الإشعاع الشمسي salar radiation

الإشعاع الشمسي
تعريف الإشعاع الشمسي ونصيب الأرض منه
...
3- الإشعاع الشمسي salar radiation
3- 1- تعريف الإشعاع الشمسي ونصيب الأرض منه:
الإشعاع الشمسي بمعناه العام solar radiation هو الطاقة الإشعاعية التي تطلقها الشمس في كل الاتجاهات، والتي تستمد منها كل الكواكب التابعة لها وأقمارها كل حرارة أسطحها وأجوائها، وهي طاقة ضخمة جدًّا يقدرها البعض بنحو170 ألف حصان لكل متر مربع من سطح الشمس، ولكن الأرض لا يصيبها إلا حوالي جزء من ألفي مليون جزء من هذه الطاقة، وهذا القدر الضئيل هو المسئول عن كل الطاقة الحرارية لسطح الأرض وغلافها الجوي، وهو الذي نقصده عادة عند الكلام على الإشعاع الشمسي كعنصر من عناصر المناخ، ويطلق عليه لفظ "إنسوليشن1 insulation.
3- 2- تركيبه:
يتكون الإشعاع الشمسي الواصل إلى الأرض "الأنسوليشن" من عدة أنواع من الأشعة المختلفة في ألوانها وأطوال موجاتها وخصائصها وعلاقتها بجو الأرض وسطحها وما يحدث فيهما من عمليات طبيعية وكيمائية وحيوية، وبما يعيش على الأرض من كائنات حية بمختلف الأشكال والأنواع.
فمن حيث ألوانها فإن الأشعة الشمسية والواصلة إلى جو الأرض تضم كل ألوان الطيف التي تظهر عند تحليل هذه الأشعة بواسطة منشور زجاجي أو عند سقوطها على السحب العالية وظهورها بشكل قوس ضوئي ملون يعرف باسم قوس قزحrainbow. وأهم ألوانه هي البنفسجية، والزرقاء، والخضراء والصفراء والحمراء، وإن امتزاج هذه الألوان ببعضها بعد احتجاز بعضها في أعلى الجو مثل بعض الأشعة الزرقاء والأشعة فوق البنفسجية هو الذي يكون ضوء الشمس.
أما من حيث طول الموجات فإن أطول الموجات هي موجات الأشعة تحت الحمراء وطولها 0.7 ميكرون والأشعة الضوئية وطولها 0.7 ميكرون، أما أقصرها فهي الأشعة فوق البنفسجية التي يقل طول موجاتها عن 0.4 ميكرون1، وفيما بين هاتين النهايتين فإن الأشعة المرئية التي يتكون منها ضوء الشمس موجاتها متوسطة. وهي أكثر الأشعة تأثيرًا على حرارة الأرض2. وعندما تصل أشعة الشمس عمومًا إلى سطح الأرض فإنه يمتص بعضًا منها ويحوله من موجات قصيرة إلى طاقة حرارية طويلة الموجات تنتقل وتتوزع رأسيًّا وأفقيًّا لتزود جو الأرض بالوقود اللازم لكل العمليات التي يتضمنها الطقس والمناخ، والتي ينتج عنها تباين الأحوال الحرارية من مكان إلى آخر ومن وقت إلى آخر.

