Σάββατο, 18 Μαρτίου 2017

Η Ηλιακή ενέργεια

Η ακτινοβολία η οποία εκπέµπεται από τον Ήλιο, φθάνει στην ατµόσφαιρα της Γης και αποτελεί στην ουσία την µοναδική πηγή ενέργειας για κάθε είδους και µορφή ζωής στον πλανήτη. Η ενέργεια που προέρχεται από άλλα αστρικά σώµατα είναι ασήµαντη και δεν διαδραµατίζει κανένα ρόλο στις θερµοκρασιακές διεργασίες που συµβαίνουν στον πλανήτη µας.

Ο Ήλιος εκπέµπει ηλεκτροµαγνητικά κύµατα σε ένα πολύ µεγάλο εύρος. Τα µικρού µήκους κύµατα χαρακτηρίζονται από µεγάλη συχνότητα και τα µεγάλου µήκους κύµατα από χαµηλή συχνότητα σύµφωνα µε τη σχέση: c = λν όπου c = η ταχύτητα του φωτός 299.800 Km/sec ν = η συχνότητα του κύµατος, και λ = το µήκος κύµατος Τα µήκη κύµατος µπορεί να µετρηθούν σε εκατοστά του µέτρου (cm) ή σε εκατοµµυριοστά του µέτρου (microns, µ) , ή τέλος σε µονάδες Angstrom (A). Ένα µ ισούται µε 10-4 cm και ένα A µε 10-8 cm. Στο κατώτερο άκρο του φάσµατος έχουµε την κοσµική ακτινοβολία µε ένα µήκος κύµατος γύρω στα 10-14 cm, ενώ στο ανώτερο άκρο του φάσµατος βρίσκεται η ακτινοβολία που προκαλούν οι γραµµές µεταφοράς ηλεκτρικού ρεύµατος γύρω στα 104 cm. Μεταξύ των δύο αυτών ορίων τοποθετούνται οι ακτίνες Χ, το υπεριώδες φως, το ορατό φως, η υπέρυθρη ακτινοβολία και τα ραδιοκύµατα. Η ακτινοβολία από τον ήλιο, δηλαδή το Ηλιακό Φάσµα, αποτελείται κυρίως από την υπεριώδη, την ορατή και την υπέρυθρη ζώνη. Η µονάδα που συνήθως χρησιµοποιείται είναι το µικρό (µ) και τα όρια 10 της ουσιαστικής ακτινοβολίας που φθάνει στην ατµόσφαιρα ευρίσκονται στη ζώνη των 0.15 έως 4 µικρών
 Η πρώτη ζώνη περιλαµβάνει τις υπεριώδεις ακτίνες µε µήκη κύµατος που κυµαίνονται 0.10 έως 0.37 µ. Οι ακτίνες αυτής της κατηγορίας είναι αόρατες από το ανθρώπινο µάτι και ασκούν σηµαντική επίδραση στις βιοχηµικές διεργασίες που λαµβάνουν χώρα στους διάφορους οργανισµούς.
Η Υπεριώδης ακτινοβολία διακρίνεται σε τρεις οµάδες: (α) UV-C (υπεριώδης µικρού κύµατος 0.10 - 0.28 µ (β) UV-B (υπεριώδης µέσου κύµατος) 0.28 - 0.315 µ (γ) UV-A (υπεριώδης µεγάλου κύµατος) 0.315 - 0.40 µ Αυτά τα φασµατικά µήκη προσδιορίστηκαν µε βάση κατά κύριο λόγο τις βιολογικές επιπτώσεις. Η υπεριώδης µικρού κύµατος παρουσιάζει στη βιόσφαιρα το κατώτερο όριο της στα 0.29 µ, διότι το στρατοσφαιρικό Όζον απορροφά όλη την υπεριώδη ακτινοβολία η οποία είναι µικρότερη από αυτό το µήκος κύµατος. Το ερύθηµα παρουσιάζει τη 11 µεγαλύτερη δράση του σε ακτινοβολίες που κυµαίνονται ανάµεσα στα 0.28 και 0.315 µ, τονίζοντας πολύ χαρακτηριστικά τα όρια της UV-B ακτινοβολίας. Το µέγιστο της αντιβακτηριδιακής δράσης της υπεριώδους ακτινοβολίας συναντάται στο φάσµα της UVC, στα 0.25 -0.27 µ, δηλαδή κάτω από το κατώτερο όριο του ηλιακού φάσµατος στην επιφάνεια της Γης. Όµως σηµαντικές επιδράσεις αυτού του τύπου της ακτινοβολίας συναντώνται ακόµη στο κάτω άκρο της UV-B (0.28 - 0.30 µ). Η δεύτερη περιοχή του ηλιακού φάσµατος περιλαµβάνει το τµήµα εκείνο το οποίο ορίζεται από τα 0.38 έως τα 0.77 µ και χαρακτηρίζεται σαν ορατό φάσµα. Η ζώνη αυτή είναι η γνωστή ζώνη των φωτεινών κυµάτων , η οποία και τελικά δίνει τον φωτισµό. Η ζώνη αυτή περιλαµβάνει όλα τα χρώµατα της ίριδας, από το εγγύς υπεριώδες µέχρι το εγγύς υπέρυθρο. Η τρίτη περιοχή του ηλιακού φάσµατος αποτελείται από τις υπέρυθρες ουσιαστικά ακτίνες οι οποίες έχουν µήκη κύµατος µεγαλύτερα των 0.77 µ. Οι ακτίνες αυτές είναι επίσης αόρατες από τον άνθρωπο και είναι η κατηγορία εκείνη των ακτινών η οποία δηµιουργεί το αίσθηµα της θερµότητας. 
