الإشعاع الشمسي وطرق القياس

بحث كامل عن الاشعاع الشمسي, شدة الاشعاع الشمسي, الاشعاع الارضي والاشعاع الشمسي, اجهزة قياس الاشعاع الشمسي, معدل الاشعاع الشمسي, الثابت الشمسي, شدة الاشعاع الشمسى فى مصر, انواع الاشعاع الشمسي,

تعد الطاقة الشمسية الاساس الذي تقوم عليه جميع أشكال الحياة على كوكب الأرض، ويقود كل دورات كل من الغلاف الجوي، والغلاف المائي واليابس، فجميع العمليات المناخية المؤثرة فى سطح الأرض هى محصلة الانتقالات فى الطاقة الشمسية من الشمس نحو الأرض على مدار السنة، والمرتدة من الأرض نحو الغلاف الجوي.

وينقسم الإشعاع  الشمسي إلى ثلاثة أنواع رئيسية حسب المدى الطيفي لكل نوع، الأول: هو مجموعة الاشعة فوق البنفسجية (UV) Ultraviolet Radiation، وأشعة اكس X Rays، وأشعة جاما Gamma Rays. وتمثل كميتها نحو ٩% من إجمالي الإشعاع  الشمسي والثاني: الاشعة المرئية visible light وتمثل كميتها نحو 45 % من إجمالي الإشعاع  الشمسي، والثالث؛ الاشعة الحرارية (تحت ا لحمراء) Infrared Radiation وتشكل نحو ٤٦ % من إجمالي الإشعاع  الشمسي.

ويتعرض الإشعاع  الشمسي أثناء رحلته إلى سطح الأرض للانعكاس Reflection، أو التشتت والتبعثرScattering ، أو الامتصاص Obsorption بواسطة الغازات والسحب والمواد العالقة وفى النهاية يصل الجزء المتبقي منه الى سطح الأرض. وفى حالة انعكاس الأشعة تسمى النسبة بين مقدار الاشعة المنعكسة من سطح ما وأجمالي الأشعة الواصلة اليه بتعبير الألبيدوAlbedo 

ويُعَبر عنها الصيغة التالية:

ويعد السطح عالي الألبيدو عندما يعكس كمية كبيرة من الأشعة الشمسية الواصلة أليه وهذا يحدث في الأسطح فاتحة اللون والعكس صحيح.

وأوضحت قياسات الاقمار الاصطناعية المناخية أن نحو 49% من الإشعاع  الشمس المتجه نحو الأرض يفنى داخل الغلاف الجوي وأن ما يصل إلى سطح الأرض ويؤثر فيه هو 51% من الإشعاع  الشمسي المتجه اليه. ثم تتحول تلك النسبة إلى اشعاع حراري ينبعث من سطح الارض نحو الغلاف الجوي ويسمى بالإشعاع  الأرضيTerrestrial Radiation .

وتقدر كمية الطاقة الشمسية الواصلة إلى كل سم٢ من سطح الأرض بنحو1,95 كالورى جرام فى الدقيقة الواحدة، وتعادل هذه الكمية نحو ١٣٩٢ وات لكل متر مربع، ويسمى ذلك ثابت الإشعاع  ويتم حساب إجمالي كمية الطاقة الشمسية الواصلة الى سطح الأرض بالصيغة التالية:

إجمالي كمية الطاقة الشمسية الواصلة لسطح الأرض = 1392 وات × ط نق٢

   = 10¹²  × 177502 وات.

وتستهلك تلك الكمية من الطاقة الشمسية فى العمليات الطبيعية على سطح الأرض مثل التحول الحراري، صور تكاثف بخار الماء، التساقط، الرياح، التيارات المائية، التمثيل الكلوروفيلي، تحلل المواد العضوية، حركة المد والجزر، تدفق المياه الجوفية الحارة، تكون الوقود الأحفوري، الطاقة الذرية، طاقة الجاذبية على سبيل المثال لا الحصر.

وتتباين شدة الإشعاع  الشمسي وطول فترة سطوعه على سطح الأرض تبعاَ لاختلاف زاوية سقوط الاشعة الشمسية على سطح الأرض، وإلى اختلاف طول النهار على مدار العام بسبب اختلاف وضع الأرض بالنسبة للشمس خلال دورة الأرض السنوية حول الشمس.

