Sevanje ali zakaj se vse skupaj dogaja

Od kje pride vsa energija, ki poganja atmosferska gibanja? Pride od Sonca v obliki sevanja. Sončno sevanje povzroča vse vremenske pojave okoli nas, nas greje, povzroča vetrove, morske tokove,…

Pogoji za življenje na Zemlji so določeni z občutljivim ravnovesjem med sevalnimi tokovi. Spodnja slika prikazuje, kateri sevalni procesi so vključeni v ravnovesje.

Energijska bilanca Zemlje, Vesna Brezar po sliki 6.3. iz predavanj

Različni tipi sevanja interagirajo z delci v atmosferi in s tlemi. Vse skupaj segreva sončno sevanje. Segreta tla oddajajo toplotno sevanje, s tem ohladijo Zemljo in tako uravnotežijo sevanje, ki ga Zemlja prejme od Sonca. Pomemben del ravnovesja je tudi efekt tople grede. Preprečuje, da bi sevanje tal v celoti zapustilo Zemljo. Na ta način se ozračje še bolj segreje. Da bi razumeli podrobnosti zgornje slike, se moramo vprašati naslednje. Kaj je sevanje? Kaj se dogaja s sevanjem na poti skozi zrak? Itd.

Fiziki se že stoletja ukvarja s temi vprašanji, zato imamo danes dobro razumevanje osnovnih načel. Na plečih meteorologije pa je, da razišče, kako ti radiacijski procesi vodijo do razmer okoli nas. In kako se bodo ti odnosi razvijali tudi v prihodnje…

Prenos energije

Prenos energije med sistemom in njegovo okolico poteka na tri načine.

Prenos energije v vsakdanjem življenju. KONVEKCIJA: Topel zrak se razteza, zaradi česar je lažji od okoliškega zraka. Posledično se zaradi vzgonskih sil dviguje. KONDUKCIJA: Če pustimo konec kovinske palice dovolj dolgo na ognju, se bo njen ročaj segrel. Kovinska palica dobro prevaja toploto, ki se tako prenese iz vročega dela palice nad ognjem do dela palice, ki se ga držimo z rokavicami. SEVANJE: Na sliki imamo več primerov sevanja. Ko stojimo ob velikem ognju, nas greje toplotno sevanje, ki smo ga prejeli od ognja. Drug primer na sliki je vroča palica, ki zažari in tako oddaja vidno svetlobo oz. energijo preko sevanja. Vir: beodom.com, prevedeno v slo.

Sevanje

S sevanjem objekt in njegova okolica izmenjujeta energijo kot toploto preko elektromagnetnih valov. Ko recimo stojimo ob ognju, nas greje absorbirano toplotno sevanje ognja. Naša toplotna energija se poveča, toplotna energija ognja pa zmanjša.

Za prenos energije preko sevanja ne potrebujemo medija - sevanje lahko potuje po vakuumu, tako tudi pride od Sonca do nas. Energija te vrste se prenaša z elektromagnetnim valovanjem s svetlobno hitrostjo $c = 3 \cdot 10^8 m^s$.

Elektromagnetna valovanja se razlikujejo po valovni dolžini. V grobem pri meteorologiji ločimo kratkovalovno in dolgovalovno sevanje. Meja med obema je pri treh mikronih. Pod to mejo je 98 % energije sončnega sevanja, nad njo pa 99 % energije sevanja tal in atmosfere.

Pojavi v atmosferi

Sončno sevanje, ki dospe na gornjo mejo atmosfere (zgornja meja atmosfere je za te procese na višini

okrog 80 km), na svoji poti do tal oslabi. Zemeljska atmosfera namreč ni povsem prozorna za sevanja, ki jih oddaja Sonce. Del sevanja se odbije (reflektira) na oblakih, oziroma se razprši (siplje) na delcih v zraku in plinskih molekulah, del pa vpijejo (absorbirajo) delci in nekateri plini, ki sestavljajo zrak.

Slika Energijska bilanca Zemlje. Količina sončne energije, ki pade na zgornjo mejo atmosfere, ne dospe v celoti na zemeljsko površino. Sončni žarki namreč potujejo skozi ozračje in pri tem izgubijo določeno količino svoje energije zaradi fizikalnih lastnosti zraka. Vir: Vesna Brezar po sliki 6.3. iz predavanj.

Poglejmo si atmosferske pojave podrobneje.