Η υπέρυθρη ακτινοβολία, επίσης διαιρείται σε τρεις οµάδες: (α) IR-A (υπέρυθρη µικρού κύµατος) 0.78 - 1.4 µ (β) IR-B (υπέρυθρη µέσου κύµατος) 1.4 - 3 µ (γ) IR-C (υπέρυθρη µεγάλου κύµατος) 3 - 1000 µ Χαρακτηριστικές επιπτώσεις της υπέρυθρης ακτινοβολίας στον ανθρώπινο οργανισµό δεν έχουν καταγραφεί, καθόσον αυτή εκ φύσεως δεν είναι δυνατόν να προκαλέσει φωτοχηµικές επιδράσεις. Το κύριο χαρακτηριστικό της υπέρυθρης ακτινοβολίας είναι ένα περισσότερο ή λιγότερο ακαθόριστο θερµικό αποτέλεσµα, που µπορεί και αυτό να προκαλέσει ένα ερύθηµα το οποίο είναι γνωστό σαν «θερµικό ερύθηµα». Αυτό εµφανίζεται σχεδόν µαζί µε την ακτινοβολία και εξαφανίζεται µόλις παύσει αυτή. Η κατανοµή της ενέργειας µέσα στα όρια αυτά αντιστοιχεί κατά προσέγγιση µε εκείνη του µέλανος σώµατος. ∆εν νοµίζουµε ότι κρίνεται απαραίτητο να εµπλακούµε στη φυσική της ακτινοβολίας, έτσι µπορούµε να θεωρούµε ένα σώµα σαν µέλαν εφόσον σε µια δεδοµένη θερµοκρασία µπορεί να εκπέµψει το µέγιστο δυνατό ποσό της ενέργειας υπό µορφή ακτινοβολίας. Με την παραδοχή ότι ο ήλιος είναι ένα ιδανικό µέλαν σώµα είναι δυνατόν να υπολογίσουµε τη θερµοκρασία του αφού προσδιορίσουµε την ροή της ακτινοβολίας στα ανώτερα στρώµατα της ατµόσφαιρας. 12 Με τον όρο ροή της ακτινοβολίας εννοούµε το ποσό της ενέργειας το οποίο διαπερνά µια δοσµένη επιφάνεια σε ορισµένο χρόνο. Στην περίπτωση του ηλίου η ροή της ακτινοβολίας εκφράζεται µε την καλούµενη ηλιακή σταθερά, που αντιπροσωπεύει τη ροή στα εξωτερικά όρια της ατµόσφαιρας της γης και που λαµβάνεται σε µια επιφάνεια κάθετη προς τις ηλιακές ακτίνες, όταν η επιφάνεια αυτή στη µέση απόσταση της γης από τον ήλιο. 

Αυτή λοιπόν σε γενικές γραµµές είναι η ακτινοβόλος συµπεριφορά του ήλιου. Στη συνέχεια θα πρέπει να µελετηθεί το ποσόν της ηλιακής ενέργειας, το οποίο λαµβάνεται στην επιφάνεια της γης, και ένας πρόσφορος δρόµος είναι να προσδιορισθεί κατά πρώτον ποιο ποσό της ηλιακής ενέργειας θα µπορούσε να φθάσει στην επιφάνεια της γης εάν η ατµόσφαιρα αυτής ήταν απόλυτα διαφανής στις ηλιακές ακτίνες ή ακόµη καλύτερα αν η γη δεν είχε καθόλου ατµόσφαιρα. Το ολικό ποσό της ενέργειας το οποίο λαµβάνεται κατά τη διάρκεια µιας ηµέρας, στην επιφάνεια του ενός τετραγωνικού εκατοστού και ανάλογα µε κάθε εποχή του έτους, προσδιορίζεται µε βάση τις γνωστές σχέσεις της σφαιρικής γεωµετρίας, όπου σαν δεδοµένα χρησιµοποιούνται η ηλιακή σταθερά , το γεωγραφικό πλάτος και η ακτίνα της γης.Κατά το θέρος του νοτίου ηµισφαιρίου οι συνθήκες αντιστρέφονται. Ένα άλλο χαρακτηριστικό της ηλιακής ενέργειας είναι ότι τα ποσά της ακτινοβολίας που δέχεται το νότιο ηµισφαίριο (>1100 θερµίδων), κατά το δικό του θέρος, είναι µεγαλύτερα από τα αντίστοιχα που προσπίπτουν στο βόρειο ηµισφαίριο, αφού η γη βρίσκεται πιο κοντά στον ήλιο κατά το ∆εκέµβριο σε σχέση µε τον Ιούνιο. Η ποσότητα της ηλιακής ενέργειας η οποία φτάνει στη γη (χωρίς ακόµη να ληφθεί υπόψη ο ουσιαστικός ρόλος τον οποίο διαδραµατίζουν τα αέρια της ατµόσφαιρας) δεν  έχει την ίδια ένταση κατά τη διάρκεια όλων των µηνών του έτους στον ίδιο τόπο, αλλά και κατά την ίδια χρονική στιγµή διαφέρει σηµαντικά από τον ένα τόπο στον άλλο. Οι µεταβολές αυτές που παρουσιάζει η ηλιακή ακτινοβολία από εποχή σε εποχή ή από τόπο σε τόπο εξαρτώνται από πολλούς παράγοντες οι οποίοι και αναλύονται αµέσως παρακάτω.