حساب الطاقة الإشعاعية الواصلة إلى الأرض
الطاقة الإشعاعية الواصلة إلى أعلى الغلاف الجوي
...
3- 2- حساب الطاقة الإشعاعية الواصلة إلى الأرض
أ- الطاقة الإشعاعية الواصلة إلى الغلاف الجوي:
إن معظم الطاقة الإشعاعية التي تنطلق الشمس تكون بشكل موجات كهرومغناطسية تصل إلى أعلى الغلاف الجوي بشكل موجات قصيرة، وتتوقف كميتها على عاملين رئيسيين هما: المعامل الشمسي الثابثsolar constant والبعد بين الأرض والشمس، ومن المفروض أن نفس هذه الكمية هي التي كان من الممكن أن تصل إلى سطح الأرض إذا لم يعترضها الغلاف الجوي.
والمقصود بالمعامل الشمسي الثابت هو الطاقة الإشعاعية التي تقع على 1سم 2 من السطح العلوي للغلاف الجوي إذا ما سقطت عليه بشكل عمودي عندما تكون الأرض واقعة على بعدها المتوسط من الشمس وهو 148 مليون كيلومتر "93 مليون ميل". ومن الحسابات التي أجراها بعض الباحثين تبين أن هذا المعامل الثابت هو 13.94 سعر/ سم 2 / دقيقة1.
ولكن على الرغم من وصف المعامل بأنه ثابت Constant فإنه ليس في الواقع ثابتًا تمامًا بسبب ما يطرأ على سطح الشمس نفسها من تغيرات تترتب عليها تغيرات في الطاقة الإشعاعية المنطلقة منها، وبسبب اختلاف بعد الأرض عن الشمس في الصيف عنه في الشتاء، فالمعروف أن هذا البعد يبلغ أدناه في أول شهر يناير حيث يبلغ 146.4 مليون كيلومتر "91.5 مليون ميل" وعندئذ تكون الشمس في موضع الرأس بالنسبة للأرض Perihelion، ثم يبلغ أقصاه في أول شهر يوليو حيث يبلغ 151.2 مليون كيلومتر "94.5 مليون ميل" وتكون الشمس عندئذ في نقطة الذنب Aphelion، ونتيجة لهذا فإن الطاقة الشمسية التي تصل إلى أعلى جو الأرض تكون في الحالة الأولى أي في يناير 2.01 سعر/ سم 2 / دقيقة2. ومع ذلك فإن هذا الاختلاف ليس له تأثير مناخي يذكر بسبب تدخل العوامل الأخرى التي تؤثر على كمية الأشعة وقوتها وأهمها طول المسافة التي تقطعها الأشعة عند اختراقها للغلاف الجوي، والزاوية التي تسقط بها على الأرض، ودرجة صفاء الجو ومقدار ما به من سحب وغبار وبخار ماء، وطول النهار بالنسبة لطول الليل.
ونظرًا لأن مساحة سطح الكرة تعادل أربعة أمثال مساحة مقطعها العرضي فإن معدل الطاقة الإشعاعية التي تسقط على سطح سنتيمتر مربع من مقطع أفقي من سطحها في حالة عدم وجود غلاف جوي 0.25 من المعامل الثابت الذي يمثل ما يقع أعلى الغلاف الجوي وهو 1.94 سعر /سم 2 دقيقة أي
شكل"2" كميات الإشعاع التي يتلقاها كل 1سم 2 من السطح العلوي للغلاف الجوي "أو من سطح الأرض إذا افترضنا عدم وجود هذا الغلاف" في فصلي الصيف والشتاء وفي السنة على دوائر العرض المختلفة.

