Введение

Измерение электромагнитного излучения

Солнечная иррадиация – это мощность на единицу площади (плотность потока энергии), получаемая от Солнца в виде электромагнитного излучения в диапазоне длин волн, чувствительном к измерительному прибору. Солнечная иррадиация измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м²) в системе СИ. Часто солнечную иррадиацию интегрируют по времени для определения количества энергии, поступившей в окружающую среду (джоулей на квадратный метр, Дж/м²) за этот период. Эта интегрированная солнечная иррадиация называется солнечной инсоляцией, солнечным воздействием или просто инсоляцией. Иррадиацию можно измерять как в космосе, так и на поверхности Земли после поглощения и рассеяния в атмосфере. Иррадиация в космосе зависит от расстояния до Солнца, солнечного цикла и изменений между циклами. Иррадиация на поверхности Земли дополнительно зависит от угла наклона измеряемой поверхности, высоты Солнца над горизонтом и атмосферных условий. Солнечная иррадиация влияет на метаболизм растений и поведение животных. Изучение и измерение солнечной иррадиации имеет ряд важных применений, включая прогнозирование выработки энергии солнечными электростанциями, расчет тепловой нагрузки зданий для отопления и охлаждения, моделирование климата и прогнозирование погоды, применение пассивного радиационного охлаждения в дневное время и космические полеты.

Типы

Карта ресурсов солнечной радиации GlobalSolarAtlas Всемирный банк Esmap Solargis.png|upright=1.5|thumb|Глобальная карта прямой нормальной радиации. Она исключает диффузное солнечное излучение (излучение, рассеянное или отраженное атмосферными компонентами). Прямое излучение равно внеземному излучению над атмосферой минус атмосферные потери на поглощение и рассеяние. Потери зависят от времени суток (длина пути света через атмосферу в зависимости от угла возвышения Солнца), облачности, содержания влаги и других компонентов. Излучение над атмосферой также меняется в зависимости от времени года (поскольку расстояние до Солнца изменяется), хотя этот эффект обычно менее значителен по сравнению с влиянием потерь на прямую нормальную радиацию (DNI). Диффузное горизонтальное излучение (DHI), или диффузное небесное излучение, – это излучение на поверхности Земли от света, рассеянного атмосферой. Оно измеряется на горизонтальной поверхности, принимая излучение со всех точек неба, исключая циркумсолнечное излучение (излучение, идущее непосредственно от солнечного диска). Без атмосферы DHI практически отсутствовало бы. Глобальное наклонное излучение (GTI) – это суммарное излучение, получаемое на поверхности с заданным углом наклона и азимутом, как фиксированным, так и следящим за Солнцем. GTI можно измерять и оно часто используется в качестве ориентира для фотоэлектрических электростанций, в то время как фотоэлектрические модули устанавливаются на неподвижные или следящие конструкции. Глобальная нормальная радиация (GNI) – это суммарное излучение от Солнца на поверхности Земли в определенной точке, принимаемое поверхностью, перпендикулярной направлению на Солнце.

Единицы

Единицей СИ для облученности является ватт на квадратный метр (Вт/м2 = Вт·м−2). Единицей инсоляции, часто используемой в индустрии солнечной энергетики, является киловатт-час на квадратный метр (кВт·ч/м2). Лэнгли — это альтернативная единица инсоляции. Один Лэнгли равен одной термохимической калории на квадратный сантиметр или 41 840 Дж/м2.