Absorpcija

V vodi se močno absorbira širok pas barv v rdečem delu spektra. Tako npr. 30 m debel sloj vode skoraj povsem absorbira rdečo svetlobo. Globoko pod gladino morja torej ni rdeče svetlobe, tam je vse modrikasto zeleno. Tudi oddaljene gore so videti zelenkasto modrikaste. Bela svetloba se namreč na poti do gora in nazaj selektivno absorbira v ozračju. Če je ozračje vlažno, se absorbira predvsem rdeča svetloba in prepuščena svetloba se obarva zelenkasto.

Določene valovne dolžine svetlobe - v resnici večina - nikoli ne dosežejo tal, saj se prej absorbirajo v atmosferi. Zato so teleskopi v vesolju pomembni, saj opazujejo valovne dolžine, ki jih na Zemlji ne zaznamo.

Večina plinov, ki sestavljajo atmosfero, je prozorna za sončno sevanje. Za absorpcijo so pomembni le vodna para, ozon in ogljikov dioksid, čeprav jih je v atmosferi razmeroma malo. Vodna para absorbira v vidnem in IR delu spektra, ogljikov dioksid v infrardečem, ozon pa predvsem v ultravijoličnem delu spektra. Absorpcija v teh plinih je zelo selektivna, to se pravi, da je absorpcija nekaterih valovnih dolžin močna, drugih pa slaba.

Poglejmo si, kako EM sevanje različnih valovnih dolžin različno globoko prodre v Zemljino atmosfero. Sonce oddaja širok spekter frekvenc (oz. valovnih dolžin), od visokoenergetskih gama in rentgenskih sevanj, preko UV svetlobe, vidne svetlobe naprej po spektru do infrardečih in radijskih valov. Na našo srečo se vso visokoenergetsko valovanje rentgenskih žarkov absorbira v naši atmosferi. Podobno se tudi večina UV sevanja (tiste s krajšimi valovnimi dolžinami in višjimi energijami) blokira v termosferi, mezosferi in stratosferi. Zaradi dolgovalovnega UV sevanja z nižjimi energijami pa moramo vseeno nositi sončna očala in poleti kremo za sončenje, da se izognemo sončnim opeklinam in kožnemu raku.

Različne valovne dolžine elektromagnetnega sevanja prodrejo različno globoko v Zemljino atmosfero. Na našo srečo se izloči celotno rentgensko valovanje in večina UV valovanja precej nad tlemi. Večina vidne in radijske svetlobe pride do tal, zato jo lahko opazujemo tudi iz Zemlje. Doseže nas tudi del infrardeče in ultravijolične svetlobe. Vir: amazing-space.stsci.edu, 29.10.2011.

Relativno ozko okno EM valovanja okoli vidne svetlobe doseže Zemljino površje. Okno poleg celotnega dela vidnega spektra vsebuje tudi nekaj UV dela spektra z manjšimi energijami in daljšimi valovnimi dolžinami in nekaj infrardečega sevanja s kratkimi valovnimi dolžinami.

Večino IR valov z daljšimi valovnimi dolžinami in precej kratkovalovnih radijskih valov absorbira stratosfera, nekaj radijskih valov pa vseeno pride do tal. Tu imamo radijsko okno, torej radijsko sevanje, ki doseže tla. Še daljših valovnih dolžin radijskih valov tudi ne zaznamo na tleh - veliko se ga absorbira ali odbije v ionosferi.

Primerjava med sončnim sevanjem na zgornji meji Zemljine atmosfere (zelena črta, predpostavimo, da Sonce seva kot črno telo), s sevanjem, ki doseže tla na Zemlji (modra črta). Vir: pvcdrom.pveducation.org, 29.10.2011.

Medtem, ko absorpcija sončne svetlobe na plinih v atmosferi spremeni spekter sevanja, na celotno moč nima velikega vpliva. Večji delež zmanjšanja energije, ki jo prejmemo od sevanja Sonca, je posledica absorpcije in sipanja svetlobe zaradi molekul zraka in prahu. Ti absorpcijski procesi ne naredijo globokih absorpcijskih črt v spektralni krivulji, povzročijo pa zmanjšanje prejete moči, odvisno od poti skozi atmosfero. Ko je Sonce recimo v zenitu, absorpcija povzroči relativno enakomerno redukcijo moči po celotnem spektru, zato prejeta svetloba zgleda bela. Če pa je pot daljša, se fotoni z daljšimi energijami (torej z krajšo valovno dolžino) bolj učinkovito absorbirajo in sipljejo. Zato zjutraj in zvečer Sonce zgleda veliko bolj rdeče kot sredi dneva.

