Insolatsioon — päikesekiirgus, mõõtmine ja mõju
Insolatsioon: mis on päikesekiirgus, kuidas seda mõõdetakse ning kuidas see mõjutab temperatuuri, kliimat ja elu — praktiline ülevaade ja näited.
Insolatsioon tuleneb sõnadest „sissetulev päikesekiirgus” ja kirjeldab päikeseenergiat, mis jõuab esmalt Maa atmosfääri ning seejärel maapinnale. Insolatsioon on päikesekiirgus, mis jõuab maapinnale. Seda saab vaadelda kahel viisil: kui hetkevõimsus ühe pinnaühiku kohta, mida nimetatakse kiirgusvooks (ühikuks W/m² ehk vatt ühe ruutmeetri kohta), ja kui energiakogus ajaühiku kohta ehk päikeseenergia hulk (näiteks kWh/m² päevas). Artikli algtekstis mainitud mõõtmisviis — energia ruutsentimeetri kohta minutis — kujutab samuti energia hulka ajaühikus ja pindalaühikus; tänapäevased mõõtmised väljendatakse tavaliselt ühikutes W/m², J/m² või kWh/m². Samamoodi nimetatakse maapinnale saabuvat päikeseenergiat üldiselt päikesekiirguseks: see on sissetuleva päikesekiirguse kogus Maa pinnaühiku kohta. Maa pinnale saabuv päikeseenergia varieerub vastavalt aastaajale, laiuskraadile, atmosfääri läbipaistvusele ja maapinna kallakule.
Mõõtmine ja ühikud
Hetkeväärtus (irradiance) näitab võimsust pinnaühiku kohta (W/m²). Päevane insolatsioon ehk energia kogus päeva jooksul väljendatakse sageli kWh/m² või MJ/m². Standardne vihje: Lähteväärtus kosmoses ehk päikesekonstant on umbes 1361 W/m² — see on võimsus, mis langeb põhimõtteliselt risti Maa suunaga väljaspool atmosfääri. Maa pinnal selge taeva all ja otse päikese all võib hetkeväärtus risti seinapinnal jõuda ligikaudu 1000 W/m².
Mõjutavad tegurid
- Asend ja nurk: päikese kõrgus taevast ja selle sissetuleku nurk mõjutavad insolatsiooni: sissetulev kiirgus väheneb proportsionaalselt cos(θ), kus θ on kiirte ja pindala normaalsihi vaheline nurk.
- Laiuskraad ja aastaajad: kõrgemal laiuskraadidel on päeval pikkuse ja päikese nurga tõttu talvel palju väiksem insolatsioon kui ekvaatori lähedal.
- Ajapunkt päevas: kõige suurem päikesepaiste on tavaliselt keskpäeval, kui päike on kõrgeimalt taevast.
- Atmosfäär: pilved, aerosoolid, niiskus ja õhukihi paksus vähendavad ja muutuvadki kiirguse hulka (hajutus, neeldumine ja peegeldumine).
- Pinna orientatsioon ja kalle: kallakud ja ülesse suunatud pinnad saavad rohkem otsekiirgust teatud kellaajal; sellepärast paigutatakse päikesepaneelid tavaliselt optimaalse nurga alla vastavalt laiuskraadile.
- Albeedo: ümbruse peegeldus (näiteks lumi või veepinnad) võib lokaalset insolatsiooni suurendada või vähendada.
Mõju inimesele ja keskkonnale
Päikesepaiste mõjutab otseselt temperatuuri ja kliimat: mida suurem on päikesekiirgus pinnal, seda rohkem soojeneb õhk ja maapind. Insolatsioon mõjutab ka mitmeid valdkondi:
- energeetika — päikeseenergiasüsteemide tootlus sõltub insolatsioonist (päikeseelektri toodang); standardtingimuseks kasutatakse sageli AM1.5 ja 1000 W/m²;
- põllumajandus — taimede fotosüntees ja kasv sõltuvad saadavast valgusest ja kuumusest;
- ehitus ja arhitektuur — hoonete soojuskoormus, passiivne päikeseküte ja varjutuslahendused planeeritakse insolatsiooni alusel;
- tervis — UV-kiirgus võib tekitada päikesepõletust ja suurendada nahavähi riski, kuid mõõdukas päikesevalgus aitab D-vitamiini sünteesil;
- meteoroloogia ja kliimauuringud — insolatsiooni mustrid aitavad mõista kohalikke ja globaalset kliimamuutusi.
