Η ηλιακή ακτινοβολία είναι μια σημαντική μετεωρολογική μεταβλητή που χρησιμεύει στον προσδιορισμό της ποσότητας "θερμότητας" που θα λάβουμε από τον ήλιο στην επιφάνεια της γης. Αυτή η ποσότητα ηλιακής ακτινοβολίας μεταβάλλεται από την κλιματική αλλαγή και τη διατήρηση των αερίων του θερμοκηπίου.
Η ηλιακή ακτινοβολία μπορεί να θερμάνει την επιφάνεια του εδάφους και των αντικειμένων (συμπεριλαμβανομένων και των δικών μας), ενώ μόλις που θερμαίνει τον αέρα. Επιπλέον, αυτή η μεταβλητή είναι κρίσιμη για την αξιολόγηση των προσπαθειών μας στην καταπολέμηση της κλιματικής αλλαγής. Θέλετε να μάθετε τα πάντα για την ηλιακή ακτινοβολία;
Η ηλιακή ακτινοβολία περνά μέσα από την ατμόσφαιρα
Όταν βρισκόμαστε στην παραλία μια από αυτές τις ζεστές καλοκαιρινές μέρες, ξαπλώνουμε για να απολαύσουμε τον ήλιο. Όσο περισσότερο μένουμε στις πετσέτες μας, τόσο περισσότερο παρατηρούμε ότι το σώμα μας ζεσταίνεται και η θερμοκρασία μας ανεβαίνει, μέχρι που χρειάζεται να κάνουμε μια βουτιά ή να βρούμε κάποια σκιά επειδή καίγόμαστε από τον ήλιο. Τι συμβαίνει εδώ, αν ο αέρας δεν είναι τόσο ζεστός; Αυτό που συμβαίνει είναι ότι οι ακτίνες του ήλιου έχουν περάσει από την ατμόσφαιρά μας και έχουν θερμάνει το σώμα μας χωρίς να τον θερμάνουν σημαντικά.
Κάτι παρόμοιο με αυτό που μας συμβαίνει σε αυτή την περίπτωση συμβαίνει και στη Γη: Η ατμόσφαιρα είναι σχεδόν «διαφανής» στην ηλιακή ακτινοβολία, αλλά η επιφάνεια της Γης και άλλα σώματα σε αυτήν την απορροφούν. Η ενέργεια που μεταφέρεται από τον Ήλιο στη Γη είναι γνωστή ως ακτινοβολούμενη ενέργεια ή ακτινοβολία. Η ακτινοβολία ταξιδεύει στο διάστημα με τη μορφή κυμάτων που μεταφέρουν ενέργεια. Ανάλογα με την ποσότητα ενέργειας που μεταφέρουν, ταξινομούνται κατά μήκος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Έχουμε τα πιο ενεργητικά κύματα, όπως οι ακτίνες γάμμα, οι ακτίνες Χ και η υπεριώδης ακτινοβολία, καθώς και εκείνα με λιγότερη ενέργεια, όπως η υπέρυθρη ακτινοβολία, τα μικροκύματα και τα ραδιοκύματα.
Όλα τα σώματα εκπέμπουν ακτινοβολία
Όλα τα σώματα εκπέμπουν ακτινοβολία ανάλογα με τη θερμοκρασία τους. Αυτό διέπεται από τον νόμο Stefan-Boltzmann , ο οποίος ορίζει ότι η ενέργεια που εκπέμπεται από ένα σώμα είναι ευθέως ανάλογη με την τέταρτη δύναμη της θερμοκρασίας του. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο ο Ήλιος, ένα φλεγόμενο κομμάτι ξύλου, τα δικά μας σώματα, ακόμη και ένα κομμάτι πάγου, ακτινοβολούν συνεχώς ενέργεια.
Αυτό μας οδηγεί στο ερώτημα: γιατί μπορούμε να «δούμε» την ακτινοβολία που εκπέμπει ο ήλιος ή ένα φλεγόμενο κομμάτι ξύλου, αλλά όχι την ακτινοβολία που εκπέμπουμε εμείς οι ίδιοι, η επιφάνεια της Γης ή ένα κομμάτι πάγου; Λοιπόν, αυτό εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία που φτάνει κάθε αντικείμενο και, επομένως, από την ποσότητα ενέργειας που εκπέμπει. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία ενός σώματος, τόσο μεγαλύτερη είναι η ποσότητα ενέργειας που εκπέμπει στα κύματά του και γι' αυτό γίνεται πιο ορατό.
