A napsugárzás fontos meteorológiai változó, amely arra szolgál, hogy meghatározza a "hő" mennyiségét, amelyet a naptól kapunk a föld felszínén. A napsugárzás ezen mennyiségét az éghajlatváltozás és az üvegházhatású gázok visszatartása megváltoztatja.
A napsugárzás képes felmelegíteni a talaj és a tárgyak (beleértve minket is) felszínét , miközben a levegőt alig melegíti. Továbbá ez a változó kulcsfontosságú az éghajlatváltozás elleni küzdelemben tett erőfeszítéseink értékeléséhez. Szeretne mindent megtudni a napsugárzásról?
A napsugárzás áthalad a légkörön
Amikor egy ilyen forró nyári napon a tengerparton vagyunk, lefekszünk, hogy napozzunk. Minél tovább maradunk a törölközőnkben, annál inkább azt vesszük észre, hogy testünk felmelegszik és a hőmérsékletünk emelkedik, míg végül meg kell fürödnünk egyet, vagy árnyékot kell keresnünk, mert leégünk. Mi történt itt, ha a levegő nem is olyan forró? Az történt, hogy a napsugarak áthaladtak a légkörünkön, és felmelegítették a testünket anélkül, hogy jelentősen felmelegítették volna a levegőt.
Valami hasonló történik a Földön is, mint ami ebben a helyzetben velünk történik: A légkör szinte „átlátszó” a napsugárzás számára, de a Föld felszíne és más testek elnyelik azt. A Nap által a Földre átadott energiát sugárzó energiának vagy sugárzásnak nevezzük. A sugárzás hullámok formájában terjed az űrben, amelyek energiát hordoznak. A szállított energia mennyiségétől függően az elektromágneses spektrum mentén osztályozzák őket. Vannak a legenergikusabb hullámaink, mint például a gamma-sugarak, a röntgensugarak és az ultraibolya sugarak, valamint a kisebb energiájúak, mint például az infravörös, a mikrohullámok és a rádióhullámok.
Minden test sugárzást bocsát ki
Minden test a hőmérsékletének megfelelően bocsát ki sugárzást. Ezt a Stefan-Boltzmann törvény szabályozza , amely kimondja, hogy egy test által kibocsátott energia egyenesen arányos a hőmérsékletének negyedik hatványával. Ezért a Nap, egy égő fadarab, a saját testünk, sőt még egy jégdarab is folyamatosan sugároz energiát.
Ez elvezet minket a kérdéshez: miért vagyunk képesek "látni" a Nap vagy egy égő fadarab által kibocsátott sugárzást, de nem látjuk azt a sugárzást, amelyet mi magunk, a Föld felszíne vagy egy jégdarab bocsát ki? Nos, ez nagymértékben függ az egyes tárgyak hőmérsékletétől , és így az általuk kibocsátott energia mennyiségétől. Minél magasabb egy test hőmérséklete, annál nagyobb energiát bocsát ki a hullámaiban, és ezért válik láthatóbbá.
A Nap hőmérséklete 6.000 K, és elsősorban a látható spektrumban bocsát ki sugárzást (általában fényhullámoknak nevezik). Emellett ultraibolya sugárzást is kibocsát (amelynek nagyobb az energiája, ezért hosszabb ideig tartó expozíció esetén megégeti a bőrünket), a fennmaradó rész pedig infravörös sugárzás, amely az emberi szem számára láthatatlan. Ezért nem érzékeljük a saját testünk által kibocsátott sugárzást. Az emberi test hőmérséklete körülbelül 37 Celsius-fok, és az általa kibocsátott sugárzás elsősorban az infravörös tartományban van.
Hogyan működik a napsugárzás
Az a tudat, hogy a tárgyak folyamatosan sugárzást és energiát bocsátanak ki, valószínűleg felvet egy másik kérdést: Miért nem hűlnek le fokozatosan a tárgyak, ha energiát és sugárzást bocsátanak ki? A válasz egyszerű: energiát is elnyelnek. Létezik egy másik törvény is, a sugárzási egyensúly törvénye, amely kimondja, hogy egy tárgy ugyanannyi energiát bocsát ki, mint amennyit elnyel. Ezért képesek a tárgyak állandó hőmérsékletet fenntartani.
Így a Föld-légkör rendszerünkben egy sor folyamat játszódik le, amelyek során az energia elnyelődik, kisugárzódik és visszaverődik, így a Nap légkörének tetejét elérő sugárzás és a világűrbe távozó sugárzás közötti végső egyensúly nulla. Ez azt jelenti, hogy az éves átlaghőmérséklet állandó marad. Amikor a napsugárzás eléri a Földet, annak nagy részét a Föld felszíne elnyeli. A beeső sugárzásnak nagyon kis részét nyelik el a felhők és a levegő. A sugárzás többi részét a felszín, a gázok és a felhők visszaverik, és visszatérnek a világűrbe.
