Инсолация (слънчева радиация): определение, измерване и влияние

Инсолация (от лат. insolare — излагане на слънце) обобщава количеството слънчева енергия, което достига първо до земната атмосфера и след това до земната повърхност. Инсолацията често се описва като слънчевата радиация, която достига до земната повърхност. В практиката тя се измерва като количество слънчева енергия, получено върху единица площ за определен времеви интервал — исторически често в енергия на квадратен сантиметър за минута, а днес в SI единици като ват/кв.метър (W/m²) или енергия за ден (Wh/m² или kWh/m²).

Как се измерва

Основните величини и прибори:

Глобална хоризонтална радиация (GHI) — сумата от директната слънчева радиация и дифузната (от разсеяна светлина). Измерва се с пирванометри.
Директна нормална радиация (DNI) — енергията, идваща директно от слънцето по нормала на лъчението; измерва се с пирхелиометър (трябва проследяване на слънцето).
Дифузна хоризонтална радиация (DHI) — компонентът, разсейван от атмосферата и облаците.

Често използвани инструменти: пирванометър (за GHI), пирхелиометър (за DNI), апарати за регистрация на продължителността на слънцето като Campbell–Stokes, както и спътникови продукти и атмосферен реанализ (например ERA5) за пространствено покритие и дългосрочни данни.

Единици и ориентировъчни стойности

В горните слоеве на атмосферата средната стойност на слънчевата постоянна е около 1361 W/m². На земната повърхност при ясен ясен ден и изправено към слънцето приемане, директната радиация може да достигне около 1000 W/m² (приблизително 1 kW/m²). Това съответства на около 0.1 J/s на cm², тоест ~6 J/cm² за една минута при пълна слънчева инсолaция.

За соларни инсталации и агрометеорология често се използва дневна енергия в kWh/m²/ден — типични летни стойности за ясни райони са 5–8 kWh/m²/ден, а в облачни райони — по-малки.

Фактори, които влияят на инсолaцията

Географска ширина и сезон: наклонът на Слънцето спрямо хоризонта променя продължително и интензитета през годината — по-голяма инсолaция в екваториални райони и през лятото в средните ширини.
Атмосферна прозрачност: облаци, водни пари, прахови частици и аерозоли намаляват директната и общата радиация.
Аспект и наклон на повърхността: ориентирани към Слънцето и правилно наклонени покриви/панели получават значително повече енергия от хоризонтални повърхности.
Височина над морското равнище: при по-голяма височина атмосферата е по-тънка и поглъщането намалява, което често води до по-висока инсолaция.
Отразяване (албедо): част от инсолaцията се отразява от повърхността — светли повърхности (снегове, лед) връщат повече енергия обратно в атмосферата.

Типове лъчи и въздействие

Слънчевата радиация включва видимия спектър, инфрачервеното и ултравиолетовото (UV). Именно UV лъчите имат пряко отношение към здравето (слънчево изгаряне, синтез на витамин D) и климатичните ефекти. Инсолацията влияе на температурата: при по-голямо слънчево греене средната и моментната температура на въздуха и почвата се повишава.

Практически последствия и приложения

Климат и метеорология: разпределението на инсолaцията определя сезонните и пространствени модели на температура и валежи.
Соларна енергия: оценката на инсолaцията е ключова за проектиране на фотоволтаични и слънчево-топлинни системи (избор на ориентация, наклон и размер).
Селско стопанство: инсолaцията влияе върху растежа на растенията, изпарението и дозите за напояване.
Градско планиране и строителство: пасивният слънчев дизайн използва инсолaцията за отопление и осветление; също така е важно за предотвратяване на прегряване през лятото.
Здраве: личната експозиция на слънце носи ползи (витамин D) и рискове (UV-увреждания), затова е важно правилно поведение и защита.

Кога е най-силно слънчевото греене

В рамките на деня най-силна е слънчевата радиация около местния слънчев обяд (solar noon), когато Слънцето достига най-голяма височина над хоризонта. Това не винаги съвпада с 12:00 по часовник, тъй като зависи от географската дължина и лятното часово време. Важно е да се прави разлика между чисто астрономичния момент и наблюдаваното поради облачност и атмосферни условия.

Като обобщение: инсолация е количеството слънчева енергия, падащо върху единица площ; измерва се с различни прибори и единици; варира поради сезон, ширина, атмосфера и наклон — и има съществени последици за климат, енергетика, селско стопанство и човешкото здраве.