Še nekaj podatkov. Sonce izseva ogromne količine energije v vesolje, ta pa se potem širi v prostor v vse smeri. Samo majhen del te energije prestrežejo Zemlja in drugi planeti Osončja. Iz Sonca prihaja na vrh zemeljskega ozračja svetlobni tok z gostoto $j_0 = 1360 W=m^2$ v fizikalnem merilu in okoli $1.4 \cdot 10^5 lm/m^2$ v fiziološkem. Zaradi absorpcije v ozračju je gostota svetlobnega toka na površini Zemlje manjša. Ob jasnem vremenu meri okoli $10^5 lm/m^2$ ali $1000 W=m^2$, ob oblačnem pa precej manj.

3.2ODBOJNOST, PREPUSTNOST

Na zemeljski površini se del sončnega sevanja odbije nazaj v atmosfero. Kolikšen je ta del, je odvisno od površine. Koeficient odboja, ki mu pravimo tudi albedo, če ga obravnavamo kar za cel spekter sončnega sevanja skupaj, je največji za snežno odejo, najmanjši pa za temno, vlažno zemljo. Albedo ima velik pomen pri energijski bilanci zemeljske površine. Za zemljo kot planet znaša albedo 0.34. S

Sončno sevanje, ki pade na zemeljsko površino ali na vegetacijo na njej, se deloma odbije od nje, deloma ga vpijejo površinska plast tal in rastline, deloma pa prodre skozi površinsko plast in rastline. Prepustnost trdne zemeljske površine je praktično zanemarljiva v primerjavi s prepustnostjo vode. Zato se sončno sevanje praktično absorbira v površinski plasti tal, v vodo pa prodre razmeroma globoko. Modri in vijolični del spektra prodreta do globine 20 m, zeleni del pa do približno 40 m.

Primerjava med absorpcijo in odbojem za različne površine na Zemlji. Vir: Vesna Brezar po sciencebuzz.org, 1.11.2011.

V splošnem sta odbojnost in prepustnost za različne enobarvne sestavine različni. Samo izjemoma sta odbojnost in prepustnost neodvisni od valovne dolžine. Tedaj govorimo o sivi površini ali sivem telesu. Posebna primera sivega telesa sta belo telo, ki odbije ves vpadni svetlobni tok in črno telo, ki ves svetlobni tok absorbira. Belemu telesu se približamo s prevleko iz magnezijevega oksida, črnemu pa s prevleko iz saj.

Sipanje svetlobe

Kaj je sipanje?

Ali se tudi na plinih odbija svetloba, podobno kot na nepremičnih objektih? Lahko, vendar se pojav v

tem primeru imenuje sipanje. Enega od mehanizmov za sipanje na atmosferi poznamo kot Rayleighovo sipanje, ki ga povzročijo molekule v atmosferi. Rayleighovo sipanje je posebej opazno pri kratkovalovni svetlobi.

Sipanje vidnega dela spektra. Rdeča svetloba (leva slika) ima valovno dolžino večjo od večine delcev, zato potuje nemoteno mimo delcev. Modra svetloba (desna slika) pa ima valovno dolžino primerljivo velikosti delcev v atmosferi, zato se siplje. Vir: pvcdrom.pveducation.org, 29.10.2011..

Sipana svetloba ni usmerjena, zato se zdi, da prihaja iz vseh smeri nega. Ta svetloba se imenuje difuzna svetloba. Ker je difuzna svetloba v glavnem modra, zgleda nebo oz. svetloba, ki jo gledamo v koncih neba, kjer ni Sonca, modra.

3.3.2Sipanje v atmosferi

V zraku se siplje predvsem vijolična in nekoliko manj modra svetloba in to predvsem na molekulah zraka ter morebitnih primeseh. Sipano svetlobo vidimo kot svetlobo neba, ki je zato modrikasto. Direktni sončni žarki na poti skozi ozračje izgubljajo vijolično in modro svetlobo in se zato obarvajo rumeno. Če je pot žarkov skozi ozračje zelo dolga (npr. zjutraj in zvečer) ali če je v zraku veliko drobnih delcev (npr. nad obsežnimi kmetijskimi površinami jeseni, ko je zemlja razsušena) ali aerosolov (nad industrijskimi površinami), se siplje močno tudi zelena svetloba in sončni žarki postanejo rdeči. Če ne bi imeli sipanja na atmosferi, bi se nam nebo zdelo črno. Na jasen dan se siplje približno 10 % vsega sevanja, ki ga dobimo od Sonca.

Slika neba iz astronomskega programa Stellarium, pogled proti jugu. Leva slika prikazuje popoldansko nebo z atmosfero, desna pa to isto nebo minuto kasneje, brez atmosfere. Vidimo lahko, da bi se nam nebo zdelo črno, če ne bi imeli sipanja na atmosferi. Vir: Program Stellarium.