إشعاع شمسي

Hd = C × HBn × Fss

• حيث:
• Hd: الإشعاع الشمسي المشتت.
• HBn: الإشعاع عند زاوية السقوط العمودية.
• C: معامل تشتيت الأشعة.

علاوةً على ذلك، Fss: الزاوية بين السطح الساقط عليه الأشعة والسماء، ويمكن حسابه من العلاقة التالية

H = HB + Hd

• حيث:
• HB: مركبة الشعاع المباشر علي السطح الأفقي.
• Hd: الإشعاع الشمسي المشتت.
• و يمكن تعريف معامل الميل للإشعاع الكلي من العلاقة التالية:
• R = Ht / H = (HB / H) × RB + (Hd / H) × (1+COSs)/2 + ρg × (1-COSS)/2
• حيث:
• H: مجموع الأشعة الساقطة علي السطح الأفقي.
• Ht: الأشعة الكلية الساقطة علي السطح المائل.

انخفاض الإشعاع الشمسي بفعل الغلاف الجوي

كذلك، عند مرور أشعة الشمس عبر الغلاف الجوي فإنها تتعرض لانخفاض في قيمتها نتيجة لامتصاص جزء منها أثناء مرورها في طبقات الجو المختلفة.

ومن ناحية أخرى، الموجات ذات الأطوال الموجية القصيرة جدا مثل أشعة X وأشعة جاما، يتم امتصاصها في طبقة الأيونوسفير عند ارتفاعات عالية جدا.

علاوةً على ذلك، أما الموجات الأطول نسبيا في المنطقة فوق البنفسجية يتم امتصاصها بواسطة طبقة الأوزون علي ارتفاع يتراوح من 15 إلي 40 كيلومتر فوق سطح الأرض.

من جانب آخر، عندما تميل الشمس فإن مسار الشعاع سيزيد بالمقارنة بالوضع الرأسي وفي هذه الحالة تزيد قيمة m عن الواحد، وبشكل عام يمكن حساب قيمة كتلة الهواء m من العلاقة التالية:

وفي هذا الصدد، و كنتيجة لامتصاص الغلاف الجوي لجزء من الأشعة وتشتت الجزء الآخر فإن الطاقة المحملة في الأشعة تنخفض قيمتها قبل أن تصل إلي سطح الأرض، وتعتمد درجة النقص في الأشعة علي طول مسارها في الغلاف الجوي وكذلك طبيعة الغلاف الجوي في هذا المسار، ويتم التعبير عن طول المسار في الغلاف الجوي بما يعرف بكتلة الهواء ويرمز لها m وقيمتها تكون أقل ما يمكن علي سطح الأرض عندما تكون الشمس في الاتجاه الرأسي مباشرة أي أن زاوية السمت Z = 0, وعند ذلك تكون قيمة m تساوي 1.

وعلى صعيد آخر، في طبقات الجو الأقرب يتم امتصاص بعض من حزم الموجات تحت الحمراء بواسطة بخار الماء وغاز ثاني أكسيد الكربون. الأشعة التي تصل إلي سطح الأرض تقع بشكل أساسي في مدي الأطوال الموجية من 0.29 إلي 2.5 ميكرومتر، علاوة علي ذلك فإن جزء من الأشعة يتعرض للتشتت والاعتراض من الهواء الجاف وبخار الماء وجزيئات الغبار العالقة.

الإشعاع الشمسي خارج الغلاف الجوي

إضافةً إلى ذلك، بسبب هذا التغير البسيط في المسافة بين الشمس والأرض فإن قيمة الإشعاع خارج الغلاف الجوي تتغير علي مدار السنة في حدود 3٫5%, وتوضح المعادلة التالية تغير قيمة الإشعاع خارج الغلاف الجوي خلال أيام السنة.

وفي هذا الصدد، «معدل الطاقة الشمسية التي تسقط علي وحدة المساحات العمودية علي الأشعة خارج الغلاف الجوي عند مسافة متوسطة بين الشمس والأرض (حيث تتغير هذه المسافة علي مدار السنة)» تعرف باسم الثابت الشمسي وحسب وكالة ناسا، فقيمة هذا الثابت 1353 ويبر/متر مربع.

ومن جهة أخرى، تعتبر الشمس كرة من الغازات الساخنة بقطر 1٫39 مليون كم وهي تعمل كمفاعل نووي اندماجي، حيث تندمج اثنتان من انوية الهيدروجين لإنتاج نواة هليوم ثم يتحول فرق الكتلة إلي طاقة.

من جهة ثانية، هذا الاندماج النووي يحدث داخل الكرة الشمسية عند درجة حرارة تصل إلي عدة ملايين درجة مئوية، وسطح الشمس يمكن اعتباره سطح جسم أسود درجة حرارته 5760 كلفن.