Климатът на Земята до голяма степен се определя от енергията на планетата

Карта на слънчевата радиация в Европа

Слънчева радиация в Африка и Близкия изток

Изоставени хълмове в Долината на паметниците, САЩ

Фактори, влияещи на слънчевата радиация

Количеството на слънчевата радиация, което се получава на земната повърхност, не е еднакво навсякъде. То варира в зависимост от мястото и времето. Когато тропическите райони получават максимална годишна слънчева радиация, тя постепенно намалява към полюсите. Инсолацията е по-голяма през лятото и по-малка през зимата. Основните фактори, които оказват влияние върху количеството на получената слънчева радиация, са:--

Слънчева константа
Ъгълът на падане на слънчевите лъчи
Продължителност на деня
Разстояние на Земята от Слънцето
Прозрачност на атмосферата

Слънчева константа

В горната част на земната атмосфера получената слънчева радиация се изразява като слънчева константа.Тя се получава в горната част на атмосферната повърхност (термопаузата) в равнина, перпендикулярна на слънчевия лъч. Средната слънчева енергия, получена в термопаузата, е 1368Wm2 (вата на квадратен метър) енергия (слънчева константа) под формата на къси вълни. Така тя се нарича слънчева константа за това средно разстояние от слънцето. Тази слънчева константа варира над 1 Wm2 чрез периодични смущения и експлозии на слънчевата повърхност, основно свързани със слънчевите петна. Слънчевите петна са тъмни и по-хладни области, които се виждат на повърхността на слънцето. последните изследвания показват, че се отделя все повече енергия, когато слънчевите петна са голям брой. броят на слънчевите петна също се увеличава или намалява редовно, като се създава цикъл от 11 години.

Ъгълът на падане

Тъй като Земята е геоид, наподобяващ сфера, слънчевите лъчи попадат върху повърхността й под различен ъгъл на различни места. Това зависи от географската ширина на мястото.Колкото по-висока е географската ширина, толкова по-малък е ъгълът, който те сключват със земната повърхност. Площта, покрита от вертикалните лъчи, винаги е по-малка от тази на наклонените лъчи. Ако се покрие по-голяма площ, енергията се разпределя и нетната енергия, получена на единица площ, намалява. Освен това слънчевите лъчи с малък ъгъл преодоляват по-голяма част от атмосферата, отколкото лъчите, падащи под голям ъгъл.

Продължителност на деня

Продължителността на деня определя продължителността на слънчевата светлина, която влияе върху количеството слънчева радиация, получавана от земната повърхност. Колкото по-дълъг е периодът на слънчево греене, толкова по-голямо количество слънчева радиация ще бъде получено от дадена част на Земята.Например на екватора продължителността на дните и нощите е 12 часа през всички месеци, но в тропиците на Арктика и Антарктика продължителността на слънчевото греене варира между 0 и 24 часа. На есенното и пролетното равноденствие (съответно на 23 септември и 21 март) слънцето е над екватора по обяд. нощта и денят по цялата земя са равни в тези дни и максималното количество слънчева радиация се получава на екватора, а количеството на слънчевата радиация намалява към полюсите. това се дължи на вертикалното слънчево греене на екватора, но с увеличаване на географските ширини лъчите стават все по-наклонени. Затова в посока към полюсите получената енергия продължава да намалява.

Разстояние на Земята от Слънцето

Земята се върти около Слънцето по елиптична орбита, в резултат на което разстоянието между Слънцето и Земята се променя непрекъснато на годишна база. Това води до сезонни колебания в слънчевата енергия, получавана от Земята.Средното разстояние между Земята и Слънцето е около 149 600 000 км (92 900 000 мили).Когато Земята е най-далеч (152 милиона км) от Слънцето, това е известно като "афелий" на 4 юли. Перифелий (147 милиона км) се появява на 3 януари всяка година, което е най-близкото разстояние. По време на афелия северното полукълбо е обърнато към Слънцето и затова получава енергия с около 7% по-малко от перихелия (южното полукълбо).

Прозрачност на атмосферата

Атмосферата не е прозрачна за цялата радиация, идваща от слънцето, поради различния си състав и слоеве. Тя е и един от факторите, които контролират достигането на слънчевата радиация до земната повърхност. Атмосферата е съставена от газове, водни пари и твърди частици.Атмосферата е смес от газове, като азот (N), кислород (O2), аргон, въглероден диоксид, неон (Ne), хелий (He), метан (CH4), криптон (Kr), озон (O3), азотен оксид (N2O), водород (H) и ксенон (Xe). Атмосферата съдържа и водни пари, вода в газообразно състояние.

Колкото по-дълга е продължителността на светлата част на деня, толкова по-голяма е слънчевата радиация, получавана на ден.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява инсолацията?

О: Инсолацията е слънчевата радиация, която достига до земната повърхност.

В: Как се измерва слънчевото греене?

О: Инсолацията се измерва чрез количеството слънчева енергия, получено на квадратен сантиметър за минута.

В: Какво представлява слънчевата енергия?

О: Слънчевата енергия е топлината, получена от слънчевата радиация.

В: Какво влияе на количеството слънчева радиация, получавано на Земята?

О: Сезонът, географската ширина, прозрачността на атмосферата и аспектът или наклонът на терена влияят върху количеството слънчева енергия, получена на Земята.

В: Как влияе слънчевото греене върху температурата?

О: Колкото по-голяма е слънчевата радиация, толкова по-висока е температурата.

Въпрос: Кога се получава най-силното слънчево греене за един ден?

О: Най-силна е слънчевата радиация по обяд.

Въпрос: Може ли слънчевата енергия да се нарече слънчево греене, когато се получава от Земята?

О: Да, слънчевата енергия, получена от Земята, се нарича инсолация.