 Ι.1.1 Η απόσταση της Γης από τον ΄Ήλιο. Είναι γνωστό ότι όσο αποµακρυνόµαστε από µια πηγή εκποµπής ενέργειας, η ένταση της ακτινοβολίας η οποία εκπέµπεται από αυτήν ελαττώνεται κατά τρόπο αντιστρόφως ανάλογο του τετραγώνου της απόστασης, δηλαδή στην περίπτωση αυτή ισχύει η σχέση: Ι = Ιο/d2 ( όπου Ιο είναι η ένταση της ακτινοβολίας στην πηγή και Ι η τιµή που θα έχει αυτή σε µια θέση που απέχει απόσταση d από την πηγή). Καθώς κατά τη διάρκεια του έτους η γη περιφέρεται γύρω από τον ήλιο στη γνωστή ελλειπτική τροχιά , η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στη γη αλλάζει σύµφωνα µε τη µεταβολή της απόστασης µεταξύ Γης και ηλίου Η Γη βρίσκεται στο πλησιέστερο σηµείο προς τον ήλιο γύρω στις 3 Ιανουαρίου, οπότε η απόσταση είναι περίπου147.000.000 χιλιόµετρα. Αντίστοιχα η µεγαλύτερη απόσταση Γης- Ηλίου σηµειώνεται στις αρχές του Ιουλίου και ισούται περίπου µε 152.000.000 χιλιόµετρα. 16 Με τις παρατηρούµενες µέσα στο χρόνο µεταβολές της απόστασης Γης - Ηλίου, οι πραγµατικές τιµές της ροής της ηλιακής ενέργειας που φθάνουν στο εξωατµοσφαιρικό στρώµα της Γης, ή στην επιφάνεια της Γης, αν αυτή προς το παρόν θεωρηθεί ότι στερείται ατµόσφαιρας, διαφέρουν από την τιµή της ηλιακής σταθερής. Έτσι η ηλιακή ενέργεια που πέφτει στη Γη στις 3 Ιανουαρίου είναι κατά 7% µεγαλύτερη από εκείνη που καταγράφεται στις 2 Ιουλίου

Θεωρητικά δηλαδή, αν δεχτούµε ότι η γη στερείται ατµόσφαιρας και ότι υπάρχει µια οµοιοµορφία στην κατανοµή ξηράς και θάλασσας, η διαφορά αυτή στο µέγεθος της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας θα δηµιουργούσε µια αύξηση στη θερµοκρασία του Ιανουαρίου περίπου κατά 4° Κελσίου µεγαλύτερη από εκείνη του Ιουλίου. Αποτέλεσµα της διαφοράς αυτής θα ήταν οι χειµώνες του Βορείου Ηµισφαιρίου να είναι θερµότεροι από αυτούς του Νοτίου, γεγονός το οποίο όµως στην πράξη δεν ισχύει γιατί αυτή η πλανητική τάση εξουδετερώνεται από την άνιση κατανοµή ξηράς και θάλασσας µεταξύ των δύο ηµισφαιρίων που οδηγεί σε µεταβολές της ατµοσφαιρικής θερµικής κυκλοφορίας και στον ουσιαστικό ρόλο του διαφορετικού βαθµού της ηπειρωτικότητας των δύο ηµισφαιρίων.

  Το ύψος του Ηλίου Η σχετική θέση του ηλίου ως προς τον ορίζοντα καθορίζει τα ποσά της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτουν στην επιφάνεια της γης. Όσο µεγαλύτερο είναι το ύψος του ηλίου, τόσο περισσότερο συγκεντρωµένη είναι η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας στη µονάδα επιφάνειας επάνω στη γη. Οι κύριοι παράγοντες που καθορίζουν το ύψος του Ηλίου σε έναν τόπο είναι το γεωγραφικό πλάτος (φ), η εποχή του έτους και η χρονική στιγµή της ηµέρας. Το µεγαλύτερο ποσό της ενέργειας στη µονάδα επιφάνειας προσλαµβάνεται όταν οι ακτίνες είναι κάθετες προς την επιφάνεια. Ηλιακές ακτίνες που φθάνουν µε κλίση σε µια οριζόντια επιφάνεια, δηλαδή µε κάποια γωνία γ που σχηµατίζει η ηλιακή δέσµη µε την κατακόρυφο του τόπου (µέγεθος που είναι συνήθως γνωστή σαν Ζενίθια Απόσταση του ήλιου), δίνουν λιγότερη ηλιακή ενέργεια σε κάθε µονάδα οριζόντιας επιφάνειας. Ας υποθέσουµε ότι έχουµε δύο φωτιζόµενες επιφάνειες Α και Β , όπου η Α θεωρείται µοναδιαία επιφάνεια, στην οποία οι ηλιακές ακτίνες πέφτουν κάθετα. Στην περίπτωση αυτή η επιφάνεια Α θα δεχθεί ενέργεια Ιο = 2.0 cal.cm-2 .min-1. Στη συνέχεια οι ηλιακές ακτίνες συνεχίζοντας την πορεία τους προσπίπτουν λοξά στη 17 µεγαλύτερη οριζόντια επιφάνεια Β. Η ενέργεια που φθάνει στην επιφάνεια αυτή και που συµβολίζεται µε το Ι, θα είναι µικρότερη από την Ιο, αφού η κατανοµή της συγκεκριµένης ενέργειας θα γίνεται σε µεγαλύτερη επιφάνεια. Η κατανοµή αυτή εκφράζεται από τη µαθηµατική σχέση Ι = Ιο . συν γ ( Νόµος του Lambert). 
 Ι.5. Ο νόµος του Lambert Αντί της Ζενίθιας απόστασης γ, συχνά χρησιµοποιείται το ύψος του Ηλίου, δηλαδή η γωνία α που σχηµατίζουν οι ηλιακές ακτίνες µε το οριζόντιο επίπεδο. Στην περίπτωση αυτή η κατανοµή της ηλιακής ενέργειας δίνεται από τη σχέση Ι = Ιο . ηµ α. Για παράδειγµα, αν η ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει στον ισηµερινό κατά τη διάρκεια των ισηµεριών θεωρηθεί ίση µε 100%, τότε κατά τη διάρκεια των ηλιοστασίων αυτή θα µειωθεί περίπου κατά ένα ποσοστό 8% επάνω από τον ισηµερινό, αφού η γωνία γ γίνεται 23° 27’. 2.