(Fss = 0.5 (1 + Coss

حيث:

s: زاوية ميل السطح.

[H =(24/π)× Hon[CosLCosẟCoshs + (2π×hs/360) SinL sinẟ

من جانب آخر، Hon: معدل الإشعاع الشمسي خارج الغلاف الجوي للأرض علي سطح عمودي علي أشعة الشمس في يوم ما خلال السنة.

حيث:

• L: زاوية خط العرض.
• ẟ: زاوية الانحراف.
• hs: زاوية الساعة عند غروب الشمس.
• n: رقم اليوم في السنة بداية من 1 يناير.

الإشعاع علي الأسطح المائلة

وفي هذا الصدد، و لحساب الأشعة علي السطح المائل سواء من القيم المقاسة للسطح الأفقي أو المحسوبة فلابد من تحويل هذه البيانات لكي تكون خاصة بالسطح المائل، وفي حالة الإشعاع المباشر يمكن إستنتاج أن:

• تعتمد كمية الإشعاع الشمسي الساقطة علي سطح ما واقع علي سطح الأرض علي:
• موقع السطح (خط العرض للمكان).
• الوقت (اليوم في السنة والساعة في اليوم).
• زاوية الميل للسطح واتجاهه.

CosZ = HB / HBn

قياس شدة الإشعاع الشمسي

من جهة ثانية، 2.البيرهليوميتر : يستعمل لقياس الإشعاع المباشر، ويتم حجب الأشعة المشتتة في هذا الجهاز عن طريق وضع حساس القياس (وهو عبارة عن عمود حرارة) في قاع أنبوبة موجهة مباشرة إلي الشمس. الانبوبة المستعملة تكون نسسبة القطر إلي الطول فيها 0.1 مما يجعل زاوية الرؤية 5.7 درجة، وتكون الأنبوبة مطلية باللون الأسود وبها هواء جاف عند الضغط الجوي، ويتم تثبيتها علي قاعدة تسمح بتحريكها بسهولة لكي تكون موجهة مباشرة إلي الشمس.

وفي هذا الصدد، و يحتوي الجهاز علي قرص حماية أبيض لامع وذلك لمنع تأثر الإزدواج الحراري بمصدر آخر خلاف الإشعاع الشمسي المطلوب قياسه. ويعاير هذا الجهاز لقياس الإشعاع الكلي علي السطح الأفقي، وفي حالة الاستخدام لقياس الإشعاع علي سطح مائل يلزم عمل تصحيح للقراءات المقاسة.

كذلك، الوصلة الساخنة للإزدواجات الحرارية تكون مطلية باللون الأسود وموجودة علي السطح العلوي

ومن ناحية أخرى، و يمكن استخدام البيرانوميتر لقياس الإشعاع المشتت فقط، وذلك بتظليل سطح إستقبال الأشعة في الجهاز لمنع وصول الأشعة المباشرة. وبهذه الطريقة يمكن القول أنه باستخدام هذا الجهاز يمكن وبطريقة غير مباشرة معرفة كل من الإشعاع المباشر والمشتت.

• انظر كذلك
• الزوايا الشمسية
• الإشعاع الحراري
• كاسرات شمس
• التصميم وفق معطيات الطاقة الشمسية
• مزولة
• شدة الإشعاع و الفيض الإشعاعي
• موقع الشمس

علاوةً على ذلك، و الأجهزة المستعملة في هذا المجال تعتمد إما علي التأثير الكهروحراري أو التأثير الكهروضوئي , وتستعمل ضمن هذه الأجهزة دوائر إلكترونية يمكنها تسجيل وتكامل البيانات اللحظية بحيث يمكن الحصول علي بيانات كل ساعة أو بيانات يومية.

وعلى صعيد آخر، الغرض الأساسي من قياس شدة الإشعاع الشمسي يتحدد في معرفة وتسجيل القيم اللحظية والقيم علي المدي الطويل للإشعاع الشمسي المباشر والمشتت والكلي الساقط علي سطح ما.

كذلك، (أي معرضة لأشعة الشمس القادمة عبر الغلاف الجوي), والوصلة الباردة تكون متجهة للاسفل داخل الجهاز ومحجوبة عن الشمس.

و يوجد نوعان شائع استخدامهما في هذا المجال، هما:

كذلك، البيرانوميتر : يستعمل في قياس شدة الإشعاع الكلي خلال مدي الرؤية النصف كروي لجهاز القياس، ويحتوي على نصفي كرة من الزجاج الضوئي الشفاف متحدي المركز، النصف الداخلي يقوم بحجب الأشعة تحت الحمراء القادمة من النصف الخارجي، ويوجد في منتصف الجهاز عدد من الازدواجات الحرارية الموصلة التوالي لتكون عمود حرارة .