Ο Ήλιος έχει θερμοκρασία 6.000 K και εκπέμπει ακτινοβολία κυρίως στο ορατό φάσμα (κοινώς γνωστό ως φωτεινά κύματα). Εκπέμπει επίσης υπεριώδη ακτινοβολία (η οποία έχει περισσότερη ενέργεια και επομένως καίει το δέρμα μας με παρατεταμένη έκθεση) και το υπόλοιπο είναι υπέρυθρη ακτινοβολία, η οποία είναι ανεπαίσθητη στο ανθρώπινο μάτι. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο δεν μπορούμε να αντιληφθούμε την ακτινοβολία που εκπέμπει το δικό μας σώμα. Το ανθρώπινο σώμα βρίσκεται περίπου στους 37 βαθμούς Κελσίου και η ακτινοβολία που εκπέμπει είναι κυρίως στην υπέρυθρη περιοχή.
Πώς λειτουργεί η ηλιακή ακτινοβολία
Γνωρίζοντας ότι τα αντικείμενα εκπέμπουν συνεχώς ακτινοβολία και ενέργεια, πιθανώς εγείρεται ένα άλλο ερώτημα: Γιατί τα αντικείμενα δεν ψύχονται σταδιακά εάν εκπέμπουν ενέργεια και ακτινοβολία; Η απάντηση είναι απλή: απορροφούν επίσης ενέργεια. Υπάρχει ένας άλλος νόμος, ο νόμος της ισορροπίας ακτινοβολίας, ο οποίος ορίζει ότι ένα αντικείμενο εκπέμπει την ίδια ποσότητα ενέργειας με αυτήν που απορροφά. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα αντικείμενα είναι σε θέση να διατηρούν σταθερή θερμοκρασία.
Έτσι, στο σύστημα Γης-ατμόσφαιρας, συμβαίνει μια σειρά διεργασιών κατά τις οποίες η ενέργεια απορροφάται, εκπέμπεται και ανακλάται, έτσι ώστε η τελική ισορροπία μεταξύ της ακτινοβολίας που φτάνει στην κορυφή της ατμόσφαιρας από τον Ήλιο και αυτής που διαφεύγει στο διάστημα να είναι μηδέν. Αυτό σημαίνει ότι η μέση ετήσια θερμοκρασία παραμένει σταθερή. Όταν η ηλιακή ακτινοβολία εισέρχεται στη Γη, το μεγαλύτερο μέρος της απορροφάται από την επιφάνεια της Γης. Πολύ λίγη από την προσπίπτουσα ακτινοβολία απορροφάται από τα σύννεφα και τον αέρα. Η υπόλοιπη ακτινοβολία ανακλάται από την επιφάνεια, τα αέρια και τα σύννεφα και επιστρέφει στο διάστημα.
Η ποσότητα ακτινοβολίας που ανακλάται από ένα αντικείμενο σε σχέση με την προσπίπτουσα ακτινοβολία είναι γνωστή ως «albedo». Επομένως, μπορούμε να πούμε ότι το σύστημα Γης-ατμόσφαιρας έχει μέσο albedo 30%. Το φρεσκοπτόμενο χιόνι ή ορισμένα σύννεφα σωρειτομελανίθων με σημαντική κατακόρυφη ανάπτυξη έχουν albedo κοντά στο 90%, ενώ οι έρημοι έχουν περίπου 25% και οι ωκεανοί περίπου 10% (απορροφώντας σχεδόν όλη την ακτινοβολία που φτάνει σε αυτές).
Πώς μετράμε την ακτινοβολία;
Για να μετρήσουμε την ηλιακή ακτινοβολία που λαμβάνουμε σε ένα σημείο, χρησιμοποιούμε μια συσκευή που ονομάζεται πυρανόμετρο. Αυτή η συσκευή αποτελείται από έναν αισθητήρα που περικλείεται σε ένα διαφανές ημισφαίριο και μεταδίδει όλη την ακτινοβολία με πολύ μικρά μήκη κύματος. Αυτός ο αισθητήρας έχει εναλλασσόμενα λευκά και μαύρα τμήματα που απορροφούν την ακτινοβολία με διαφορετικό τρόπο. Η αντίθεση θερμοκρασίας μεταξύ αυτών των τμημάτων βαθμονομείται σύμφωνα με τη ροή ακτινοβολίας (μετρούμενη σε βατ ανά τετραγωνικό μέτρο).
Μια εκτίμηση της ποσότητας της ηλιακής ακτινοβολίας που λαμβάνουμε μπορεί επίσης να ληφθεί μετρώντας τον αριθμό των ωρών ηλιοφάνειας που έχουμε. Για να το κάνουμε αυτό, χρησιμοποιούμε ένα όργανο που ονομάζεται ηλιογράφος. Αυτό σχηματίζεται από μια γυάλινη σφαίρα προσανατολισμένη προς το γεωγραφικό νότο, η οποία ενεργεί ως ένα μεγάλο μεγεθυντικό φακό, συγκεντρώνοντας όλη την ακτινοβολία που λαμβάνεται σε ένα σημείο πυρακτώσεως που καίει μια ειδική χάρτινη ταινία που βαθμολογείται με τις ώρες της ημέρας.