قياس الإشعاع الشمسي

تتباين شدة الإشعاع الشمسي وطول فترة سطوعه زمانياً ومكانياً تبعاً لاختلاف زاوية سقوط الأشعة الشمسية على سطح الأرض، وإلى اختلاف طول النهار على مدار العام بسبب اختلاف وضع الأرض بالنسبة للشمس خلال دورة الأرض السنوية حول الشمس، ولتوضيح التوزيع الجغرافي لكل من شدة الإشعاع الشمسي، وطول فترة سطوعه يتم قياس كل منهما فى محطات الأرصاد الجوية وتصميم الخرائط اللازمة لذلك.

1-قياس شدة الإشعاع الشمسي:

يقصد بشدة الإشعاع كمية الطاقة، التي يكتسبها سطح الأرض بالسعرات الحرارية (كالورى جرام / سم²) ويستخدم في قياسها أجهزة خاصة توضع فى أماكن مكشوفة تقيس وتسجل شدة الإشعاع الشمسي المباشر والمنتشر بالكالوري جرام، كما يمكن قياس شدة الإشعاع الشمسي المباشر فقط، أو الإشعاع الشمسي المنتشر فقط.

جهاز البيرانومتر لقياس شدة الاشعاع الشمسي

يستخدم جهاز البيرانومتر Pyranometer في قياس شدة الاشعاع الشمسي المباشر والمنتشر على سطح الأرض، وهو يتركب من مستشعر حراري مثبت داخل قبة زجاجية ينفذ خلالها الاشعاع الشمسي نحو المستشعر الذى يتركب من قاعدة مكونة من قطعتين معدنيتين احداهما سوداء اللون والأخرى بيضاء اللون، ولان القطعة السوداء تمتص كل الأشعة الواصلة إليها وتعكس القطعة البيضاء كل الأشعة الواصلة إليها، يتباين تأثر كل قطعة معدنية بكمية الاشعاع الشمسي نفسها الواصلة إليهما وهو ما يعني التباين في كمية الطاقة اتي تكتسبها كل منهما (كالوري جرام)، وتعتمد ميكانيكية الجهاز على تحويل الفرق بين كمية الطاقة التي تكتسبها كلتا القطعتين المعدنيتين إلى إشارات كهربائية تحرك مؤشر فى قرص مدرج يمكن قراءته وتدوينه فى جداول خاصة للتعبير عن شدة الاشعاع الشمسي وقت الرصد.

ويستخدم جهاز البيرانوجزف Pyranograph فى قياس وتسجيل شدة الاشعاع الشمسي آلياً، ويتركب الجهاز من بيرانومتر يثبت بالقطعتين المعدنيتين فيه رافعة تنقل الفرق فى التمدد بين القطعتين المعدنيتين بواسطة سن ريشة تسجل بالحبر هذا الفرق على ورقة رسم بياني مدرجة أفقياً ورأسياً يمثل المحور الأفقي ساعات النهار، ويمثل المحور الرأسي قيم شدة الاشعاع (كالورى جرام/ سم٢/ دقيقة) وهى ملفوفة فوق أسطوانة تدور بسرعة الساعة الزمنية دورة كاملة كل يوم أو كل أسبوع ويمكن استخراج قيمة كمية الاشعاع الشمس فى كل لحظة على الورقة.

وبهذه الطريقة لا يحتاج الجهاز إلى راصد يقرأه كل ساعة أو ثلاث ساعات ويسجل قراءته فى الجداول الخاصة به، فالجهاز يقيس ويسجل شدة الاشعاع الشمسي آلياً ويتم بعد ذلك نزع ورقة الرسم البياني وتوقيع تاريخ يوم الرصد عليها وتفسيرها وتحليلها بكل سهولة ودقة.