Mõõtetööriistad ja andmed
Sagedamini kasutatavad instrumendid:
- Piranomeeter (pyranometer) mõõdab kogu horisontaalse pindala suhtes saabuvat globaalset kiirgust (nii otsene kui hajutatud);
- Pürheliomeeter (pyrheliometer) mõõdab otse normaalset (direct normal) kiirgust, tavaliselt koos päikesesuunalise jälgimissüsteemiga;
- Aktinomeeter — vanemad meetodid päikeseenergia summaarseks mõõtmiseks;
- Päikesefotomeeter ja satelliitandmed — neid kasutatakse aerosoli ja pilvisuse määramiseks ning laiaulatuslike insolatsioonikaartide koostamiseks.
Lisaks paikmõõtmistele annavad satelliitidelt saadud andmed ja mudelid ülevaate insolatsiooni piirkondlikest ning globaalsest jaotusest ning võimaldavad prognoose energia tootmiseks ja kliimauuringuteks.
Lühikokkuvõte: insolatsioon on oluline meteoroloogiline ja füüsikaline suurus, mis väljendab päikesest tuleva energia hulka pinnal. Selle mõistmine ja mõõtmine on vajalik nii ilmastiku uurimiseks, keskkonnakaitseks kui ka praktiliste rakenduste — nagu päikesepaneelide paigutus ja hoonete projekteerimine — jaoks. Igal päeval on kõige suurem päikesepaiste keskpäeval.
Maa kliima on suures osas määratud planeedi energiaga
Euroopa päikesekiirguse kaart
Päikesekiirgus Aafrikas ja Lähis-Idas
Isoleeritud mäed Monument Valley's, USA.
Päikesepaistet mõjutavad tegurid
Maapinnale langev päikesekiirgus ei ole kõikjal ühtlane. See varieerub sõltuvalt kohast ja ajast. Kui troopilised piirkonnad saavad aastas maksimaalset päikesepaistet, väheneb see järk-järgult pooluste suunas. Suvel on päikesekiirgust rohkem ja talvel vähem. Peamised tegurid, mis mõjutavad saadud päikesepaiste hulka, on järgmised: --
- Päikesekonstant
- Päikesekiirte langemisnurk.
- Päeva kestus
- Maa kaugus Päikesest
- Atmosfääri läbipaistvus
Päikesekonstant
Maa atmosfääri ülaosas saadav päikesekiirgus on väljendatud päikesekonstandina.See saadakse atmosfääri pinna ülaosas (termopause) päikese kiirguse suhtes risti olevale tasandile.Päikesekiirguse pinna ülaosas saadav päikesekiirguse pinna pinna pinna pinna pinna pinna pinna pinna pinna. Keskmine päikesekiirgus, mis saabub termopause'ile, on 1368Wm2 (Watt ruutmeetri kohta) energia (päikesekonstant) lühilaine kujul. Seega nimetatakse seda päikesekonstandiks selle keskmise kauguse puhul päikesest. Need päikesekonstandid varieeruvad üle 1 Wm2 perioodiliste häirete ja plahvatuste tõttu päikesepinnal, mis on põhimõtteliselt seotud päikesepunktiga. Päikesepunktid on päikesepinnal nähtavad tumedad ja jahedamad alad. hiljutised uuringud on näidanud, et kui päikesepunkte on palju, vabaneb rohkem ja rohkem energiat. ka päikesepunktide arv suureneb või väheneb regulaarselt, luues 11-aastase tsükli.
Sattumisnurk
Kuna Maa on geoid, mis meenutab kera, siis tabavad päikesekiired maapinda eri kohtades erineva nurga all. See sõltub koha laiuskraadist. mida suurem on laiuskraad, seda väiksema nurga moodustavad nad Maa pinnaga. Vertikaalsete kiirtega kaetud pindala on alati väiksem kui kaldikiirtega kaetud pindala. Kui katta rohkem pindala, siis energia jaotub ja saadud netoenergia pindalaühiku kohta väheneb. Lisaks läbivad väikese nurga all langevad päikesekiired rohkem atmosfääri kui suure nurga all langevad kiired.