يكون 1.94 ÷ 4= 0.485سعر/ سم 2 / دقيقة1.
ويبين شكل"2" كميات الإشعاع التي يتلقاها كل1سم 2 من السطح العلوي للغلاف الجوي "أو من سطح الأرض إذا افترضنا عدم وجود هذا الغلاف" في فصلي الصيف والشتاء وفي السنة، وذلك على دوائر العرض المختلفة2 ومنه يتبين أن قمة الإشعاع السنوي، توجد على خط الاستواء وأدناها عند القطب، ولكن هذه القمة تتزحزح في فصل الصيف إلى خط عرض 23 ْ، أما في فصل الشتاء فيكون هناك تناقص تدريجي في الإشعاع من خط الاستواء إلى القطب.
ويبين شكل"3" توزيع المعدلات اليومية للإشعاع الشمسي في حالة عدم وجود غلاف جوي على دوائر العرض في تواريخ معينة، وهو يوضح بخطوط "الإشعاع الشمسي المتساوي" المحسوب بالسعرات على كل سنتيمتر مربع
شكل"3"
توزيع المعدلات اليومية للإشعاع الشمسي على دوائر العرض المختلفة على فرض عدم وجود غلاف جوي في تواريخ معينة.
في اليوم. ومن هذا الشكل يتضح أن قمة الإشعاع في فصل الصيف توجد في الأقاليم القطبية وأن حده الأدنى، وهو صفر، يوجد في نفس الأقاليم في الشتاء. وإلى جانب قمة الإشعاع الصيفية القطبية تظهر قمة أخرى ثانوية في نفس الفصل بين دائرتي عرض 40 ْو 50 ْفي نصفي الكرة، كما يمثلها خط الأشعة المتساوي 1000 سعر. وتتميز الأقاليم المحصورة بين المدارين بوجود قمتين للإشعاع نتيجة لتعامد الشمس عليها مرتين في أثناء تحركها نحو الشمال في فصل الصيف "الشمالي" وإلى الجنوب في فصل الشتاء.
ويبن الجدول"1" معدل كمية الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى أعلى الغلاف الجوي "أ" وكمية الإشعاع التي تصل سطح الأرض بعد اختراق الغلاف الجوي "ب" على بعض دوائر العرض في الانقلابين والاعتدالين.
جدول "1" معدل كمية الإشعاع الشمسي التي تصل إلى أعلى الغلاف الجوي "أ" وكمية الإشعاع التي تصل إلى سطح الأرض بعد اختراق هذا الغلاف "ب" على دوائر العرض المختلفة في التواريخ التي تمثل الاعتدالين والانقلابين "بالسعرات/ سم 2 / دقيقة"1.
ويتبين من هذا الجدول أن الغلاف الجوي يقلل كثيرًا من كمية الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى الأرض، وأنه في حالة عدم وجوده فإن المناطق القطبية يكون نصيبها من الأشعة في وقت الانقلاب الصيفي أكبر منه في أي نطاق آخر من سطح الكرة الأرضية، إلا أن وجود الغلاف الجوي، وميل الأشعة وطول المسافة التي تقطعها خلاله تقلل من الطاقة الإشعاعية التي تصل إلى الأرض في هذه المناطق. وبدلًا من ذلك فإن النطاق الذي يصيبه أكبر قدر من الأشعة هو النطاق المحصور بين دائرتي العرض 30 ْو 40،ْ وذلك بسبب جفافه، وقلة سحبه، حيث إنه يتفق مع نطاق الضغط المرتفع وراء المدار الذي يسود فيه الهواء الهابط الجاف. وإن نفس هذا العامل، وهو قلة السحب هو السبب في أن الإشعاع الشمسي في وقت الاعتدالين يصل إلى قمته فيما بين دائرتي العرض 10 ْو20 ْفي الاعتدال الربيعي وفيما بين دائرتي عرض 20 ْو30 ْفي الاعتدال الخريفي، وينطبق هذا عمومًا على نصفي الكرة الشمالي والجنوبي، مع بعض الاختلافات التي ترجع إلى زيادة اتساع الماء بالنسبة لليابس في النصف الجنوبي، وما ينتج عنه من زيادة في كميات السحب.
ب- الطاقة الإشعاعية المنتشرة Difuse Radiation:
ويقصد بها الإشعاع الذي يمتصه الجو ثم ينتشر منه إلى أعلى وإلى أسفل فيصل بعضه بالانتشار إلى سطح الأرض. ويطلق على هذا الإشعاع أحيانًا اسم "الإشعاع السمائي المنتشر1 Sky Radiation Difuse". وهو يساهم في حرارة سطح الأرض بقدر لا يقل عن القدر الذي يساهم به الإشعاع الشمسي المباشر. وتزداد مساهمته بصفة خاصة عندما تكون الشمس محتجبة بالسحب. ويبين الجدول رقم "2" مقدار هذا الإشعاع على حسب الحسابات التي أجراها باور وفليبس "1935". وبمقارنة هذا الإشعاع بالإشعاع الشمسي المباشر كما حسبه نفس الباحثين "الجدول رقم 1" تتبين أهمية الإشعاع المنتشر من السماء خصوصًا في العروض العليا وفي فصل الشتاء. كما يتبين أن هذا الإشعاع يمثل حتى في فصل الصيف نسبة لا يستهان بها من الإشعاع الواصل إلى سطح الأرض، كما أن توزيعه يتشابه مع التوزيع الفصلي للإشعاع الشمسي المباشر الذي يصل كذلك إلى سطح الأرض. ويبدو هذا واضحًا بصفة خاصة في العروض الواقعة بين دائرتي عرض 60 ْو 90 ْفي 21 يونيو، ففي هذه العروض يزيد الإشعاع السمائي المنتشر على الإشعاع الشمسي المباشر حتى في وقت الانقلاب الصيفي بسبب كثرة السحب، ويستثنى من ذلك وقت الاعتدال الربيعي الذي يزيد في أثنائه الإشعاع الشمسي المباشر عن الإشعاع السمائي المنتشر.
جدول "2" معدلات الإشعاع السمائي المنتشر نحو الأرض على دوائر العرض المختلفة "سعرات/ سم 2 / دقيقة".
المصدر" Hautwistz & Austin "1944", p.14

ج- تأثير الغلاف الجوي على الطاقة الإشعاعية:
إن الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى أعلى الغلاف الجوي لا يستطيع أن يصل كله إلى سطح الأرض؛ لأن نسبة كبيرة منه تُفقد عند اختراقها لهذا الغلاف نتيجة لارتداد بعضه إلى الفضاء بواسطة "الألبيدو الأرضي" وامتصاص بعض آخر منه في الجو بواسطة المواد العالقة وغاز ثاني أكسيد الكربون.

