A Nap és napsugárzás (albedo, üvegházhatás)
A légköri folyamatok fő energiaforrása a Napból érkező részecskesugárzás és elektromágneses sugárzás.
A részecskesugárzás elemei lehetnek ionok, elektromos töltésű részecskék, és töltetlen neutronok. A részecskesugárzás az elektromágneses sugárzáshoz képest csak kis hányadát teszi ki a Nap sugárzó energiájának. Az elektromágneses sugárzás zérus nyugalmi tömegű részecskék, azaz fotonok árama.
A Napból származó energia táplálja a légkör fizikai folyamatait.
Napfénytartam-mérő
A napsugárzás energiaforrása nem más, mint atommag reakció, amely a Nap belső részeinek rendkívül magas hőmérsékletén (akár 20-50 millió fokot is elérheti) és az ottani nagy nyomáson megy végbe. Ennek során a Nap tömegének 98%-át kitevő hidrogén atomjai héliumatomokká alakulnak át. A folyamat közben felszabaduló energia szétszóródik, majd többszöri átalakulás után eljut a Nap felszínére és innen elektromágneses sugárzás formájában a világűrbe.
A légkörbe hatoló napsugárzás a légkör anyagával kölcsönhatásba kerülve jelentősen módosul; a légkör alkotórészei egyrészt különböző hullámhosszokon elnyelik (elnyelés/abszorpció), másrészt az eredeti haladási iránytól eltérítik (szórják) a napsugárzást. A szórás valójában a nappali világosságot jelenti. Ezeknek a mechanizmusoknak a hatására a földfelszínt elérő napsugárzás jelentősen gyengül, és spektrális összetétele is változik a légkör tetejére beérkezőhöz képest. A légkör egyes alkotóinak abszorbeáló hatása alapvető fontosságú a földi élet szempontjából, mivel kiszűrik az élővilág számára káros hullámhosszúságú sugárzást.
A Nap felszínéből kilépő elektromágneses sugárzás tehát nem más, mint a hullámok formájában tovaterjedő elektromágneses energia. Minél rövidebb a sugárzás hullámhossza, annál nagyobb az energiája.
Pirgeométer
(A pirgeométer irányítottságtól függően a légkör
hosszúhullámú visszasugárzását, vagy a
felszín hosszúhullámú kisugárzását méri.)
A rövidebb hullámhossztól a hosszabb felé haladva a következő elektromágneses sugárzásokat különböztetjük meg:
- Gamma-sugárzás
- Röntgensugárzás
- Ultraibolya sugárzás
- Látható fény
- Infravörös sugarak
- Rádióhullámok
A Nap sugárzó energiájának 7%-a az ultraibolya és röntgen tartományba tartozik, 46%-a a látható fény-, a további 47% pedig az infravörös tartomány része.
Az infravörös tartományba tartozó sugarak főként hőhatásukkal tűnnek ki, ezért ezt a sugárzást hősugárzásnak nevezzük.
Az emberi szem a napsugárzás legintenzívebb tartományára érzékeny. Ezt a tartományt hívjuk látható tartománynak (0.4-0.7 mikron).
Napsugárzás-mérő műszerekkel
felszerelt
SCI-TEC típusú
intelligens napkövető berendezés
A Napból a Föld felszínére érkező sugárzás különböző színekből áll. Az emberi szem a számára is látható fényt, a vízcsepp színeire bontja, így láthatóvá válnak a vörös-, narancs-, sárga-, zöld-, kék- és ibolyaszínű összetevők.
Azt a napsugárzás mennyiséget, ami a légkör felső határán 1 m2; felületre 1 másodperc alatt esik, napállandónak nevezzük, értéke pedig különböző műszerek mérései alapján 1364 és 1372 W/m2 (Watt/m2) közé esik.
A kép bal oldalán piranométer, középen UV Biométer,
jobb oldalán pedig spektrofotométer látható.
(A piranométer az érzékelő által meghatározott sík feletti térből érkező
összes rövidhullámú sugárzás (globálsugárzás) mérésére szolgál.)
Albedo és üvegházhatás
A légkör tetejét elérő sugárzásnak kevesebb, mint a fele éri el a talajfelszínt. A felszínt elérő sugárzás egy része elnyelődik, másik része visszasugárzódik a légkörbe.
A levegő felmelegedése tehát "alulról történik", ami azt jelenti, hogy a felszín felmelegíti a fölötte elhelyezkedő levegőt. A levegő saját sugárzáselnyelő hatása miatti felmelegedése kicsi, így a beeső sugárzás felmelegíti a felszínt, és a felszín melegíti fel a közeli levegőréteget. A napsugárzásnak hozzávetőlegesen a fele éri el a Föld felszínét. Ennek jelentős részét a talaj elnyeli. A napsugárzástól felmelegedett talaj hőt bocsát a levegő legalsó rétegeibe. Ezzel megkezdődik a levegő melegedése. A napsugarak egy része a világűr felé távozik, egy része pedig veszendőbe megy. Legnagyobb részét azonban a levegő szén-dioxid és vízgőztartalma nyeli el, majd hővé alakítva visszasugározza a Földbe.
A különböző felszínek fényvisszaverő képességét albedo-nak, a légkör hővisszatartó tulajdonságát pedig üvegházhatás-nak nevezzük.
Az albedo-t, azaz az adott felület által visszavert sugárzás és a felületre érkező sugárzás arányát %-ban mérjük. Minél kisebb egy táj albedo-ja, a talaj annál több napsugarat ver vissza a levegőbe, így az adott területen nagyobb melegedésre számíthatunk.
Az üvegházhatás a kertekben található üvegházakban lezajló melegedési folyamatokhoz hasonlítható. Az üvegház fala átengedi a Napból érkező sugarakat. Ezek egy része a talajban elnyelődik és hővé alakul. A talaj a hő másik részét a levegőnek adja át felmelegítve vele a talaj közeli levegőt. A fennmaradó hő vagy kisugárzás útján az üvegház levegőjébe jut, vagy a víz elpárologtatásában vesz részt. A hő az üvegházból nem tud kijutni, hiszen a talajfelszínből származó kisugárzást az üveg elnyeli és visszasugározza az üvegházba.
A különféle felszínek különbözőképpen verik vissza a napsugárzást. Szántóföld fölött például nagyobb a melegedés mértéke, mert viszonylag keveset ver vissza a napsugárzásból, alig 15 %-ot. Az erdős és vízzel borított felszínek fölött a mérsékelt 30 %-os albedo a jellemző. A hó-, illetve jég felszín a ráeső sugárzás nagy részét, közel 60% -90 %-át visszaveri. Ezért e tájak fölött a felmelegedés csekély.
A felmelegedés mértékét befolyásoló tényezők:
- A napsugarak beesési-, hajlásszöge
- A napsugárzás intenzitása
- A napsugárzás időtartama
- A domborzat
- A felszín színe
- A felhőzet mennyisége
- A légáramlás sebessége