Облучение в верхней части атмосферы

thumb|upright=1.5|Сферический треугольник для применения сферического закона косинусов для расчета солнечного зенитного угла Θ для наблюдателя на широте φ и долготе λ, исходя из знания часового угла h и солнечной склонения δ. (δ – широта точки, находящейся непосредственно под Солнцем, а h – относительная долгота этой точки). Среднегодовое солнечное излучение, достигающее верхней границы атмосферы Земли, составляет около 1361 Вт/м². Это мощность на единицу площади солнечного излучения на сферической поверхности, окружающей Солнце, радиусом, равным расстоянию до Земли (1 а.е.). Это означает, что приблизительно круглое видимое с Солнца очертание Земли получает примерно постоянный поток энергии в 1361 Вт/м² в любое время. Площадь этого круга равна , где r – радиус Земли. Поскольку Земля имеет приблизительно сферическую форму, ее общая площадь равна , следовательно, солнечное излучение, достигающее верхней границы атмосферы, усредненное по всей поверхности Земли, составляет примерно 340 Вт/м² (1361 Вт/м² / 4). Иными словами, в среднем за год и за сутки атмосфера Земли получает от Солнца 340 Вт/м². Эта величина имеет важное значение при расчете радиационного воздействия.

Изменение

Общая солнечная облученность (TSI) медленно изменяется в течение десятилетий и на более длительных временных масштабах. Изменение во время солнечного цикла 21 составляло около 0,1% (от пика до пика). В отличие от более ранних реконструкций, большинство современных реконструкций TSI указывают на увеличение всего лишь примерно на 0,05–0,1% между Маундераским минимумом XVII века и настоящим временем. Ультрафиолетовое излучение (EUV) изменяется примерно на 1,5% от солнечных максимумов до минимумов в диапазоне длин волн от 200 до 300 нм. Однако, по оценкам, полученным на основе прокси-исследований, УФ-излучение увеличилось на 3,0% с момента Маундераского минимума. Изменения в орбите Земли, приводящие к изменению потока солнечной энергии на высоких широтах, и наблюдаемые ледниковые циклы. Некоторые изменения в инсоляции обусловлены не изменениями Солнца, а движением Земли между перигелием и афелием или изменениями в широтном распределении излучения. Эти орбитальные изменения, или циклы Миланковича, вызвали изменения в излучении до 25% (локально; глобальные средние изменения значительно меньше) в течение длительных периодов времени. Последним значительным событием был наклон оси в 24° во время летнего полугодия вблизи климатического оптимума голоцена. Получение временного ряда для определенного времени года и определенной широты является полезным применением теории циклов Миланковича. Например, при летнем солнцестоянии, деклинация δ равна наклону оси ε. Расстояние от Солнца…

Для расчета летнего солнцестояния роль эллиптической орбиты полностью заключена в важном произведении – индексе прецессии, изменение которого доминирует над изменениями инсоляции на 65° северной широты при большом эксцентриситете. В течение следующих 100 000 лет, когда изменения эксцентриситета относительно невелики, изменения наклона оси будут преобладать.