والمقصود بالألبيدو الأرضي Earth's Aledo هو نسبة ما يرتد من الأشعة الشمسية نحو الفضاء دون أن يؤثر على جو الأرض أو على سطحها، وأهم العوامل التي تؤدي إلى هذا الارتداد هي السحب التي تساهم وحدها برد حوالي 23% من الإشعاع الشمسي الواصل إلى جو الأرض، وتليها المواد العالقة بالجو من غبار وبخار ماء، وهي تساهم في مجملها برد 9% من هذا الإشعاع، ويساهم سطح الأرض نفسه برد 2% منه. وعلى هذا الأساس فإن الألبيدو الأرضي يبلغ في جملته 34% من الأشعة الواصلة إلى أعلى الجو، فيكون مجموع ما تكسبه الأرض وجوها هو 66% منها1. إلا أن هذه النسب تتباين من وقت إلى آخر ومن مكان إلى آخر على حسب كمية السحب ودرجة صفاء الجو ومقدار ما يتعلق به من بخار الماء والهواء، ونوع الغطاء الذي يكسو سطح الأرض، إن كان صخريًّا أو مائيًّا أو جلديًّا أو نباتيًّا، فلكل نوع من هذه الغطاءات ألبيدو خاص به وأكبره هو ألبيدو سطح الجليد "شكل 4".
وتبلغ نسبه ما يمتص من الأشعة في الجو بواسطة بخار الماء والغبار حوالي 11% من جملتها، أما ما يمتص بواسطة الغازات في نفس الجو فيبلغ2% وتزداد هاتان النسبتان نوعًا ما، إذا كانت السماء محتجبة بالغيوم2. ولكن يلاحظ أن الأشعة التي تمتص في الجو لا تمثل كلها فاقدًا فعليًّا من الطاقة الإشعاعية؛ لأنها لا تريد كلها إلى الفضاء، إذ إنها تساعد على رفع درجة حرارة الطبقات التي تمتص فيها، كما تصل نسبة لا بأس بها منها بصورة أشعة منتشرة إلى سطح الأرض، وذلك بخلاف الأشعة التي ترتد إلى الفضاء بواسطة الألبيدو والتي تمثل خسارة فعلية لحرارة الأرض.
ولقد أثبتت بعض الدراسات أن الإشعاع الذي ينتشر من الجو نحو الأرض، والذي يعرف باسم الإشعاع السمائي المنتشر لا يقل أهمية عن الإشعاع المباشر في تزويدها بالحرارة، بل إنه قد يتفوق عليه عندما تكون الشمس محتجبة بالغيوم.
شكل "4"
النسبة بين ما يكسبه جو الأرض من الإشعاع الشمسي وما يخسره بسبب الألبيدو الأرضي
د- الميزانية الحرارية للأرض the earth's heat budjet:
المقصود بالميزانية الحرارية للأرض هو أن يكون هناك تعادل بين كمية الإشعاع التي يكتسبها جوها وسطحها، وكمية الإشعاع التي تنصرف منها إلى الفضاء. ويعتبر هذا التعادل شرطًا أساسيًّا لبقاء حرارة سطح الأرض وجوها ثابتة تقريبًا من سنة إلى أخرى لأنه لو حدث تفوق مستمر في الحرارة المكتسبة على حساب الحرارة المفقودة لالتهب سطح الأرض بكل ما عليه، ولو حدث من ناحية أخرى تفوق مستمر في الحرارة المنصرفة على حساب الحرارة المكتسبة لتجمد سطح الأرض بكل ما عليه.
ولكن هذا التوازن لا يظهر عادة إذا حسب في كل إقليم أو في كل فصل من فصول السنة على حدة، إذ إن ظروف بعض الأقاليم تساعدهم على ارتفاع
مكسبها الحراري أو زيادة خسارتها من وقت إلى آخر أو على مدار السنة ولكنه، أي التوازن الحراري، ويظهر إذا ما حسب بالنسبة لكل سطح الأرض، ولكل غلافها الجوي من سنة إلى أخرى حيث تؤدي عمليات التوزيع الحراري بواسطة الرياح والتيارات البحرية وعمليات الحمل convection والتبخر والتكثف إلى انتقال الحرارة من المناطق التي يتوفر فيها الإشعاع الشمسي إلى المناطق التي يوجد فيها هذا الإشعاع فيؤدي هذا الانتقال إلى أن يبقى إجمالي حرارة جو الأرض ثابتًا من سنة إلى أخرى.
والعناصر التي تساهم في الميزانية الحرارية للأرض كثيرة ومعقدة ولا يمكن فصل بعضها عن بعض، لا يسهل حسابها أو قياسها، وأهمها هي:
