Besugárzás (inszoláció) – a Földre érkező napsugárzás definíciója
Besugárzás (inszoláció): a Földre érkező napsugárzás meghatározása, mérése és hatása a hőmérsékletre — évszakok, földrajzi szélesség és légkör szerepe.
Inszoláció (más néven besugárzás) alatt azt a napsugárzást értjük, amely a Föld légkörén keresztül eléri a földfelszínt. Szűkebb értelemben a besugárzás a felszínre érkező napsugárzás teljesítményét vagy energiáját jelenti egy adott területre és időegységre vetítve. Gyakran mérik a beérkező napenergia mennyiségét, amelyet egy felület egy egységnyi ideig fogad — az SI-rendszerben tipikusan watt per négyzetméter (W/m²) formájában (pillanatnyi teljesítmény, azaz irradiancia), vagy energiaként kWh/m²/nap formában (időre integrált energia, azaz irradiáció).
Mire hat a besugárzás?
A napsugárzás közvetlen hatással van a hőmérsékletre, illetve alapvető szerepe van az éghajlatban, az időjárási folyamatokban, a növényzet növekedésében és az emberi tevékenységek (pl. építészet, napelem-kivitelezés) tervezésében. Minél nagyobb a felszínre érkező sugárzás, annál több energia áll rendelkezésre a felmelegedéshez és egyéb fotofizikai folyamatokhoz.
A besugárzás komponensei és mérése
- Direkt (közvetlen) sugárzás: a Napból közvetlenül érkező, egyenesen haladó sugarak. Ezt gyakran direktsugárzásnak vagy Direct Normal Irradiance-nek (DNI) nevezik.
- Diffúz sugárzás: a légkörben szórt napsugárzás, amely felhőkről, aeroszolokról és molekuláris szóródásból származik.
- Globális horizontális besugárzás (GHI): a horizontális felületre érkező összes sugárzás (direkt komponensnek a horizontális vetületét és a diffúz sugárzást együttvéve).
A felszínen mért értékeket gyakran percenként vagy más időegységre vetítve is találhatjuk; a cikk eredeti megfogalmazásában szereplő percenként négyzetcentiméterenként kifejezés helyett célszerű az SI-egységekre (W/m²) és energiamennyiségekre (kWh/m²/nap) hivatkozni, mert ezek használata a gyakorlatban elterjedtebb.
Milyen tényezők befolyásolják a besugárzást?
- Földrajzi szélesség és évszak: a Nap magassága és a beesési szög változik — a szög meghatározza, hogy ugyanakkora napsugárzás hogyan oszlik el a felszínen.
- Időpont a napon: egy adott napon a legerősebb napsugárzás általában délben (vagy pontosabban a helyi napközépen, azaz a Nap delelésének idején) érkezik.
- Légköri viszonyok: felhők, páratartalom, aeroszolok és gázok (pl. ózon) csökkentik vagy módosítják a felszínre jutó sugárzás mennyiségét.
- Magasság: magasabban általában kevesebb légköri tömegén keresztül érkezik a sugárzás, így több kerül le a felszínre (feltéve, hogy nincs vastag felhőzet).
- Talaj lejtése és iránya (aspekt): dőlt felületek más mértékű és más időben kapják a sugárzást, ezért például napelem-rendszerek optimalizálásánál fontos tényező.
- Felszíni visszaverődés (albedo): a talaj visszaveri a beérkező sugárzást — a nagy albedójú felszínek (pl. hó) visszaverik a beeső energiát, ezzel módosítva a helyi energiaegyensúlyt.
Tipikus értékek és példák
A Napból a Föld pályáján kívül érkező napsugárzás (a Napkonstans) körülbelül 1361 W/m² a felszínre merőlegesen a atmoszféra tetején. A felszínen, tiszta, napos időben a merőleges pillanatnyi besugárzás a helyi körülményektől függően tipikusan 800–1 100 W/m² körül lehet; a horizontális felszínen mért érték ritkán haladja meg a ~1 000 W/m²-t tiszta ég alatt. Napi összegként mérve világviszonylatban gyakori értékek 2–8 kWh/m²/nap között mozognak, de a száraz, napsütéses térségekben ennél lényegesen nagyobbak is lehetnek.