Ηλιακή ακτινοβολία και αυξημένο φαινόμενο θερμοκηπίου
Προηγουμένως αναφέραμε ότι η ποσότητα της ηλιακής ακτινοβολίας που εισέρχεται και εξέρχεται από τη Γη είναι η ίδια. Αυτό δεν είναι απολύτως αληθές, γιατί αν ίσχυε αυτό, η μέση παγκόσμια θερμοκρασία του πλανήτη μας θα ήταν -88 βαθμοί Κελσίου. Χρειαζόμαστε κάτι που να μας βοηθά να διατηρούμε τη θερμότητα για να διατηρούμε μια άνετη και κατοικήσιμη θερμοκρασία που να καθιστά δυνατή τη ζωή στη Γη. Εδώ ακριβώς έρχεται στο προσκήνιο το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Όταν η ηλιακή ακτινοβολία χτυπά την επιφάνεια της Γης, αντανακλά σχεδόν τη μισή της πίσω στην ατμόσφαιρα πριν αποβληθεί στο διάστημα. Έχουμε συζητήσει πώς τα σύννεφα, ο αέρας και άλλα ατμοσφαιρικά συστατικά απορροφούν ένα μικρό μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας. Ωστόσο, αυτή η απορροφούμενη ποσότητα δεν είναι αρκετή για να διατηρήσει μια σταθερή θερμοκρασία που θα καθιστούσε τον πλανήτη μας κατοικήσιμο. Πώς μπορούμε να ζήσουμε με αυτές τις θερμοκρασίες;
Τα αέρια του θερμοκηπίου είναι εκείνα τα αέρια που παγιδεύουν μέρος της θερμότητας που εκπέμπεται από την επιφάνεια της Γης, εμποδίζοντάς την να διαφύγει πίσω στην ατμόσφαιρα. Παραδείγματα αερίων του θερμοκηπίου περιλαμβάνουν τους υδρατμούς, το διοξείδιο του άνθρακα (CO2), τα οξείδια του αζώτου, τα οξείδια του θείου και το μεθάνιο. Κάθε αέριο του θερμοκηπίου έχει διαφορετική ικανότητα απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας. Όσο μεγαλύτερη είναι η ικανότητά του να απορροφά ακτινοβολία, τόσο περισσότερη θερμότητα διατηρεί και εμποδίζει τη διαφυγή της στο διάστημα.
Σε όλη την ανθρώπινη ιστορία, η συγκέντρωση αερίων του θερμοκηπίου (κυρίως του CO2) έχει αυξηθεί σταθερά. Αυτή η απότομη αύξηση οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στη Βιομηχανική Επανάσταση και στην καύση ορυκτών καυσίμων στη βιομηχανία, την παραγωγή ενέργειας και τις μεταφορές . Η καύση ορυκτών καυσίμων όπως το πετρέλαιο και ο άνθρακας παράγει εκπομπές CO2 και μεθανίου. Αυτές οι ολοένα και υψηλότερες εκπομπές παγιδεύουν μια σημαντική ποσότητα ηλιακής ακτινοβολίας, εμποδίζοντάς την να διαφύγει πίσω στο διάστημα.
Αυτό είναι γνωστό ως φαινόμενο του θερμοκηπίου. Ωστόσο, η αύξηση αυτού του φαινομένου, το οποίο ονομάζουμε φαινόμενο του θερμοκηπίου, είναι αντιπαραγωγική , καθώς αυτό που κάνουμε είναι να αυξάνουμε όλο και περισσότερο τις μέσες παγκόσμιες θερμοκρασίες. Όσο μεγαλύτερη είναι η συγκέντρωση αυτών των αερίων που απορροφούν ακτινοβολία στην ατμόσφαιρα, τόσο περισσότερη θερμότητα θα συγκρατούν και, επομένως, τόσο υψηλότερες θα είναι οι θερμοκρασίες.
Ηλιακή ακτινοβολία και κλιματική αλλαγή
Η υπερθέρμανση του πλανήτη είναι γνωστή παγκοσμίως. Αυτή η αύξηση των θερμοκρασιών λόγω της μεγάλης κατακράτησης της ηλιακής ακτινοβολίας προκαλεί αλλαγή στο παγκόσμιο κλίμα. Όχι μόνο σημαίνει ότι οι μέσες θερμοκρασίες του πλανήτη θα αυξηθούν, αλλά και το κλίμα και όλα όσα συνεπάγονται θα αλλάξουν.
Η άνοδος της θερμοκρασίας προκαλεί αστάθεια στα ρεύματα αέρα, στις ωκεάνιες μάζες, στην κατανομή των ειδών, στην διαδοχή των εποχών και στην αύξηση των ακραίων καιρικών φαινομένων (όπως ξηρασίες, πλημμύρες, τυφώνες κ.λπ.) . Επομένως, για να αποκαταστήσουμε την ισορροπία της ακτινοβολίας μας με σταθερό τρόπο, πρέπει να μειώσουμε τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου και να αποκαταστήσουμε το κλίμα μας.