1- الطاقة الإشعاعية التي تصل إلى جو الأرض والتي تحسب بالسعرات علي كل سم 2 في الدقيقة أو الساعة أو اليوم، وذلك على أساس المعامل الشمسي الثابت، وهو 1.94 سعر/ سم 2 دقيقة، وما يطرأ على هذه الطاقة من تغير بسبب اختلاف بعد الأرض عن الشمس في الصيف عنه في الشتاء، وقد سبق أن تكلمنا على هذه الطاقة.
2- مقدار ما يرتد من الطاقة الإشعاعية إلى الفضاء بواسطة "الألبيدو الأرضي".
3- مقدار ما يمتص من هذه الطاقة في الجو بواسطة الغبار وبخار الماء وثاني أكسيد الكربون، وبواسطة الأوزون في المستويات الأعلى من الجو.
4- انتشار الطاقة الإشعاعية التي يمتصها الجو نحو الأرض ونحو الفضاء ويطلق عليها كما سبق أن ذكرنا الإشعاع السمائي المنتشر Difuse Sky.Radiation
5- امتصاص سطح الأرض للأشعة وتحويلها إلى طاقة حرارية تنطلق إلى الجو في موجات طويلة.
6- استخدام بعض الطاقة في عمليات تبخر المياه واحتفاظ البخار بها بصورة حرارة كامنة latent heat ثم انطلاقها منه عند التكثف ولكن مهما كان تعقد العناصر التي تساهم في الميزانية الحرارية وتعددها وتداخل بعضها في بعض فلا بد أن تكون محصلتها النهائية هي تعادل جملة ما تكسبه الأرض من الطاقة الإشعاعية مع جملة ما يعود منها إلى الفضاء. ورغم صعوبة قياس عناصر الميزانية الأرضية فإن بعض الباحثين اقترحوا تقديرات تقريبية لبعضها، ومثال ذلك التقديرات التي وصفها الباحثين باور Baur وفيليبس Philipps في ألمانيا سنة 1935 والتي تتلخص فيما يلي:
- الطاقة الإشعاعية التي تصل إلى جو الأرض هي 700 سعر/ سم 2 / يوم، علي أساس أن المعامل الشمسي الثابت هو 1.94سعر/ سم 2 / دقيقة.
- 27% من هذه الطاقة يصل إلى سطح الأرض مباشرة.
- و16% تصل إلى سطح الأرض بالانتشار Difuse Radiation
- 15% تمتص في الجو بما فيه من سحب.
- فيكون مجموع ما تكسبه الأرض وجوها هو 58 %
أما الباقي وهو 42% فيرتد إلى الفضاء بواسطة الألبيدو*.
ولكن ليس معنى أن مكسب الأرض وجوها من الطاقة الشمسية يبلغ 58 % من الطاقة الإشعاعية الكلية الواصلة إلى جو الأرض أن هذا المكسب يبقى فيهما، بل إنه لا بد أن يعود كله في النهاية إلى الفضاء حتى تظل الميزانية الحرارية للأرض ثابتة.
3- 4- التوزيع الجغرافي للإشعاع الشمسي:
تكلمنا فيما سبق على الطاقة الإشعاعية الشمسية بالنسبة للكرة الأرضية عمومًا وأوضحنا دور الغلاف الجوي في تقليلها وكيف أن جملة ما تكسبه الأرض وجوها من هذه الطاقة في السنة لا بد أن يتعادل مع جملة ما يرتد منها إلى الفضاء، وأن هذا التعادل هو الذي يجعل للأرض ميزانية حرارية ثابتة من سنة إلى أخرى.
ولكن ليس معني هذا التوازن أن تكون كل أجزاء سطح الأرض أو كل أيام السنة متعادلة في مكسبها أو خسارتها من الإشعاع الشمسي؛ لأن توزيع هذا الإشعاع يختلف من مكان إلى آخر ومن فصل إلى آخر نتيجة لتأثره بعدة عوامل هي:
1- اختلاف الألبيدو الأرضي من مكان إلى آخر ومن وقت إلى آخر.
2- اختلاف البعد بين الأرض والشمس في الصيف عنه في الشتاء.
3- اختلاف طول الليل والنهار في العروض المختلفة وفي الفصول المختلفة.
4- اختلاف الزاوية التي تسقط بها أِشعة الشمس علي سطح الأرض.
وقد سبق أن تكلمنا على العاملين الأول والثاني وهما الألبيدو الأرضي والبعد بين الأرض والشمس، وذكرنا أن الألبيدو يختلف من مكان إلى آخر ومن فصل إلى آخر على حسب كمية السحب ودرجة صفاء الجو، وأن الأرض تكون أبعد عن الشمس في أول يوليو بنحو 4.8 مليون كيلو متر عنها في أول ديسمبر.