Mérőeszközök és adatforrások
- Piranométer: a horizontális felületre érkező globális sugárzás mérésére szolgál.
- Pirheliométer: a direkt sugárzás mérésére, általában napkövető tartóval használva.
- Radiométerek és műholdas adatok: nagy területi lefedettséghez műholdakból és hálózati mérőállomásokból származó termékeket használnak.
Alkalmazások és gyakorlati jelentőség
A besugárzás ismerete fontos a napenergia hasznosításában (napelemek, napkollektorok), az épülettervezésben (passzív napenergia, hőtervezés), mezőgazdaságban (növénytermesztés, üvegházhatás), valamint egészségügyi szempontból (UV-expozíció). A meteorológiai és éghajlati modellezésben a sugárzási mérleg alapvető bemeneti adat.
Gyakori félreértések
- A „besugárzás” nem csak a hőt jelenti: a napsugárzásnak van látható, infravörös és UV komponense is, amelyek különböző hatásokat eredményeznek.
- A csúcserősség nem mindig egyenlő a legtöbb napi energia-beáramlással: a napsugárzás időbeli eloszlása (hosszabb, mérsékeltebb sugárzás vs. rövid, erős csúcs) befolyásolja a napi összegzett energiát.
Összefoglalva: a besugárzás a Földre érkező napsugárzás mennyiségét jelenti, amelyet számos tényező — légkör, földrajzi hely, évszak, napszak és felszíni adottságok — befolyásol. Pontos mérése és előrejelzése elengedhetetlen különféle tudományos és gyakorlati alkalmazásokhoz.
A Föld éghajlatát nagyrészt a bolygó energiája határozza meg.
Európa napsugárzási térképe
Napsugárzás Afrikában és a Közel-Keleten
Elszigetelt dombok a Monument Valleyben, Egyesült Államok.
A besugárzást befolyásoló tényezők
A Föld felszínére érkező napsugárzás mennyisége nem mindenhol egyenletes. Helytől és időtől függően változik. Amikor a trópusi régiókban a legnagyobb az éves napsugárzás, a sarkok felé fokozatosan csökken. Nyáron több, télen kevesebb a besugárzás. A beeső napfény mennyiségét befolyásoló főbb tényezők a következők: - A napfényes időjárás.
- Napállandó
- A napsugarak beesési szöge
- A nap időtartama
- Föld távolsága a Naptól
- A légkör átláthatósága
Napállandó
A földi légkör tetején kapott besugárzást a napállandóval fejezzük ki.A légkör felszínének tetején (termopauza) a napsugárra merőleges síkban kapott besugárzást a napsugárzással fejezzük ki. A termopauzánál kapott átlagos besugárzás 1368Wm2 (Watt per négyzetméter) energia (napállandó) rövidhullám formájában. Ezért a Naptól való átlagos távolságra vonatkozóan napállandónak nevezzük. Ezek a napállandók 1 Wm2 felett változnak a napfelszínen fellépő időszakos zavarok és robbanások miatt, amelyek alapvetően a napfoltokhoz kapcsolódnak. A napfoltok a Nap felszínén látható sötét és hűvösebb területek.A legújabb kutatások kimutatták, hogy több és több energia szabadul fel, amikor a napfoltok nagy számban vannak.A napfoltok száma is rendszeresen növekszik vagy csökken, ami egy 11 éves ciklust hoz létre.
