Solens spektrum udenfor atmosfæren, energiballancen – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Geofysik > Solens spektrum udenfo...

25. december 2009

Solens spektrum udenfor atmosfæren, energiballancen

Hej Spørg om Fysik
I forbindelse med den igangværende tale om "drivhuseffekt" har jeg undret mig over at man ikke skulle opnå en fuldstændig tilsvarende dæmpning af solens indstråling, altså enten en uændret- eller faldende temperatur.

Ved forespørgsel hos DMI, med henvisning til et billede, hvor der ved solen står kortblølget stråling, påpegede jeg at dette var misvisende, men fik det svar at solens udstråling topper i det synlige område.

De eneste kurver jeg har kunnet finde er alle målt ved jordoverfladen, altså efter passage af atmosfæren. Jeg kan ikke fatte at maksimum ikke ligger et stykke ude i det infrarøde. Jeg forventer at atmosfæren afviser op mod 75% af den langbølgede stråling, og ligeledes tilbageholder tilsvarende udstråling.

Da jeg forventer indstrålingen er væsentlig kraftigere end udstrålingen burde "drivhuseffekten" nærmere medføre et fald i klodens temperatur. Findes der tilgængelige spektralmålinger af solen, optaget uden for atmosfæren ??

Med venlig hilsen
M W-P

 

Fra solen kommer der stråling både i synligt lys, infrarødt og ultraviolet.

Målt i rummet er der en effekt på 1367 w/m2. For hele jorden bliver det ca. 1,7 * 1017 W (og det er rigtigt meget effekt set fra ethvert synspunkt). Her i Danmark er der en helt klar dag 910 w/m2 (på 1 flade vinkelret på strålingen) ved midsommer og 620 w/m2 ved midvinter (om vinteren står solen lavere og strålingen går længere igennem atmosfæren, bemærk i meteorologisk litteratur på en vandret flade i stedet). Værdierne varierer naturligvis med eventuelle variationer i solens afstand og udstråling.

En del af strålingen reflekteres af skyer og atmosfæren, en del absorberes i atmosfæren især er vanddamp en af de skyldige i infrarødt. I ultraviolet er en af skærmene ozonlaget (som skærmer os imod den hårde skadelige UV stråling).

Spektralfordelingen ses nedenfor:

Solspektrum udenfor atmosfæren (gult), og ved havoverfladen (rødt). Den sorte kurve viser spektralfordelingen fra et absolut sort legeme med solens overfladetemperatur. Det synlige område er indlagt med stiplede linjer. Bemærk hvor meget energi der ikke når jordoverfladen (det gule område - det røde område).Nogle af de dyk der er i den røde kurve, er mærket H2O, fordi det skyldes vanddamp.

Strålingen der kommer fra solen har sit maksimum omkring 580 nm (1 nm er 10-9 m) dvs. gult, når strålingen rammer jorden opvarmer det jordoverfladen, og den har vel i gennemsnit en temperatur imellem 0 og 20 graders celsius, det giver et maksimum af strålingen i infrarødt omkring 10 µm (1 µm = 1/1000 mm). Det er nærmere forklaret i to tidligere indlæg om planckstråling se:  http://www.nbi.ku.dk/spoerg_om_fysik/fysik/varmestraaling/ og  http://www.nbi.ku.dk/spoerg_om_fysik/fysik/straaling_fra_en_sort_flade/  

Nedenfor ses en graf, der viser den indkomne stråling, og den stråling der udsendes igen fra jorden,

Det røde område er solens indstråling, det blå jordens udstråling. Nedenunder er vist, hvor de forskellige drivhusgasser har absorption, svarende til de viste bølgelængder fra lyset. Man ser, at det totale resultat (øverste kurve) er at en meget stor del af strålingen fanges i atmosfæren. Nedenunder er de vigtigste drivhusgasser, som hindre udstrålingen ved absorption i atmosfæren. Her ser man, at vand er den betydeligste, men også kuldioxid fra forbrænding (og levende dyrs udånding), methan især fra forrådnelse og planteæderes maver spilder en rolle. Den nederste kurve er spredning af lyset i atmosfæren, så det ikke igen når ud i rummet. Fra Internettet.

Det ender så i et energiregnskab, hvor der stråles energi ind og noget forsvinder igen, her vist i NASAs model. Her ser man, at atmosfæren og skyer alene spejler ¼ af strålingen fra solen ud i rummet i første omgang (de gule pile) og efter opvarmning af jorden 2/3 (den store røde pil) af det der kom ned.

Der findes iøvrigt en del detaljerede spelktralmålinger på NASAs hjemmesider.

Pointen er altså den samme effekt som vinduerne i et drivhus, synligt lys går igennem, infrarødt lys fra den opvarmede jord stoppes af glasset.

Med venlig hilsen
Malte Olsen