أما العاملين الثالث والرابع فمن الواضح أن كليهما، مرتبط بالموقع بالنسبة لدوائر العرض ارتباطًا مباشرًا، ففي فصل الصيف يتزايد طول النهار علي حساب طول الليل كلما اتجهنا نحو القطب حتى يصل طوله في يوم الانقلاب الصيفي "21يونيو" إلى 24 ساعة عند الدائرة القطبية وستة أشهر عند القطب، وتنعكس الآية في فصل الشتاء، كما يتبين من الجدول "3".
جدول "3"
أكبر طول للنهار في العروض المختلفة "21 يونيو" في نصف الكرة الشمالي.
"21 يونيو" في نصف الكرة الشمالي
دوائر العرض صفرْ 41 ْ 63 ْ 66.5 ْ 67 ْ 78 ْ 90 ْ
طول نهار 12 15 20 24 30يوم 4 أشهر 6 أشهر
"ساعة"
وكذلك بالنسبة للزاوية التي تسقط بها أشعة الشمس على الأرض فإن هذه الزاوية تكاد تكون قائمة عند دائرة الاستواء في معظم شهور السنة، وخصوصًا في فصلي الاعتدالين، ثم تصغر كلما اتجهنا نحو القطبين حيث يزداد ميل الأشعة وخصوصًا في فصل الشتاء، كما أن زاوية سقوط الأشعة تتغير كذلك خلال اليوم الواحد بحيث تبلغ أدناها عند الشروق وتزداد تدريجيًّا حتى تصل إلى أكبرها في وقت الزوال، ثم تتناقص مرة أخرى حتى تصل إلى أدناها عند الغروب.
والمعروف أن قوة الأشعة تتناسب طرديًّا مع زاوية سقوطها، فهي تبلغ أقصى قوتها إذا كانت زاوية سقوطها 90،ْ وتوصف الأشعة في هذه الحالة بأنها عمودية، وإذا نقصت هذه الزاوية فإن الأشعة تكون مائلة، وكلما نقصت زاوية سقوطها ازداد ميلها وضعفت قوتها لأنها في هذه الحالة تقطع مسافة أطول عند اختراقها للغلاف الجوي وتتوزع في نفس الوقت على مساحة أكبر من سطح الأرض.
وفي ضوء الحقائق فإن المعدل السنوي للإشعاع الشمسي يبلغ أقصى قوته عند خط الاستواء ويتناقص عمومًا نحو القطبين، ويقدر أن الإشعاع الشمسي الواصل إلى الأرض يكون عند خط الاستواء أربعة أمثاله عند أي من القطبين.
وعلى العموم فإن كمية الإشعاع الشمسي الواصل إلى الأرض تكون كبيرة طول السنة فيما بين المدارين ويكون تغيرها محدودًا من فصل إلى آخر. ولكن نظرًا لأن الشمس تتعامد على العروض الواقعة بينهما مرتين في أثناء تزحزحها شمالًا وجنوبًا فإن الإشعاع الشمسي عليها تكون له قمتان متفقتان تقريبًا مع مرتي تعامد الشمس، وأما في المناطق الواقعة بين أحد المدارين والدائرة القطبية فإن الإشعاع الشمسي يبلغ قمته في وقت الانقلاب الصيفي ويبلغ حده الأدنى في وقت الانقلاب الشتوي فإذا ما تجاوزنا الدائرة القطبية نحو القطب وجدنا أن نهار الصيف يزداد طوله من 24 ساعة، عند الدائرة القطبية نفسها في يوم الانقلاب الصيفي إلى ستة أشهر عند القطب، وتنعكس الآية في فصل الشتاء فلا تظهر الشمس لمدة 24 ساعة في يوم الانقلاب الشتوي، وتتزايد مدة اختفائها حتى تصل إلى ستة أشهر عند القطب، ونتيجة لهذا يكون هناك فائض في الأشعة في فصل الصيف ونقص شديد فيها في فصل الشتاء.
ولكن تقدير الإشعاع الشمسي الواصل إلى الأرض في العروض المختلفة لا يكفي وحده لتقدير صافي الإشعاع المكتسب في هذه العروض بل يجب أن يخصم منه الإشعاع المرتد إلى الفضاء، حيث إن الفرق بينهما هو الذي يحدد الوافر أو العجز في الميزانية الحرارية للأرض كما يتضح من شكل "5"1. ومنه يتبين أن هناك وفرًا حراريًّا في العروض المدارية ويقابله عجز في العروض العليا، وأن هناك تعادلًا بينهما حوالي دائرة عرض 30.ْ
شكل "5"
الميزانية الحرارية للأرض عند دوائر العرض المختلفة
وتبين الخريطة شكل "6" التوزيع السنوي للإشعاع الشمسي الكلي عند سطح الأرض2.
شكل "6"
التوزيع السنوي للإشعاع الشمسي الكلي على سطح الأرض