 Η ΠΡΟΛΗΨΗ ΤΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 
 Η επίδραση της ατµόσφαιρας και της επιφάνειας της Γης. 18 2.1.1 Η επίδραση της Ατµόσφαιρας Όσα αναφέρθηκαν µέχρι τώρα σχετικά µε την κατανοµή της ηλιακής ενέργειας έγιναν µε την παραδοχή ότι η Γη στερείται της ατµόσφαιρας της. Η παρουσία της ατµόσφαιρας αλλοιώνει την ηλιακή ακτινοβολία , που διέρχεται µέσα από αυτήν, µε αποτέλεσµα τα πραγµατικά ποσά της ηλιακής ενέργειας να είναι πολύ µικρότερα από αυτά που παρουσιάζονται στο Σχήµα Ι.3. Η ατµόσφαιρα δεν ένα είναι απόλυτα διαφανές µέσο για τη διάδοση της ηλιακής ακτινοβολίας. Ένα σηµαντικό µέρος της ηλιακής ακτινοβολίας που διασχίζει την ατµόσφαιρα απορροφιέται, διαχέεται ή σκεδάζεται από τα συστατικά της ατµόσφαιρας, ενώ ένα τµήµα αυτής ανακλάται πίσω στο διάστηµα. Οι κύριες ουσίες οι οποίες απορροφούν την ηλιακή ακτινοβολία σε ειδικές περιοχές του ηλιακού φάσµατος είναι το Όζον, το Οξυγόνο, το ∆ιοξείδιο του Άνθρακα, οι Υδρατµοί και η Σκόνη. Η διάχυση της Ηλιακής Ακτινοβολίας γίνεται τόσο από τα µόρια του αέρα όσο και από τις διάφορες προσµίξεις, τα σταγονίδια του νερού και άλλα αέρια. Η διαδροµή των ηλιακών ακτινών από την κορυφή της ατµόσφαιρας µέχρι την επιφάνεια της Γης, έχει σαν αποτέλεσµα την ποιοτική και ποσοτική µεταβολή του ηλιακού φάσµατος το οποίο τελικά φθάνει αλλοιωµένο στην επιφάνεια της Γης,. Οι επικίνδυνες υπεριώδεις ακτινοβολίες του Ηλίου, µε µήκη κύµατος µικρότερα των 0.29 µ, δεν φτάνουν ποτέ στην επιφάνεια της Γης. Αυτές υφίστανται εκλεκτική απορρόφηση από το στρατοσφαιρικό Όζον (τη γνωστή από τη Μετεωρολογία οζονόσφαιρα) και το Οξυγόνο. Η απορροφητική δράση του Όζοντος προκαλεί µια µείωση της ηλιακής ενέργειας της τάξης του 5% στην ολική ενέργεια που θα ήταν παρούσα στο έδαφος. Το υπέρυθρο άκρο του φάσµατος αραιώνεται από την απορρόφηση των υδρατµών και του διοξειδίου του άνθρακα της ατµόσφαιρας. Το διοξείδιο του άνθρακα, που βρίσκεται κατά κανόνα συγκεντρωµένο στα κατώτερα στρώµατα της ατµόσφαιρας, ενώ είναι διαπερατό µέχρι µήκη κύµατος 1.46 µ, είναι ένας πολύ ισχυρός απορροφητής του ηλιακού φωτός για µεγαλύτερα µήκη κύµατος. Επίσης οι υδρατµοί απορροφούν και στο ορατό µέρος του ηλιακού φάσµατος και αποτελούν εποµένως έναν ισχυρό απορροφητή της ηλιακής ενέργειας. Το οξυγόνο εκτός από την ισχυρή απορροφητική του δράση στα µικρότερα µήκη κύµατος (υπεριώδες, ιώδες, κυανό) απορροφά επίσης και στην ερυθρή περιοχή του ορατού 19 φάσµατος (ο.69 - 0.76 µ). Λεπτοµερειακή απεικόνιση της απορροφητικής δράσης των ατµοσφαιρικών αερίων στην ηλιακή ακτινοβολία παρουσιάζεται στο Σχήµα Ι.6. Πέρα από τη µείωση αυτή εξαιτίας της απορρόφησης η ηλιακή ενέργεια εξασθενεί από τη διάχυση και την ανάκλαση. Η εξασθένιση της ηλιακής ακτινοβολίας εξαιτίας της διάχυτης ανάκλασης και του σκεδασµού, που υφίσταται από τα µόρια του αέρα, είναι αντιστρόφως ανάλογη της τετάρτης δύναµης του µήκους κύµατος της εκπεµπόµενης δέσµης. Έτσι το φως µε µικρό µήκος κύµατος ανακλάται πολύ περισσότερο από φως µεγάλου µήκους κύµατος. Συνεπώς, στο φως που σκεδάζεται από την ατµόσφαιρα επικρατεί το µικρού µήκους κύµατος µέρος του φάσµατος, όπως εξάλλου δείχνει και το γαλάζιο χρώµα του ουρανού. Από την άλλη πλευρά, στη δέσµη της άµεσης ηλιακής ακτινοβολίας το τµήµα εκείνο των βραχύτερων κυµάτων εξασθενεί περισσότερο όταν ο ήλιος ευρίσκεται σε χαµηλό ύψος στον ουρανό και η ηλιακή δέσµη διασχίζει πολύ µεγαλύτερη ατµοσφαιρική µάζα.
Στην περίπτωση αυτή η περιοχή της µέγιστης έντασης τοποθετείται προς το ερυθρό άκρο του φάσµατος. Για σωµατίδια που έχουν µεγαλύτερη διάµετρο από τα µόρια του αέρα, ο συντελεστής σκεδασµού είναι αντιστρόφως ανάλογος όχι µε την τέταρτη δύναµη του 20 µήκους κύµατος αλλά για µικρότερες δυνάµεις. Όταν τα σωµατίδια είναι αρκετά µεγάλα η εξασθένιση καθίσταται ανεξάρτητη του µήκους κύµατος και ο µηχανισµός του σκεδασµού αντικαθίσταται από εκείνον της διάχυτης ανάκλασης. Επειδή η διάχυτη ανάκλαση είναι ή ίδια για όλα τα µήκη κύµατος το γαλανό χρώµα του ουρανού γίνεται λιγότερο σαφές όσο µεγαλύτερος είναι ο αριθµός των µεγάλων σωµατιδίων στην ατµόσφαιρα. Τα