HoH = Hon × CosZ

وفي السياق ذاته، Hon: معدل الإشعاع الشمسي خارج الغلاف الجوي للأرض علي سطح عمودي علي أشعة الشمس في يوم ما خلال السنة.

كذلك، كما يمكن حساب كمية الإشعاع الساقطة علي سطح أفقي خارج الغلاف الجوي خلال يوم من شروق الشمس إلي غروبها بتكامل المعادلة السابقة، لتصبح النتيجة:

ومن جهة أخرى، HoH: معدل الإشعاع الشمسي خارج الغلاف الجوي للأرض علي سطح موازي لأشعة الشمس في يوم ما خلال السنة.

حيث:

Z: زاوية السمت .

Cosi = HBt / HBn

كذلك، ρg: تمثل انعكاسية سطح الأرض والأسطح الأخرى وتساوي 0.2 عندما لا يكون هناك جليد علي سطح الأرض، وقد تصل إلي 0.7 في حالة وجود جليد علي سطح الأرض.

• حيث:
• HBn: الشعاع المباشر عند السقوط العمودي، أي أن السطح يكون متعامد مع الشعاع.
• HB: مركبة الشعاع المباشر علي السطح الأفقي.
• HBt: مركبة الشعاع المباشر علي السطح المائل.
• و من ثم نجد أن:
• RB = HBt / HB = Cosi / Cosz
• حيث:
• RB: معامل الميل للإشعاع المباشر.
• i: زاوية السقوط.
• Z: زاوية السمت.

• Ht = HB×RB + C × HB ×(1+Coss)/2 +(HB+Hd) × ρg × (1 - Coss)/2
• حيث:
• Ht: الأشعة الكلية الساقطة علي السطح المائل.
• HB+Hd) × ρg × (1 - Coss)/2): الأشعة المنعكسة التي يستقبلها السطح المائل.

وفي هذا السياق، بالنسبة للسطح الأفقي فإن مجموع الأشعة الساقطة تكون مساوية للأشعة المباشرة والمشتتة أي أن:

وفي هذا السياق، السطح المائل يستقبل الأشعة المباشرة والمشتتة وكذلك المنعكسة من سطح الأرض والأجسام المحيطة، ويمكن حساب الأشعة الكلية الساقطة علي السطح المائل من العلاقة التالية:

الإشعاع داخل الغلاف الجوي

من جهة ثانية، لحساب الإشعاع الشمسي داخل الغلاف الجوي أو علي سطح الأرض، يمكن استخدام العلاقة التالية والتي يمكن منها حساب القيمة اللحظية للإشعاع

ومن ناحية أخرى، ِA: ثابت يعبر عن الإشعاع الشمسي الظاهر عندما تكون كتلة الهواء = صفر، ويقاس بوحدة ويبر/متر مربع

• B: معامل انخفاض قيمة الإشعاع الشمسي خلال الغلاف الجوي.
• α: زاوية الارتفاع.
• m: كتلة الهواء.

• (HBn = A × exp(-B / Sinα) = A × exp(-B × m
• حيث:
• HBn: الإشعاع عند زاوية السقوط العمودية.

من جانب آخر، نتيجة لتغير المسافة بين الشمس والأرض وتغير كميات بخار الماء والمواد العالقة في الهواء الجوي بصورة موسمية فإن قيمة الثوابت A و B تتغير علي مدار السنة، والجدول التالي يبين قيم هذه الثوابت لكل يوم 21 من أشهر السنة.

وفي هذا الصدد، هذه القيم مأخوذة ليوم متوسط السحب وللمناطق الواقعة علي خط عرض من 0 إلي 64 في نصف الكرة الشمالي، وفي حالة الأيام التي يكون فيها الجو صافي جدا فإن القيم المحسوبة من المعادلة السابقة تزيد بنسبة 15%, ولحساب الإشعاع الشمسي المشتت الساقط علي سطح ما يمك استخدام العلاقة التالية:

[(Hon = Hsc [1 + 0.0033Cos (360n/365

n: رقم اليوم في السنة بداية من 1 يناير.

من جهة ثانية، أما إذا كان السطح موضوع خارج الغلاف الجوي موازيا لسطح الأرض، فإن كثافة الإشعاع السقاط عليه تحسب من العلاقة:

حيث:

كذلك، Hon: معدل الإشعاع الشمسي خارج الغلاف الجوي للأرض علي سطح عمودي علي أشعة الشمس في يوم ما خلال السنة.

Hsc: الثابت الشمسي.

m = 1 / cos Z

• حيث:
• Z: زاوية السمت.
• خارج الغلاف الجوي تكون قيمة m مساوية للصفر وهذا يعني أن الشعاع لم تتغير قيمته.