جهاز البيرانوجراف لتسجيل شدة الاشعاع الشمسي

ويستخدم جهاز البيرانوجزف Pyranograph فى قياس وتسجيل شدة الاشعاع الشمسي آلياً، ويتركب الجهاز من بيرانومتر يثبت بالقطعتين المعدنيتين فيه رافعة تنقل الفرق فى التمدد بين القطعتين المعدنيتين بواسطة سن ريشة تسجل بالحبر هذا الفرق على ورقة رسم بياني مدرجة أفقياً ورأسياً يمثل المحور الأفقي ساعات النهار، ويمثل المحور الرأسي قيم شدة الاشعاع (كالورى جرام/ سم٢/ دقيقة) وهى ملفوفة فوق أسطوانة تدور بسرعة الساعة الزمنية دورة كاملة كل يوم أو كل أسبوع ويمكن استخراج قيمة كمية الاشعاع الشمس فى كل لحظة على الورقة.

وبهذه الطريقة لا يحتاج الجهاز إلى راصد يقرأه كل ساعة أو ثلاث ساعات ويسجل قراءته فى الجداول الخاصة به، فالجهاز يقيس ويسجل شدة الاشعاع الشمسي آلياً ويتم بعد ذلك نزع ورقة الرسم البياني وتوقيع تاريخ يوم الرصد عليها وتفسيرها وتحليلها بكل سهولة ودقة.

نستخدم جهاز الديفيوسوجراف Diffusograph - لقياس وتسجيل الاشعاع غير المباشر المنتشر فقط وذلك عن طرق جهاز بيرانومتر مثبت حوله حلقة معدنية دائرية تحيط به وقعدة وتميل بشكل يتوافق مع مسار حركة الشمس الظاهرية يوم الرصد، ووظيفة تلك الحلقة هو أن تحجب أشعة الشمس الساقطة مباشرة على الجهاز، فيقيس الجهاز شدة الإشعاع المنتشر فقط. وعن طريق طرح قيمة شدة الاشعاع المقاسة عن طرق بيرانومتر غير مظلل وقيمة شدة الاشعاع المقاسة عن طريق ديفيوسوجراف (بيرانومتر مظلل) يمكن حساب قيمة شدة الاشعاع المباشر.

2 -قياس طول فترة سطوع الشمس:

يتحدد طول فترة النهار بالفترة الزمنية المحصورة بين شروق الشمس وغروبها، وهذه الفترة مرتبطة ببداية ونهاية سطوع الشمس فوق خط الأفق، ولا يضاف إليها فترة الشفق التي تسبق شروق الشمس وسطوعها بدقائق، وكذلك فترة الفسق التي تستمر بعد غروب الشمس بدقائق.

جهاز كامبل ستوكس لقياس طول فترة سطوع الشمس

ومن المتوقع أن يتعادل طول فترة النهار مع طول فترة سطوع الشمس ولكن من الممكن أن تحجب السحب ضوء الشمس وسطوعها فتحل الغيوم لفترة مرتبطة بحركة وكثافة ونوع السحب، وفى هذه الحالة تخصم فترة الغيوم من طول فترة النهار ويعبر عن الفترة المتبقية منه بفترة سطوع الشمس.

ويستخدم جهاز كامبل-ستوكس Campbell -Stokes - فى رصد الفترة الزمنية لسطوع الشمس فى موقع محطة الرصد، ويوضع الجهاز فى مكان مكشوف معرض للإشعاع الشمسي، وهر يتركب من بلورة زجاجية (كرة زجاجية) يثبت خلفها حامل يثبت فوقه ورقة زرقاء مدرجة حسب عدد ساعات النهار وقت الرصد، وعندما تسطع الشمس فى السماء تخترق الاشعة البلورة الزجاجية التي تجمع الأشعة الشمسية فى حزمة حرارية تحرق الورقة خلال ساعات سطوع الشمس، وبعد غروب الشمس تنزع الورقة ويسجل خلفها تاريخ يوم الرصد، ويتم حساب طول فترة سطوع الشمس عن طريق حساب طول علامات احتراق الورقة على التدريج الزمنى الموجود على الورقة، وتدل المسافات الزمنية غير المحترقة على فترة الغيوم التي سادت خلال يوم الرصد.

المصدر:-

كتاب خرائط الطقس والمناخ-د.محمد إبراهيم محمد شرف-دار المعرفة الجامعية الإسكندرية