µεγάλα σωµατίδια είναι κυρίως σκόνη, υδροσταγονίδια και πογοκρυστάλλια. Με την παραπάνω περιγραφή δόθηκε µια γενική ιδέα για το πως και για το γιατί η ηλιακή δέσµη εξασθενεί καθώς αυτή κινείται από την κορυφή της ατµόσφαιρας προς την επιφάνεια της Γης. Το εξασθενισµένο από τις παραπάνω διαδικασίες ηλιακό φως φθάνει στην επιφάνεια της γης µε τη µορφή ακτινοβολίας και αναφέρεται σαν άµεση ηλιακή ακτινοβολία. Παράλληλα όµως, η γη δέχεται και έµµεσο ηλιακό φως, το οποίο αποτελεί προϊόν της διάχυσης και της ανάκλασης των ηλιακών ακτινών από τα ατµοσφαιρικά συστατικά. Η ακτινοβολία αυτή ονοµάζεται διάχυτη ή έµµεση ηλιακή ακτινοβολία ή ουράνιο φως. Η ποιοτική και ποσοτική µορφή των ακτινοβολιών αυτών παρουσιάζονται επίσης στις καµπύλες Β, Γ και ∆ του Σχήµατος Ι.1. Από το σύνολο της ηλιακής ακτινοβολίας που φθάνει στο σύστηµα που ορίζουν η γη και η ατµόσφαιρα της, µόνο ένα ποσοστό µεταξύ 65 - 70% χρησιµοποιείται για τις ενεργειακές διαδικασίες που δηµιουργούν τον καιρό και το κλίµα στη γη. Το υπόλοιπο ποσοστό 30-35%, επιστρέφει πίσω στο διάστηµα ανακλώµενο από την ατµόσφαιρα, τα νέφη και το έδαφος. Ο λόγος του ανακλώµενου ηλιακού φωτός προς το συνολικό ποσό της ηλιακής ενέργειας που εκπέµπεται από τον ήλιο εκφράζει την ανακλαστική ικανότητα της γης και ονοµάζεται Λευκαύγεια του Πλανήτη (Albedo). Το µέγεθος αυτό είναι αρκετά µεγάλο και αυτός είναι ο λόγος που η γη φαίνεται από το διάστηµα σαν ένας πολύ φωτεινός πλανήτης. Το αίτιο της µεγάλης τιµής της λευκαύγειας οφείλεται κατά κύριο λόγο στην παρουσία των νεφών στην ατµόσφαιρα της γης , τα οποία ανακλούν προς το διάστηµα περίπου το 20- 25% της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας. Η συµπεριφορά της ίδιας της επιφάνειας της γης στην ανάκλαση των ηλιακών ακτινών, ποικίλει ανάλογα µε την δοµή και σύσταση του εδάφους, τη φυτοκάλυψη, τη χιονοκάλυψη και την κλίση των ηλιακών ακτινών, συντελώντας σε µια ανακλαστικότητα της τάξεως του 10 - 15% της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας. Έτσι τελικά ένα ποσοστό 30 -35% της ηλιακής ακτινοβολίας επιστρέφει πίσω στο διάστηµα χωρίς να συνεισφέρει ουσιαστικά στις διεργασίες που συµβαίνουν στη γη. 21 Η εναποµένουσα ηλιακή ενέργεια, κατά ένα ποσοστό αυτής θερµαίνει τον ατµοσφαιρικό αέρα, αλλά το µεγαλύτερο ποσοστό φθάνει και θερµαίνει άµεσα την επιφάνεια της γης, η οποία µε τη σειρά της δευτερογενώς θερµαίνει την ατµόσφαιρα και κατά κύριο λόγο τον αέρα που βρίσκεται κοντά στην επιφάνεια της. Η ηλιακή ακτινοβολία που φθάνει στην επιφάνεια της γης συγκεντρώνεται στη ζώνη των κυµάτων 0.3 έως 4.0 µ. Η ακτινοβολία αυτή θα χαρακτηρίζεται σαν ηλιακή ακτινοβολία ή µικρού µήκους κύµατος ακτινοβολία. Από την περιγραφή που προηγήθηκε είναι φανερό ότι η συνεχής προσθήκη µικρού µήκους κύµατος ηλιακής ακτινοβολίας ( άµεσης Η.Α.) θα έπρεπε αθροιζόµενη από µέρα σε µέρα να οδηγεί σε µια συνεχή θέρµανση του πλανήτη µας. Στην πράξη είναι γνωστό ότι η θερµοκρασία της γης είναι σχεδόν σταθερή και εποµένως πρέπει να υφίσταται κάποιος µηχανισµός ενεργειακής εξισορρόπησης, ο οποίος εκπορεύεται από την επιφάνεια της γης και τον οποίο θα αναλύσουµε στην επόµενη παράγραφο. Βέβαια, τελευταία παρατηρείται µε µια τάση ανόδου της θερµοκρασίας του πλανήτη, θέµα το οποίο σχετίζεται κυρίως µε τις ανθρώπινες δραστηριότητες και το οποίο αποτελεί αντικείµενο πολλών ερευνητικών κέντρων.  Η επίδραση της Γήινης επιφάνειας. ΄Όπως προαναφέρθηκε, ένα ποσοστό της άµεσης ηλιακής ακτινοβολίας ανακλάται από την επιφάνεια της Γης κατευθείαν προς το διάστηµα. Το υπόλοιπο ποσό θερµαίνει την επιφάνεια της γης, κατά τη διάρκεια της ηµέρας. Όπως είναι γνωστό από τη Φυσική κάθε σώµα το οποίο βρίσκεται σε κάποια θερµοκρασία πάνω από την θερµοκρασία του απολύτου µηδενός εκπέµπει ακτινοβολία, που το µήκος κύµατος εξαρτάται από την θερµοκρασία του σώµατος. Όσο µικρότερη είναι η θερµοκρασία ενός σώµατος, τόσο µεγαλύτερο το µήκος κύµατος της ακτινοβολίας που εκπέµπει. Έτσι Η γη, µε µια µέση θερµοκρασία ~ 288 °Κ, θα εκπέµπει σε πολύ µεγαλύτερα µήκη κύµατος σε σχέση µε τον Ήλιο που έχει θερµοκρασίες ~ 6.000 °Κ.
