно работать при прямом облучении, что делает их пригодными только в местах с относительно низким облачным покровом.

Поскольку панели солнечных коллекторов почти всегда монтируются под углом к ​​солнцу, инсоляция должна быть скорректирована для предотвращения неточно низких оценок зимой и неточно высокой для лета. Это также означает, что количество солнца, падающего на солнечную панель на высокой широте, не столь низкое по сравнению с одним на экваторе, как казалось бы, просто учитывая инсоляцию на горизонтальной поверхности.

Фотоэлектрические панели оцениваются в стандартных условиях для определения рейтинга Wp (пик ватт), который затем можно использовать с инсоляцией для определения ожидаемого выхода, скорректированного на такие факторы, как наклон, отслеживание и затенение (которые могут быть включены для создания установленного Wp рейтинг). Показатели инсоляции колеблются от 800 до 950 кВтч / (кВт · ч) в Норвегии до 2,900 кВтч / (кВт · ч) в Австралии.

здания
При строительстве инсоляция является важным фактором при проектировании здания для конкретного объекта.
Эффект проецирования может быть использован для проектирования зданий, которые летом прохладны и теплые зимой, обеспечивая вертикальные окна на стороне, обращенной к экватору (южная сторона в северном полушарии или северная сторона в южном полушарии) : это максимизирует инсоляцию в зимние месяцы, когда Солнце находится на низком уровне в небе и минимизирует его летом, когда Солнце высоко. (Солнце / юг Солнца через небо охватывает 47 градусов в течение года).

Гражданское строительство
В области гражданского строительства и гидрологии в числовых моделях стока снежного покрова используются наблюдения за инсоляцией. Это позволяет оценить скорость, с которой вода высвобождается из тающего снежного покрова. Измерение поля осуществляется с помощью пиранометра.

Исследование климата
Irradiance играет роль в моделировании климата и прогнозировании погоды. Ненулевое среднее глобальное сетевое излучение в верхней части атмосферы свидетельствует о тепловом неравновесии Земли, вызванном воздействием климата.

Влияние нижнего значения TSI в 2014 году на климатические модели неизвестно. Несколько десятых процентов изменения абсолютного уровня TSI обычно считаются минимальными для моделирования климата. Для новых измерений требуются корректировки параметров модели климата.

Эксперименты с GISS Model 3 исследовали чувствительность характеристик модели к абсолютной величине TSI в настоящие и доиндустриальные эпохи и описывали, например, как уменьшение освещенности распределяется между атмосферой и поверхностью и воздействием на исходящее излучение.

Оценка воздействия долгосрочных изменений освещенности в климате требует большей стабильности инструмента в сочетании с надежными глобальными наблюдениями за температурой поверхности для количественной оценки процессов реагирования на климат на радиационное воздействие в декадальные временные масштабы. Наблюдаемое увеличение интенсивности облучения на 0,1% придает климатическому форсированию 0,22 Вт / м 2, что предполагает переходный климатический отклик 0,6 ° С на Вт / м2. Этот ответ больше в 2 раза или больше, чем в оцененных по IPCC моделях 2008 года, возможно, появляющихся в поглощении тепла морей у океана.

Космическое путешествие
Инсоляция является основной переменной, влияющей на равновесную температуру в конструкции космических аппаратов и планетологии.

Солнечная активность и измерение освещенности представляют собой проблему космических путешествий. Например, американское космическое агентство NASA запустило спутник солнечной радиации и климата (SORCE) с помощью солнечных мониторов Irradiance.