Измерение

Запись космической ТСОС включает измерения с более чем десяти радиометров и охватывает три солнечных цикла. Все современные спутниковые приборы для измерения ТСОС используют радиометрию активной электрической заменой. Этот метод измеряет электрический нагрев, необходимый для поддержания поглощающей почерневшей полости в тепловом равновесии с падающим солнечным светом, проходящим через прецизионную апертуру калиброванной площади. Апертура модулируется с помощью затвора. Для обнаружения долгосрочных изменений солнечной иррадиации требуется точность менее 0,01%, поскольку ожидаемые изменения находятся в диапазоне 0,05–0,15 Вт/м² в столетие. По разным причинам источники не всегда согласуются. Значения ТСОС, полученные в рамках "Эксперимента по солнечному излучению и климату/измерению общей радиации" (SORCE/TIM), ниже, чем предыдущие измерения, выполненные с помощью Earth Radiometer Budget Experiment (ERBE) на спутнике Earth Radiation Budget Satellite (ERBS), VIRGO на Solar Heliospheric Observatory (SoHO) и приборов ACRIM на миссиях Solar Maximum Mission (SMM), Upper Atmosphere Research Satellite (UARS) и ACRIMSAT. Предстартовая наземная калибровка основывалась на измерениях компонентов, а не на системном уровне, поскольку в то время стандарты иррадиации не обладали достаточной абсолютной точностью. Значения составляли +0,60 и +0,85. Оценки, полученные на основе космических измерений, находятся в диапазоне +3–7 Вт/м². Более низкое значение ТСОС, полученное SORCE/TIM, уменьшает это расхождение на 1 Вт/м². Эта разница между новым, более низким значением TIM и более ранними измерениями ТСОС соответствует климатическому воздействию в −0,8 Вт/м², что сопоставимо с энергетическим дисбалансом. Различия между составными данными ACRIM и PMOD по ТСОС очевидны, но наиболее значимыми являются тенденции от минимума к минимуму в солнечных циклах 21–23. ACRIM обнаружил увеличение на +0,037% в десятилетие с 1980 по 2000 год и последующее снижение. PMOD, напротив, демонстрирует устойчивое снижение с 1978 года. Значительные различия также наблюдаются в пике солнечных циклов 21 и 22. Это связано с тем, что ACRIM использует исходные результаты ТСОС, опубликованные командами спутниковых экспериментов, в то время как PMOD существенно изменяет некоторые результаты, чтобы привести их в соответствие со специфическими прокси-моделями ТСОС. Последствия увеличения ТСОС во время глобального потепления последних двух десятилетий 20-го века заключаются в том, что солнечное воздействие может быть несколько более значимым фактором изменения климата, чем представлено в общих циркуляционных климатических моделях CMIP5. Солнечные лучи ослабляются при прохождении через атмосферу, оставляя максимальную нормальную поверхностную иррадиацию примерно 1000 Вт/м² на уровне моря в ясный день. Когда 1361 Вт/м² достигает верхней границы атмосферы (когда Солнце находится в зените в безоблачном небе), прямое солнечное излучение составляет около 1050 Вт/м², а общее излучение на горизонтальной поверхности на уровне земли – около 1120 Вт/м². Последняя цифра включает в себя излучение, рассеянное или повторно испущенное атмосферой и окружающей средой. Фактическое значение варьируется в зависимости от угла Солнца и атмосферных условий. Без учета облаков, средняя суточная инсоляция для Земли составляет примерно… Выход, например, фотоэлектрической панели, частично зависит от угла падения солнечных лучей относительно панели. "Один Солнце" – это единица потока энергии, а не стандартное значение фактической инсоляции. Иногда эту единицу называют "Сол", что не следует путать с "сол", обозначающим один солнечный день.

Поглощение и отражение

thumb|left|upright=1.5|Спектр солнечной радиации над атмосферой и на поверхности.

Часть радиации, достигающей объекта, поглощается, а остальная часть отражается. Обычно поглощенная радиация преобразуется в тепловую энергию, повышая температуру объекта. Однако искусственные или природные системы могут преобразовывать часть поглощенной радиации в другую форму, такую как электричество или химические связи, как в случае фотоэлектрических элементов или растений. Доля отраженной радиации – это отражательная способность объекта или альбедо.

Эффект проекции

Проекционный эффект: один солнечный луч шириной в милю падает на землю под углом 90°, а другой – под углом 30°. Косой солнечный луч распределяет свою световую энергию по площади, вдвое превышающей площадь, освещаемую прямым лучом. Инсоляция (количество солнечной энергии, достигающей поверхности) максимальна, когда поверхность обращена непосредственно к Солнцу. По мере отклонения угла между поверхностью и Солнцем от прямого угла, инсоляция уменьшается пропорционально косинусу этого угла; см. влияние угла падения солнечных лучей на климат. На рисунке показан угол между землей и солнечным лучом, а не между вертикальным направлением и солнечным лучом; следовательно, для расчетов следует использовать синус, а не косинус. Солнечный луч шириной в одну милю падает прямо сверху, а другой – под углом 30° к горизонту. Синус угла 30° равен 1/2, а синус угла 90° равен 1. Таким образом, косой солнечный луч освещает площадь, вдвое превышающую площадь, освещаемую прямым лучом. Следовательно, на каждую квадратную милю падает вдвое меньше света. Этот проекционный эффект является основной причиной того, что полярные регионы Земли значительно холоднее экваториальных. В среднем за год полюса получают меньше инсоляции, чем экватор, поскольку они всегда расположены под большим углом к Солнцу, чем тропики, и, кроме того, в течение шести месяцев их зимы не получают инсоляции вовсе.