 Η γη λοιπόν κάτω από αυτές τις θερµοκρασιακές συνθήκες εκπέµπει προς το διάστηµα καθόλη τη διάρκεια του 24ωρου ακτινοβολία µεγάλου µήκους κύµατος 4.0 έως 100 µ, η οποία βρίσκεται στο υπέρυθρο µέρος του φάσµατος και είναι γνωστή ως γήινη ή δευτερογενής ακτινοβολία ή µεγάλου µήκους ή υπέρυθρη ακτινοβολία. Η ακτινοβολία αυτή σε ένα µεγάλο ποσοστό, όπως θα δούµε παρακάτω, δεσµεύεται από τα αέρια της ατµόσφαιρας, ενώ τµήµα αυτής διαφεύγει άµεσα προς το διάστηµα. Το δεσµευµένο από τα αέρια της ατµόσφαιρας ποσοστό 22 θερµαίνει τον ατµοσφαιρικό αέρα, ο οποίος µε τη σειρά του εκπέµπει δευτερογενή ακτινοβολία τόσο προς το διάστηµα όσο και προς της επιφάνεια της γης. Εποµένως η κατακράτηση της θερµότητας της γήινης επιφάνειας από την ατµόσφαιρα της είναι πολύ µεγάλης σπουδαιότητας γιατί αν δεν συνέβαινε αυτό η µέση θερµοκρασία του πλανήτη θα ήταν µικρότερη κατά 30 - 40 °C, γεγονός που θα απέτρεπε την εµφάνιση της ζωής στη γη. Κατά τη διάρκεια λοιπόν της ηµέρας η ενέργεια η οποία εκπέµπεται από τη γη, σε µεγάλα µήκη κύµατος υπέρυθρη), αναπληρώνεται από την αφικνούµενη ηλιακή ακτινοβολία. Κατά τη νύχτα, η υπέρυθρη γήινη ακτινοβολία αποτελεί την αιτία της ψύξης του εδάφους και του παρακείµενου ατµοσφαιρικού αέρα. Το µεγαλύτερο όµως ποσοστό της γήινης ακτινοβολίας απορροφάται εκλεκτικά από ορισµένα αέρια της ατµόσφαιρας, όπως είναι οι υδρατµοί, το µεθάνιο και κατά κύριο λόγο από το διοξείδιο του άνθρακα. Τα αέρια αυτά λόγω της απορροφητικής αυτής ιδιότητας αποτελούν τους ρυθµιστές της θερµο-οικονοµίας του πλανήτη και επειδή παρουσιάζουν την ίδια χαρακτηριστική συµπεριφορά που διαδραµατίζει το κάλυµµα ενός θερµοκηπίου, έχει καθιερωθεί να ονοµάζονται θερµοκηπικά αέρια, το δε φαινόµενο που προκαλούν είναι το γνωστό φαινόµενο του θερµοκηπίου. Βέβαια η υπέρυθρη ακτινοβολία του εδάφους της γης δεν κατακρατείται όλη από τα αέρια της ατµόσφαιρας. Ένα ποσοστό αυτής γύρω στο 10% διαφεύγει κατευθείαν προς το εξωτερικό διάστηµα. Το υπόλοιπο ~ 90% της γήινης ακτινοβολίας θερµαίνει, όπως προαναφέραµε την ατµόσφαιρα, η οποία µε τη σειρά της επανακτινοβολεί σε ακόµη µεγαλύτερα µήκη κύµατος προς όλες τις κατευθύνσεις, µε αποτέλεσµα ένα ποσοστό της ατµοσφαιρικής ακτινοβολίας να κατευθύνεται προς το εξωτερικό διάστηµα και ένα προς την επιφάνεια της γης. Το τελευταίο ακολουθεί και πάλι τις ήδη περιγραφείσες διαδικασίες αλλά µε πολύ µεγαλύτερα µήκη κύµατος, δηλαδή σε χαµηλότερες θερµοκρασίες. Η διαδικασία της εκποµπής της γήινης ακτινοβολίας προς την ατµόσφαιρα και το διάστηµα παρουσιάζεται χαρακτηριστικά στο Σχήµα Ι.7. Ένας καθαρός και ανέφελος ουρανός είναι ηµιδιαπερατός στη µεγάλου µήκους κύµατος υπέρυθρη ακτινοβολία, προσλαµβάνοντας και εκπέµποντας ακτινοβολία σε ορισµένα µόνο µήκη κύµατος. Όπως προαναφέρθηκε, τρία από τα συστατικά της ατµόσφαιρας, οι υδρατµοί, το διοξείδιο του άνθρακα και το όζον ελέγχουν ουσιαστικά την ανταλλαγή της ενέργειας µεταξύ του εδάφους και του ουρανού και συνεπώς το θερµικό ισοζύγιο του πλανήτη, αφού απορροφούν ισχυρά και µε κάποια στρατηγική στο υπέρυθρο. 23 Εάν η ατµόσφαιρα περιείχε µόνο οξυγόνο και άζωτο, τότε η επιφάνεια της γης θα ήταν θερµότερη κατά την ηµέρα και πολύ ψυχρότερη κατά τη νύχτα επειδή τα δύο αυτά αέρια είναι διαπερατά από την υπέρυθρη ακτινοβολία και απορροφούν µόνο υπεριώδη.  Το διοξείδιο του άνθρακα διαδραµατίζει έναν όµοιο ρόλο συλλαµβάνοντας την ενέργεια στην περιοχή των 14 - 16 µ. και στη ζώνη των 4 µ. Τέλος το όζον απορροφά γύρω στ 9 µ. Μολονότι η ενέργεια η οποία εκπέµπεται από την επιφάνεια της γης , σε θερµοκρασίες γύρω στους 288 Κ .  κατά ένα µέρος συλλαµβάνεται από την ατµόσφαιρα, υπάρχει µια περιοχή µεταξύ των 8 και 12 µ δια µέσου της οποίας η µεγάλου µήκους ακτινοβολία (υπέρυθρη) φεύγει προς το κοσµικό διάστηµα. Αυτή η περιοχή είναι γνωστή σαν ατµοσφαιρικό παράθυρο. . Η διάδοση και εκποµπή της υπέρυθρης ακτινοβολίας στην ατµόσφαιρα της γης και η διάδοση αυτής από το έδαφος της γης. 24 Στην ουσία η έννοια παράθυρο σηµαίνει ότι η ατµόσφαιρα ακτινοβολεί πολύ λιγότερη ενέργεια προς τη γη αφού είναι διαπερατή στα µήκη αυτά,. Η γήινη ακτινοβολία αυξάνεται κατά τη νύχτα, όταν επικρατούν ανέφελες συνθήκες και υπάρχουν περιορισµένες ποσότητες υδρατµών στην ατµόσφαιρα. Αυτή η συνθήκη είναι ιδιαίτερα εµφανής στις έρηµους όπου ενώ κατά τη διάρκεια της ηµέρας η θερµοκρασία του αέρα υπερβαίνει τους 40 °C, κατά τη νύχτα µπορεί να σηµειωθούν ακόµη και αρνητικές