Päeva kestus
Päeva pikkus määrab päikesevalguse kestuse, mis mõjutab maapinnale langeva päikesekiirguse hulka. Mida pikem on päikesepaiste, seda suurem on päikesekiirguse kogus, mida saab maapinna osa. näiteks ekvaatoril on päevade ja ööde pikkus kõigil kuudel 12 tundi, kuid Arktika ja Antarktika troopikas varieerub päikesepaiste kestus 0 ja 24 tunni vahel. Sügisel ja kevadel kvinokssidel (vastavalt 23. septembril ja 21. märtsil) on päike ekvaatoril keskpäeval üleval.öö ja päev on nendel päevadel kogu maakeral võrdsed ja maksimaalne päikesekiirguse hulk saabub ekvaatoril ja päikesekiirguse hulk väheneb pooluste suunas.see on tingitud vertikaalsest päikesekiirgusest ekvaatoril, kuid laiuskraadide suurenemisel muutuvad kiired üha enam kallutatuks. Seetõttu väheneb vastuvõetud energia polaaride suunas üha enam.
Maa kaugus Päikesest
Maa tiirleb ümber Päikese elliptilisel orbiidil, mille tulemusena muutub igal aastal pidevalt Päikese ja Maa vaheline kaugus. See toob kaasa hooajalise muutuse Maa poolt saadavas päikeseenergias.Maa ja Päikese vaheline keskmine kaugus on umbes 149 600 000 kilomeetrit (92 900 000 miili).Kui Maa on Päikesest kõige kaugemal (152 miljonit km), nimetatakse seda 4. juulil aphelioniks.Perihelion (147 miljonit km) toimub iga aasta 3. jaanuaril, mis on kõige lähemal. Aphelioni ajal on põhjapoolkera Päikese poole suunatud ja saab seetõttu umbes 7% vähem energiat kui periheelionil (lõunapoolkeral).
Atmosfääri läbipaistvus
Atmosfäär ei ole läbipaistev kogu päikesekiirguse jaoks, sest selle koostis ja kihid on erinevad. See on ka üks maakera pinnale jõudva päikesekiirguse kontrollivaid tegureid. Atmosfäär koosneb gaasidest, veeaurust ja tahkete osakestest.Atmosfäär on gaaside segu, näiteks lämmastik (N), hapnik (O2), argoon, süsinikdioksiid, neoon (Ne), heelium (He), metaan (CH4), krüptoon (Kr), osoon (O3), dilämmastikoksiid (N2O), vesinik (H) ja ksenoon (Xe). Atmosfäär sisaldab ka veeauru ehk vett gaasilises olekus.
Mida pikem on päevavalguse kestus, seda rohkem on päevas saadav päikesepaiste.
Küsimused ja vastused
K: Mis on insei?
V: Päikesekiirgus on päikesekiirgus, mis jõuab maapinnale.
K: Kuidas mõõdetakse päikesepaistet?
V: Insolatsiooni mõõdetakse ühe ruutsentimeetri kohta minutis saadud päikeseenergia hulga järgi.
K: Mis on päikeseenergia?
V: Päikeseenergia on päikese kiirgusest saadav soojus.
K: Mis mõjutab Maale saadava päikesepaiste kogust?
V: Aastaajad, laiuskraad, atmosfääri läbipaistvus ja maapinna kalle mõjutavad maapinnale langeva päikesekiirguse kogust.
K: Kuidas mõjutab päikesekiirgus temperatuuri?
V: Mida suurem on päikesekiirgus, seda kõrgem on temperatuur.
K: Millal on kõige tugevam päikesekiirgus päevas?
V: Kõige tugevam päikesekiirgus saabub keskpäeval.
K: Kas päikeseenergiat võib nimetada päikeseenergiaks, kui see jõuab Maale?
V: Jah, Maa poolt vastu võetud päikeseenergiat nimetatakse päikesekiirguseks.
Otsige