Эффект поглощения

При меньшем угле свет также должен проходить через больший слой атмосферы. Это ослабляет его (поглощением и рассеянием), ещё больше уменьшая инсоляцию на поверхности. Ослабление регулируется законом Бера-Ламберта, а именно, что пропускание или доля инсоляции, достигающей поверхности, экспоненциально уменьшается с увеличением оптической глубины или поглощения (два понятия отличаются только постоянным множителем) вдоль пути инсоляции через атмосферу. Для любой заданной короткой длины пути оптическая глубина пропорциональна числу поглотителей и рассеивателей вдоль этой длины, как правило, увеличиваясь с уменьшением высоты. Оптическая глубина всего пути является интегралом (суммой) этих оптических глубин вдоль пути. Если плотность поглотителей распределена слоями, то есть зависит в большей степени от вертикальной, чем от горизонтальной координаты в атмосфере, то с хорошей точностью оптическая глубина обратно пропорциональна эффекту проекции, то есть косинусу зенитного угла. Поскольку пропускание уменьшается экспоненциально с увеличением оптической глубины, по мере приближения Солнца к горизонту наступает момент, когда поглощение начинает преобладать над эффектом проекции в оставшееся время дня. При относительно высокой концентрации поглотителей это может составлять значительную часть позднего вечера и раннего утра. И наоборот, при (гипотетическом) полном отсутствии поглощения оптическая глубина остаётся равной нулю при любой высоте Солнца, то есть пропускание остаётся равным 1, и, следовательно, действует только эффект проекции.

Карты солнечного потенциала

Оценка и картографирование солнечного потенциала на глобальном, региональном и страновом уровнях вызывали значительный академический и коммерческий интерес. Одной из первых попыток провести комплексное картографирование солнечного потенциала для отдельных стран был проект "Оценка солнечных и ветровых ресурсов" (SWERA), финансируемый Программой ООН по окружающей среде и реализованный Национальной лабораторией возобновляемой энергии США. Другие примеры включают глобальное картографирование, проводимое Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства и другими подобными институтами, многие из которых доступны в Глобальном атласе возобновляемой энергии, предоставляемом Международным агентством по возобновляемым источникам энергии. В настоящее время существует ряд коммерческих компаний, предоставляющих данные о солнечных ресурсах разработчикам солнечной энергетики, включая 3E, Clean Power Research, SoDa Solar Radiation Data, Solargis, Vaisala (ранее 3Tier) и Vortex, и эти компании часто предоставляют карты солнечного потенциала бесплатно. В январе 2017 года Всемирный банк запустил Глобальный солнечный атлас, использующий данные, предоставленные Solargis, для обеспечения единого источника высококачественных солнечных данных, карт и ГИС-слоев, охватывающих все страны. Карты солнечной радиации создаются на основе баз данных, полученных из спутниковых изображений, например, с использованием видимых изображений со спутника Meteosat Prime. К изображениям применяется метод для определения солнечной радиации. Модель SUNY является одной из хорошо валидированных спутниковых моделей для определения облученности. Точность этой модели хорошо изучена. В целом, карты солнечной радиации точны, особенно в отношении глобальной горизонтальной облученности.