θερµοκρασίες. Στα µέσα γεωγραφικά πλάτη η νυχτερινή ακτινοβολία δεν είναι τόσο έντονη, αλλά µπορεί να προκαλέσει νυχτερινούς παγετούς κατά τη διάρκεια της ψυχρότερης περιόδου του έτους. Από όσα αναφέρθηκαν µέχρι τώρα προκύπτει ότι οι ενεργειακές ροές στον πλανήτη Γη µπορούν να διακριθούν σε δύο κατηγορίες : α) Στις ενεργειακές ροές οι οποίες αποτελούν την εισερχόµενη στη γη ακτινοβολία, δηλαδή η άµεση ηλιακή ακτινοβολία, το διάχυτο ουράνιο φως, η ακτινοβολία που δέχεται η επιφάνεια της γης από την ανάκλαση των δύο προηγούµενων µορφών, καθώς και τµήµα της ατµοσφαιρικής δευτερογενούς ακτινοβολίας. β) Οι ενεργειακές ροές οι οποίες αποτελούν την εξερχόµενη ακτινοβολία, η οποία κατευθύνεται από την επιφάνεια της γης και από την ατµόσφαιρα προς το εξωτερικό διάστηµα. Εδώ ανήκουν, η ανακλώµενη ηλιακή και ουράνια ακτινοβολία, η ανακλώµενη ακτινοβολία της ατµόσφαιρας και η µεγάλου µήκους κύµατος ακτινοβολία του εδάφους. Οι δύο αυτές κύριες οµάδες ακτινοβολιών οδηγούν τελικά σε µια διαφορά µεταξύ της εισερχόµενης και εξερχόµενης ακτινοβολίας, η οποία ονοµάζεται ισοζύγιο της ακτινοβολίας. Αυτό είναι µια παράµετρος η οποία µπορεί να µετρηθεί και η οποία διαδραµατίζει ένα ουσιαστικό γεωφυσικό και βιοκλιµατικό ρόλο από άποψη ενεργειακού ισοζυγίου στην ατµόσφαιρα, το έδαφος και τον άνθρωπο. Κατά τη διάρκεια της ηµέρας η διαφορά µεταξύ της εισερχόµενης Ηλιακής Ακτινοβολίας και αυτής που εκπέµπεται προς τον ουρανό από την επιφάνεια της γης είναι θετική και ονοµάζεται τελική ακτινοβολία. Μέσα σε µια µεγάλη χρονική περίοδο παρατηρείται µια εξισορρόπηση της εισερχόµενης και εξερχόµενης ηλιακής ακτινοβολίας στη γη, δηλαδή όση ενέργεια προσλαµβάνεται στον πλανήτη άλλη τόση αποβάλλεται προς το κοσµικό διάστηµα, γεγονός που όπως αναφέραµε διατηρεί σταθερή τη θερµοκρασία της γης. 
Η κατανοµή της τελικής ακτινοβολίας στην επιφάνεια της Γης Τα ποσά της µικρού µήκους κύµατος εισερχόµενης ηλιακής ακτινοβολίας είναι µεγαλύτερα στα µικρότερα γεωγραφικά πλάτη εξαιτίας αστρονοµικών παραγόντων. Παράλληλα η εξερχόµενη υπέρυθρη γήινη ακτινοβολία παρουσιάζει µικρότερες µεταβολές κατά γεωγραφικό πλάτος. Έτσι οι µεταβολές στα ποσά της τελικής ακτινοβολίας στα διάφορα γεωγραφικά πλάτη, για όλους τους µήνες του έτους θα καθορίζονται στην ουσία από την µικρού µήκους ακτινοβολία. . Το γεγονός ότι η συσσώρευση της θερµότητας στην τροπική και υποτροπική ζώνη δεν προκαλεί αύξηση της θερµοκρασίας στην περιοχή αυτή του πλανήτη, αλλά ούτε και µείωση στα µεγάλα γεωγραφικά πλάτη, όπου υπάρχει ενεργειακό έλλειµµα , µας οδηγεί στο συµπέρασµα ότι υπάρχουν κάποιοι µηχανισµοί εξισορρόπησης του ενεργειακού ισοζυγίου. 
Μέση ετήσια µεταφορά ενέργειας στη γη. Στους ωκεανούς η µεταφορά αυτή πραγµατοποιείται µε την κίνηση τεράστιων υδάτινων όγκων, των θαλάσσιων ρευµάτων, που µεταφέρουν θερµά νερά προς τους πόλους και ψυχρά προς τον ισηµερινό. Μέσα στην όλη διαδικασία εξισορρόπησης του ενεργειακού καθεστώτος παρατηρείται, µεταφορά λανθάνουσας ενέργειας από τους τροπικούς προς τον ισηµερινό. Η διαδικασία αυτή είναι αποτέλεσµα της δράσης των αληγών ανέµων που πνέουν στην περιοχή. Τελικά η ενέργεια αυτή δαπανάται στην εκδήλωση των ισηµερινών καταιγίδων του ενδοτροπικού µετώπου.. Μηνιαία ποσά και κατά πλάτος κατανοµή της τελικής ακτινοβολίας Αν εξεταστεί αναλυτικότερα η κατανοµή της ακτινοβολίας στη γη θα διαπιστωθεί ότι η τελική ακτινοβολία ουσιαστικά καθίσταται αρνητική κατά τη διάρκεια του χειµώνα κάθε ηµισφαιρίου, µετά το γεωγραφικό πλάτος περίπου των 45°, καθώς µεταβαίνουµε από τον ισηµερινό προς τους πόλους. . Μια σύγκριση µεταξύ των δύο πολικών περιοχών δείχνει χαρακτηριστικές διαφορές. Κατά το Χειµώνα η µέση τιµή της τελικής ακτινοβολίας στην 27 πολική περιοχή του βορείου ηµισφαιρίου (65-90° Β) έχει αξιοσηµείωτα µικρότερες τιµές από εκείνες της αντίστοιχης περιοχής του νοτίου ηµισφαιρίου (65-90° Ν). Αφού η µικρού µήκους κύµατος ακτινοβολία (ηλιακή) είναι µηδενική κατά την περίοδο αυτή, η µέση τιµή της περιοχής είναι προϊόν του ισοζυγίου της ακτινοβολίας µεγάλου µήκους κύµατος. Κατά το χειµώνα στο νότιο πόλο υπάρχει µια πάρα πολύ ισχυρή θερµοκρασιακή αναστροφή κοντά στο έδαφος, η οποία µαζί µε την πολύ χαµηλή επιφανειακή θερµοκρασία της παγετώδους µάζας της Ανταρκτικής ηπείρου συντελούν, και τα δύο αίτια µαζί, σε ένα µικρότερο έλλειµµα ακτινοβολίας σε σύγκριση µε τη Βόρεια Πολική Θάλασσα, κατά τη διάρκεια του δικού της Χειµώνα. 