ومن هذه الخريطة يتبين أن التوزيع الفصلي للإشعاع الشمسي الواصل إلى سطح الأرض يتمشى تمامًا مع دوائر العرض حيث تتدخل في توزيعه عوامل أخرى أهمها صفاء الجو وكمية ما به من سحب ومواد عالقة، فحوالي دائرة عرض 20 ْ يسود الجفاف وتقل السحب بصفة عامة بسبب وجود الضغط المرتفع وراء المدار ولذلك فإن قمة الإشعاع الشمسي الواصل إلى الأرض تظهر على طول هذه الدائرة، بينما تؤدي كثرة السحب في مناطق أخرى إلى خفض هذا الإشعاع.

3- 5- قياس الإشعاع الشمسي كعنصر من عناصر المناخ:
إن المطلوب في المدارسة المناخية عادة هو قياس الإشعاع الشمسي على أساس عدد ساعات سطوع الشمس في اليوم ثم حساب متوسطاتها ومعدلاتها الشهرية والسنوية، والجهاز التقليدي المستخدم لهذا الغرض هو جهاز كامبل واستوكس، وهو مكون من كرة بلورية توضع في الشمس فتتجمع بواسطتها الأشعة في بؤرة تتحرك مع الشمس الظاهرية فتسجل حركتها على شريط خاص من الورق الداكن بشكل حرق طولي يظهر عندما تكون الشمس ساطعة ويختفي في حالة احتجابها بالسحب، ويمكن على هذا الأساس معرفة وقت سطوع الشمس وعدد ساعات سطوعها ابتداء من الشروق حتى الغروب "شكل7".
ونظرًا لأن خط سير البؤرة يتغير بتغير درجة ميل أشعة الشمس من فصل إلى آخر فقد صممت أشرطة الورق بثلاثة أشكال يستخدم أحدها في فصل الصيف وأحدها في فصل الشتاء والثالث في فصلي الربيع والخريف.
وإلى جانب حساب المعدلات اليومية والشهرية والسنوية لعدد ساعات سطوع الشمس فمن المهم كذلك قياس قوة الإشعاع الشمسي، وتستخدم في هذا القياس عدة أجهزة أهمها:
1- ترمومتر النهاية العظمى للإشعاع الشمسي، ومهمته هي قياس النهايةالعظمى للحرارة المستمدة من أشعة الشمس في اليوم. وهو عبارة عن ترمومتر موضوع داخل غلاف زجاجي مفرغ تمامًا من الهواء حتى لا يتأثر بحرارة الجو بل يتأثر فقط بأشعة الشمس التي تخترق الغلاف الزجاجي وترفع درجة حرارة الزئبق في المستودع "شكل8".
شكل "8" ترمومتر النهاية العظمى للإشعاع الشمسي
2- جهاز قياس تأثير الأشعة الشمسية على الأجسام المعتمة والأجسام اللامعة، وهو مكون من ترمومترين أحدهما ذو فقاعة مغطاة بمادة سوداء والثاني فقاعته لامعة، وتعرض فقاعتاهما لأشعة الشمس طول مدة سطوعها، ويدل الفرق بينهما على قدرة الأجسام المعتمة على امتصاص الأشعة وقدرة الأجسام اللامعة على ردها.
3- البرهيليومتر "شكل9"- وهو جهاز إليكتروني به لوحتان إحداهما بيضاء والثانية، سوداء، فعندما تسقط الأشعة تنعكس من على سطح اللوحة البيضاء بينما تمتصها اللوحة السوداء، وتسجل تأثير الأشعة عليها إليكترونيًّا، ويدل الفرق بينهما على مقدار الأشعة التي يمكن أن تمتصها الأجسام المعتمة
شكل "9" برهيليومتر
4- جهاز قياس الطاقة الإشعاعية على أساس قدرتها على تبخير مقادير معينه من الماء، ويشتهر هذا الجهاز باسم راديومتر بيلاني Bellani Radiometer نسبة إلى اسم مخترعه "1826". ولهذا الجهاز فائدة مزدوجة إذ إنه يسجل مقدار الطاقة الواصلة من الشمس، كما يبين في نفس الوقت مقدار التبخر الناتج عنها. ويوجد في هذا الجهاز مستودع كروي محفوظ داخل كرة زجاجية ومتصل بأنبوبة شعرية يخرج منها البخار ليدخل في أنبوبة متسعة حيث يتكثف بها وتتجمع المياه الناتجة في طرفها حيث تقاس بواسطة مقياس مدرج موضوع فيها، وهذا الجهاز يقرأ يوميًّا، وعند إعادة استخدامه لا بد أن يقلب ليعود كل الماء المكثف إلى المستودع.
5- حساب الإشعاع الشمسي بالطرق الرياضية:
إلى جانب قياس الإشعاع الشمسي بالأجهزة السابقة فإن الطاقة الشمسية يمكن أن تحسب كذلك بالطرق الرياضية التي تدخل حساباتها عدة متغيرات أهمها عدد ساعات سطوع الشمس ونسبة ما يتغطى من السماء بالسحب. وقد اقترحت لذلك عدة معادلات من بينها المعادلة الآتية1، وهي معادلة انحدار خطي بسيط Regression Equation
ش ع
__________
= أ+ ب "
__________
"
ش ن
وفيها ش، ش هما مقدار ما يقع من الأشعة على سنتيمتر مربع من سطح الأرض ومقدار ما كان من الممكن أن يقع عليه إذا لم يكن هناك غلاف جوي. وتوجد جداول خاصة تبين مقدار هذا الإشعاع في أيام السنة على العروض المختلفة.
أما أ، ب فثابتان يستخرجان من حساب العلاقة بين المعدل الشهري لكل من الإشعاع الشمسي وعدد ساعات سطوع الشمس في المكان المراد حساب الإشعاع الشمسي به.
أما ع فهي عدد الساعات الفعلية لسطوع الشمس في اليوم، كما يدل عليها جهاز كامبل وستوكس.
أما ن فهي عدد الساعات المفترضة لسطوع الشمس، وهي تعني طول النهار على حسب ما هو معروف على دوائر العرض المختلفة.