Egy tárgy által visszavert sugárzás mennyiségét a beeső sugárzáshoz viszonyítva „albedónak” nevezzük. Ezért azt mondhatjuk, hogy a Föld-légkör rendszer átlagos albedója 30%. A frissen hullott hó vagy néhány jelentős függőleges fejlődésű cumulonimbus felhő albedója közel 90%-os, míg a sivatagoké körülbelül 25%, az óceánoké pedig körülbelül 10% (szinte az összes őket érő sugárzást elnyelve).
Hogyan mérjük a sugárzást?
A napsugárzás egy adott ponton történő mérésére egy piranométernek nevezett eszközt használunk. Ez az eszköz egy átlátszó félgömbbe zárt érzékelőből áll, amely minden nagyon rövid hullámhosszú sugárzást átenged. Az érzékelő váltakozó fehér és fekete szegmensekkel rendelkezik, amelyek eltérően nyelik el a sugárzást. A szegmensek közötti hőmérséklet-kontrasztot a sugárzási fluxus (watt/négyzetméterben mérve) szerint kalibráljuk .
A kapott napsugárzás mennyiségének becslése a napsütéses órák számának mérésével is elkészíthető. Ehhez egy heliográf nevű műszert használunk. Ezt a földrajzi dél felé orientált üveggömb alkotja, amely nagy nagyítóként működik, és az összes beérkezett sugárzást egy izzólámpában összpontosítja, amely egy speciális, a nap óráival beosztott papírszalagot éget el.
Napsugárzás és fokozott üvegházhatás
Korábban említettük, hogy a Földre belépő és onnan távozó napsugárzás mennyisége azonos. Ez nem teljesen igaz, mert ha így lenne, bolygónk átlagos globális hőmérséklete -88 Celsius-fok lenne. Szükségünk van valamire, ami segít megtartani a hőt, hogy fenntartsuk a kényelmes és lakható hőmérsékletet, amely lehetővé teszi az életet a Földön. Itt jön képbe az üvegházhatás. Amikor a napsugárzás eléri a Föld felszínét, annak majdnem felét visszaveri a légkörbe, mielőtt kilövellne a világűrbe. Megvitattuk, hogy a felhők, a levegő és más légköri összetevők hogyan nyelik el a napsugárzás kis részét. Ez az elnyelt mennyiség azonban nem elegendő ahhoz, hogy stabil hőmérsékletet tartson fenn, amely lakhatóvá tenné bolygónkat. Hogyan élhetünk ilyen hőmérsékletek mellett?
Az üvegházhatású gázok azok a gázok, amelyek megkötik a Föld felszíne által kibocsátott hő egy részét, megakadályozva, hogy az visszajusson a légkörbe. Az üvegházhatású gázokra példaként említhető a vízgőz, a szén-dioxid (CO2), a nitrogén-oxidok, a kén-oxidok és a metán. Minden üvegházhatású gáznak más a napsugárzás elnyelésére való képessége. Minél nagyobb a sugárzás elnyelésére való képessége, annál több hőt tart meg, és megakadályozza, hogy az a világűrbe távozzon.
Az emberiség történelme során az üvegházhatású gázok (legfőképpen a CO2) koncentrációja folyamatosan nőtt. Ez a megugrás nagyrészt az ipari forradalomnak és a fosszilis tüzelőanyagok iparban, energiatermelésben és közlekedésben történő elégetésének köszönhető . A fosszilis tüzelőanyagok, például az olaj és a szén elégetése CO2 és metán kibocsátásával jár. Ezek az egyre növekvő kibocsátások jelentős mennyiségű napsugárzást csapdába ejtenek, megakadályozva, hogy az visszajusson az űrbe.
Ezt üvegházhatásnak nevezzük. Azonban ennek a hatásnak a növekedése, amit üvegházhatásnak nevezünk, kontraproduktív , mivel amit teszünk, az a globális átlaghőmérséklet egyre nagyobb növekedése. Minél nagyobb ezeknek a sugárzást elnyelő gázoknak a koncentrációja a légkörben, annál több hőt tudnak megtartani, és ezért annál magasabb lesz a hőmérséklet.
Napsugárzás és éghajlatváltozás
A globális felmelegedés világszerte ismert. Ez a hőmérséklet-emelkedés a napsugárzás nagy visszatartása miatt megváltoztatja a globális éghajlatot. Ez nem csak azt jelenti, hogy a bolygó átlaghőmérséklete megnő, hanem hogy változik az éghajlat és minden, ami ezzel jár.
A hőmérséklet emelkedése instabilitást okoz a légáramlatokban, az óceáni tömegekben, a fajok eloszlásában, az évszakok váltakozásában, valamint a szélsőséges időjárási események (például aszályok, árvizek, hurrikánok stb.) számának növekedéséhez . Ezért a sugárzási egyensúly stabil helyreállításához csökkentenünk kell az üvegházhatású gázok kibocsátását és helyre kell állítanunk az éghajlatunkat.