Κατά το θέρος η συνθήκη αυτή αντιστρέφεται, προς όφελος της βόρειας πολικής περιοχής. Είναι γεγονός ότι η ολική ακτινοβολία είναι υψηλότερη στην Ανταρκτική κατά τη διάρκεια του θέρους, σε σχέση µε την Αρκτική για τρεις βασικούς λόγους: (1) αστρονοµικοί παράγοντες (περιήλιο), (2) το µεγάλο µέσο υψόµετρο του υψιπέδου της Ανταρκτικής, και (3) η µεγάλη διαπερατότητα της ατµόσφαιρας της Ανταρκτικής. Παρόλα αυτά η τελική ακτινοβολία στην περιοχή της Ανταρκτικής είναι χαµηλότερη από εκείνη της Αρκτικής περιοχής. Το αίτιο αυτού του φαινοµένου είναι κατά κύριο λόγο η µεγάλη λευκαύγεια των πάγων της Ανταρκτικής. Οι µέγιστες τιµές κατά γεωγραφικό πλάτος της τελικής ακτινοβολίας εµφανίζονται στις υποτροπικές περιοχές κάθε ηµισφαιρίου κατά τη διάρκεια του θέρους αυτού. Η τοποθεσία, το µέγεθος και ο χρόνος δεν είναι τα ίδια σε κάθε ηµισφαίριο. Έτσι στο Β. Ηµισφαίριο σηµειώνεται µέγιστη τιµή 10.7 Kcal. cm-2 σε πλάτος 20° Β κατά το µήνα Μάιο, ενώ στο νότιο παρατηρείται µια τιµή 11.7 Kcal. cm-2, κατά το ∆εκέµβριο σε γεωγραφικό πλάτος 30° Ν. Η επίδραση της άνισης κατανοµής της ξηράς και της θάλασσας και οι προκαλούµενες κλιµατικές διαφορές µεταξύ των δύο ηµισφαιρίων είναι αρκετά εµφανείς στην περίπτωση αυτή. Ένα επιπλέον αίτιο αποτελεί η διαφορά στη ροή της ηλιακής ακτινοβολίας µεταξύ του περιηλίου και του αφηλίου, που έχει µνηµονευθεί σε προηγούµενη παράγραφο. Προκειµένου να συνταχθούν οι χάρτες της κατανοµής της τελικής ακτινοβολίας στη γη, αποφεύγεται η χρήση πραγµατικά µετρούµενων τιµών. Αντί αυτών χρησιµοποιούνται εκτιµηθείσες τιµές της ακτινοβολίας για τους εξής λόγους: Οι µετρήσεις επηρεάζονται πολύ σηµαντικά τόσο από την έκθεση και τη θέση των οργάνων (απόσταση από την επιφάνεια, βροχή κ.λ.π), όσο και από τα µικροκλιµατικά και υδρολογικά χαρακτηριστικά των σηµείων µέτρησης, ενώ µε τη χρήση εξισώσεων τα επιφανειακά χαρακτηριστικά µιας εκτεταµένης περιοχής, τα οποία σχετίζονται µε την ανταλλαγή της ακτινοβολίας, µπορούν µε εύκολο τρόπο να περιληφθούν στους υπολογισµούς. Με βάση τις υπολογιστικές αυτές διαδικασίες έχουν κατασκευαστεί µηνιαίοι πλανητικοί χάρτες κατανοµής της τελικής ηλιακής ακτινοβολίας, από τους οποίους µπορεί να µελετηθεί η γεωγραφική κατανοµή αυτής στον πλανήτη. Για µια τέτοια ανάλυση κατανόησης της γεωγραφικής κατανοµής παρατίθεται τρεις αντιπροσωπευτικοί χάρτες κατανοµής της τελικής ηλιακής σε πλανητική κλίµακα.  Πλανητικός χάρτης της κατανοµής της τελικής ακτινοβολίας στην επιφάνεια της γης, κατά τον Ιούνιο σε Kcal/cm2/month (KLangleys/month).  η κατανοµή της τελικής ακτινοβολίας για τον Ιούνιο, το ∆εκέµβριο και για το Έτος, το κύριο χαρακτηριστικό γνώρισµα είναι ότι οι τιµές που παρατηρούνται στα γεωγραφικά πλάτη 50° Β έως 50° Ν διαφέρουν µεταξύ ξηράς και θαλάσσης., µε τις µεγαλύτερες τιµές να σηµειώνονται πάνω από τις θάλασσες. και όχι από τις ξηρές. Υπάρχουν µερικοί λόγοι οι οποίοι και εξηγούν αυτή τη συµπεριφορά: α) Η ανακλαστικότητα (λευκαύγεια) για τις µικρού µήκους κύµατος ακτινοβολίες είναι µεγαλύτερη στη χέρσο παρά στους ωκεανούς. Είναι χαρακτηριστική στα παραπάνω σχήµατα η κάµψη των ισοπληθών της τελικής ακτινοβολίας στις ακτές των ηπείρων, που είναι αποτέλεσµα της διαφοράς της λευκαύγειας. β) Η επιφανειακή θερµοκρασία της χέρσου, στα µικρά γεωγραφικά πλάτη, είναι υψηλότερη σε σχέση µε εκείνη που σηµειώνεται στους ωκεανούς. Για το λόγο αυτό οι ήπειροι παρουσιάζουν εντονότερη εκποµπή υπέρυθρης ακτινοβολίας και φυσικά µεγαλύτερες απώλειες. γ) Η µεγάλου µήκους κύµατος δευτερογενής ακτινοβολία που προέρχεται από την ατµόσφαιρα παρουσιάζει µικρότερες τιµές επάνω από τις ξηρές ηπειρωτικές περιοχές σε σχέση µε τους ωκεανούς εξαιτίας της µικρότερης συγκέντρωσης υδρατµών και της µικρότερης νεφοκαλύψης που παρατηρείται επάνω από τις ξηρές ηπειρωτικές περιοχές. 

Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου

Πως γεννήθηκε η γη

http://www.env-edu.gr/ViewPack.aspx?id=32 https://youtu.be/qDnimM_XdSM https://www.youtube.com/watch?v=A-j1zXP6um4 https://www.you...