__________
1 كلمة insulation مكونة من ثلاثة مقاطع يشمل المقطعان الأولان منها الحرفين الأولين من كلمتي solar incomimg بينما يشمل المقطع الثالث الحروف الأخيرة كلمة radiation.
1 Haurwitz,B.4 Austin, J.M. "1944" Climtaology" N.Y.P.5
2 Wiener, C.J."1970",op.ii
1 Haurwtz 4 Austin.op cit p6
2 Ibid p
1 Haurwitz 4 Austin "1944" Ibid.p.12
1 cnitch field. op cit. p. 15
1 critch fied. op. cit
2 wiesner. op.cit
* نظرًا لأن الألبيدو الأرضي يتغير من وقت إلى آخر ومن مكان إلى آخر بسبب تغير العوامل المؤثرة فيه، فليس هناك اتفاق تام على تقديره - والأرقام المذكورة هنا مأخوذه من: haurwitz & austil "1942" p. 15
1 Critchfield p.20
2 Lbid.p.21
1 نعمان شحادة - "1983" المناخ العملي -عمان - صـ56

نموذج مستعمرة : النوع قائمة

بث مباشر || قناة القرآن الكريم || Makkah Live

قائمة

الروابط

الروابط

الروابط

ديموفنف 4

مواقع التواصل

نموذج مستعمرة : النوع قائمة

بث مباشر || قناة القرآن الكريم || Makkah Live

قائمة