Приложения

+ Коэффициент преобразования (верхнюю строку умножить на коэффициент для получения соответствующего значения в боковом столбце) Вт/м2 кВт·ч/(м2·день) солнечные часы/день кВт·ч/(м2·год) кВт·ч/(кВтп·год) Вт/м2 1 41.66666 41.66666 0.1140796 0.1521061 кВт·ч/(м2·день) 0.024 1 1 0.0027379 0.0036505 солнечные часы/день 0.024 1 1 0.0027379 0.0036505 кВт·ч/(м2·год) 8.765813 365.2422 365.2422 1 1.333333 кВт·ч/(кВтп·год) 6.574360 273.9316 273.9316 0.75 1

Солнечная энергия

Солнечный свет переносит энергию излучения в диапазоне длин волн видимого света. Энергию излучения можно использовать для выработки солнечной энергии. Данные об инсоляции используются для планирования размещения солнечных энергетических систем. Во многих странах эти данные можно получить из карт инсоляции или таблиц инсоляции, отражающих данные за предыдущие 30–50 лет. Различные технологии солнечной энергетики способны использовать разные компоненты общего излучения. В то время как солнечные фотоэлектрические панели могут преобразовывать как прямое, так и рассеянное излучение в электричество, концентрированная солнечная энергетика эффективно работает только при прямом излучении, что делает эти системы подходящими только для мест с относительно небольшой облачностью. Поскольку панели солнечных коллекторов почти всегда устанавливаются под углом к Солнцу, значения инсоляции необходимо корректировать для определения количества солнечного света, попадающего на панель. Это позволит избежать заниженных оценок для зимы и завышенных для лета. Это также означает, что количество солнечного света, попадающего на солнечную панель на высокой широте, не так мало по сравнению с экватором, как может показаться при рассмотрении инсоляции на горизонтальной поверхности. Горизонтальные значения инсоляции варьируются от 800 до 950 кВтч/(кВтч·год) в Норвегии до 2900 кВтч/(кВтч·год) в Австралии. Однако правильно наклоненная панель на 50° широты получает 1860 кВтч/м²/год, по сравнению с 2370 на экваторе. Фактически, при ясной погоде солнечная панель, расположенная горизонтально на Северном или Южном полюсе в летнее солнцестояние, получает больше солнечного света за 24 часа (косинус угла падения равен sin(23,5°) или около 0,40), чем горизонтальная панель на экваторе в день равноденствия (средний косинус равен 1/ или около 0,32). Фотоэлектрические панели оцениваются в стандартных условиях для определения номинальной мощности Wp (пиковая мощность), которая затем используется вместе с инсоляцией, скорректированной такими факторами, как угол наклона, система слежения и затенение, для определения ожидаемой выработки.

Гражданское строительство

В гражданском строительстве и гидрологии численные модели стока талых вод используют данные наблюдений за солнечной радиацией. Это позволяет оценить скорость высвобождения воды из тающего снежного покрова. Измерения на местности проводятся с помощью пиранометра.

Исследования климата

Излучение играет роль в климатическом моделировании и прогнозировании погоды. Неравный нулю средний глобальный чистый радиационный поток в верхней части атмосферы указывает на тепловой дисбаланс Земли, вызванный климатическими факторами. Влияние более низкого значения TSI в 2014 году на климатические модели неизвестно. Изменения абсолютного уровня TSI на несколько десятых процента обычно считаются несущественными для климатических симуляций. Новые измерения требуют корректировки параметров климатических моделей. Эксперименты с GISS Model 3 исследовали чувствительность производительности модели к абсолютному значению TSI в современную и доиндустриальную эпохи, и описывают, например, как уменьшение облучения распределяется между атмосферой и поверхностью и как это влияет на исходящее излучение. Для измерения охлаждающей способности пассивной радиационной поверхности необходимо количественно оценить поглощенную мощность атмосферного и солнечного излучения. В ясный день солнечное излучение может достигать 1000 Вт/м² при диффузном компоненте от 50 до 100 Вт/м². В среднем охлаждающая способность пассивной поверхности радиационного охлаждения днем оценивается в ~100–150 Вт/м².

Пространство

Инсоляция является основной переменной, влияющей на равновесную температуру при проектировании космических аппаратов и в планетологии. Измерение солнечной активности и облученности важно для космических путешествий. Например, американское космическое агентство NASA запустило свой спутник Solar Radiation and Climate Experiment (SORCE) с датчиками солнечной облученности.