A beesési szög
Mivel a Föld egy gömbhöz hasonló geoid, a napsugarak különböző helyeken különböző szögben érik a felszínt. Ez a hely földrajzi szélességétől függ: minél magasabb a földrajzi szélesség, annál kisebb szöget zárnak be a földfelszínnel. A függőleges sugarak által lefedett terület mindig kisebb, mint a ferde sugaraké. Ha nagyobb területet fednek le, az energia eloszlik, és az egységnyi területre jutó nettó energia csökken. Ráadásul a kis szögben érkező napsugarak több légkört járnak át, mint a nagy szögben érkező sugarak.
A nap időtartama
A nap hossza határozza meg a napfény időtartamát, ami befolyásolja a földfelszínt érő napsugárzás mennyiségét. Minél hosszabb a napsütés időtartama, annál nagyobb mennyiségű napsugárzást kap a Föld egy része.Például az Egyenlítőn a nappalok és éjszakák hossza minden hónapban 12 óra, de a sarkvidéki és antarktiszi trópusokon a napsütés időtartama 0 és 24 óra között változik. Az őszi és a tavaszi napéjegyenlőség idején (szeptember 23-án, illetve március 21-én) a Nap délben az egyenlítő fölött áll.Az éjszaka és a nappal az egész Földön egyforma ezeken a napokon, és a maximális napsugárzás az egyenlítőn érkezik, a sarkok felé pedig csökken.Ezt az egyenlítőn függőleges napsugárzás okozza, de a szélességi körök növekedésével a sugarak egyre inkább ferdék lesznek. Ezért a pólusok felé haladva a kapott energia folyamatosan csökken.
A Föld távolsága a Naptól
A Föld ellipszis alakú pályán kering a Nap körül, így a Nap és a Föld közötti távolság évente folyamatosan változik. A Föld és a Nap közötti átlagos távolság körülbelül 149 600 000 kilométer (92 900 000 mérföld).Amikor a Föld a legtávolabb (152 millió km) van a Naptól, július 4-én aphéliumnak nevezzük, a perihélium (147 millió km) pedig minden év január 3-án következik be, ami a legközelebbi távolság. Az aphélium idején az északi félteke a Nap felé néz, és ezért körülbelül 7%-kal kevesebb energiát kap, mint a perihélium idején (déli félteke).
A légkör átláthatósága
A légkör a különböző összetétel és rétegek miatt nem átlátszó a Napból érkező összes sugárzás számára. Ez az egyik irányító tényezője a földfelszínre érkező napsugárzásnak is. A légkör gázokból, vízgőzből és részecskékből áll.A légkör olyan gázok keveréke, mint a nitrogén (N), oxigén (O2), argon, szén-dioxid, neon (Ne), hélium (He), metán (CH4), kripton (Kr), ózon (O3), dinitrogén-oxid (N2O), hidrogén (H) és xenon (Xe). A légkör vízgőzt, azaz gáz halmazállapotú vizet is tartalmaz.
Minél hosszabb a napfény, annál több a nap folyamán kapott napsugárzás.
Kérdések és válaszok
K: Mi az a napfényesedés?
V: A besugárzás a földfelszínt elérő napsugárzás.
K: Hogyan mérik a besugárzást?
V: A besugárzást a percenként négyzetcentiméterenként érkező napenergia mennyiségével mérik.
K: Mi a napenergia?
V: A napenergia a napsugárzásból származó hő.
K: Mi befolyásolja a Földre érkező napsugárzás mennyiségét?
V: Az évszak, a földrajzi szélesség, a légkör átlátszósága és a dőlésszög vagy a talaj lejtése befolyásolja a Földre érkező napsugárzás mennyiségét.
K: Hogyan befolyásolja a besugárzás a hőmérsékletet?
V: Minél nagyobb a besugárzás, annál magasabb a hőmérséklet.
K: Mikor a legerősebb a nap folyamán érkező napsugárzás?
V: A legerősebb napsugárzás délben érkezik.
K: Nevezhetjük-e a napenergiát besugárzásnak, amikor azt a Föld kapja?
V: Igen, a Föld által befogadott napenergiát nevezzük besugárzásnak.
Keres