49^ο ΓΕΝΙΚΟ ΛΥΚΕΙΟ ΑΘΗΝΩΝ

ΔΙΑΝΟΜΗ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΣΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΓΗ  - ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ

   Κάθε σώμα εκπέμπει προς το περιβάλλον, αλλά και απορροφά από αυτό ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Η ακτινοβολία που εκπέμπει κάθε σώμα είναι ένα σύνολο επί μέρους μονοχρωματικών ακτινοβολιών το οποίο ονομάζεται φάσμα. Το φάσμα των στερεών σωμάτων είναι συνεχές ενώ των αερίων ασυνεχές.

ΦΑΣΜΑ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ

                               ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ

                                προσπίπτουσα ακτινοβολία

Το καθένα από τα μήκη κύματος αυτού του φάσματος αλληλεπιδρά (σκεδάζεται και απορροφάται) με διαφορετικό τρόπο με τα συστατικά της γήινης ατμόσφαιρας (π.χ. υδρατμούς, όζον και άλλα αέρια, νεφοσταγόνες, παγοκρυστάλλους) και διεισδύει με διαφορετικό τρόπο στην ατμόσφαιρα της Γης προσπίπτουσα ακτινοβολία, τα μεγαλύτερα μήκη κύματος (λ>300nm) διεισδύουν μέχρι την επιφάνεια της Γης

   Το φάσμα  που εκπέμπεται από τον ήλιο είναι κατά το μεγαλύτερο της ποσοστό ηλεκτρομαγνητικής φύσης και κατά το υπόλοιπο σωματιδιακής.

Το φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που εκπέμπει ο Ήλιος

Ατμόσφαιρα της Γης

   Ατμόσφαιρα ονομάζουμε το αεριώδες τμήμα του πλανήτη που τον περιβάλλει και τον ακολουθεί στο σύνολο των κινήσεών του. Η ατμοσφαιρική μάζα μειώνεται εκθετικά με το ύψος. Το ύψος μέχρι του οποίου εκτείνεται η ατμόσφαιρα της γης δεν είναι ακριβώς γνωστό, διότι τα ανώτερα στρώματα της  ατμόσφαιρας είναι αραιά και είναι αδύνατο να καθοριστεί σαφώς το όριο της στο ενδοπλανητικό χώρο.

   Με βάση τη μεταβολή της θερμοκρασίας με το ύψος μπορούμε να διακρίνουμε την ατμόσφαιρα σε πέντε χαρακτηριστικές περιοχές πάνω από την επιφάνεια του εδάφους:

   Την  Τροπόσφαιρα, την Στρατόσφαιρα, την Μεσόσφαιρα, την Θερμόσφαιρα και την Εξώσφαιρα. Ανάμεσα σε αυτές υπάρχουν μεταβατικές ζώνες αρκετού πάχους :

η Τροπόπαυση, η Στρατόπαυση, η Μεσόπαυση και η Θερμόπαυση.
Τροπόσφαιρα
   Στην περιοχή αυτή της ατμόσφαιρας συμβαίνει σχεδόν το σύνολο των μετεωρολογικών φαινομένων. Επίσης το σύνολο της μάζας του νερού βρίσκεται και μετασχηματίζεται στην Τροπόσφαιρα. Το ύψος αυτής είναι στις τροπικές περιοχές 16km – 17km, στις εύκρατες περιοχές 11km -12km και στις πολικές περιοχές 7km – 8km.
Στρατόσφαιρα
   Πάνω από την Τροπόσφαιρα είναι η Στρατόσφαιρα μέσα στην οποία η θερμοκρασία από την Τροπόπαυση και μέχρι ύψος  35km παρουσιάζει μια μικρή αύξηση με το ύψος. Πάνω από το ύψος αυτό η θερμοκρασία αρχίζει και αυξάνεται σημαντικά, και στο ύψος 50km- 55km αποκτά τη μέγιστη θερμοκρασία 0⁰C. Από 25km – 50km υπάρχει όζον το οποίο απορροφά την υπεριώδη ακτινοβολία. Το στρώμα αυτό λέγεται Οζονόσφαιρα. 
Μεσόσφαιρα: Στο στρώμα αυτό η θερμοκρασία ελαττώνεται συνεχώς μέχρι 80km.

Θερμόσφαιρα:  Τα πρώτα 10km η θερμοκρασία είναι ισόθερμη, από κει και πέρα μέχρι 500km η θερμοκρασία αυξάνει και φθάνει μέχρι 750⁰C
Εξώσφαιρα: Είναι το τμήμα εκείνο της ατμόσφαιρας που χάνεται στο κοσμικό διάστημα. Η περιοχή αυτή είναι ισόθερμη 
Η περιοχή πέρα τα 80km λέγεται Ιονόσφαιρα διότι υπάρχει έντονη παρουσία ιονισμένων σωματιδίων.

     Προσλαμβανόμενη ηλιακή ενέργεια ΨΥΧΡΗΣ ΠΕΡΙΟΔΟΥ 179 ημέρες (20/21 Μαρτίου – 22/23 Σεπτεμβρίου)
    Προσλαμβανόμενη ενέργεια ΘΕΡΜΗΣ ΠΕΡΙΟΔΟΥ ημέρες 186 ημέρες (22/23 Σεπτεμβρίου – 20/21 Μαρτίου)
    Η ψυχρή περίοδος του έτους είναι ελαφρώς μικρότερη από τη θερμή
(η Γη κινείται γρηγορότερα στο περιήλιο από ότι στο αφήλιο σύμφωνα με τους νόμους του Keppler), όμως η ενέργεια που δέχεται ο πλανήτης κατά τις 2 περιόδους είναι η ίδια.

ΣΚΕΔΑΣΗ ΑΝΑΚΛΑΣΗ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΑΠΟ ΤΗ ΓΗ

    Η Ηλιακή ακτινοβολία διατρέχοντας την ατμοσφαιρική μάζα εξασθενεί:  η εξασθένιση αυτή οφείλεται σε φαινόμενα σκέδασης  και απορρόφησης. Τόσο το ένα γεγονός ή το άλλο είναι συνάρτηση του μήκους κύματος.

   Όταν το άθροισμα της ηλιακής ενέργειας που σκεδάζεται και εκείνης που διεισδύει μέσα στην ατμόσφαιρα είναι μικρότερο της αρχικής, τότε το υπόλοιπο αποτελεί το ποσό που απορροφάται από την ατμόσφαιρα. Το απορροφώμενο αυτό ποσό συμβάλλει στην αλλαγή της θερμοκρασίας της ατμοσφαιρικής μάζας, συμβάλλει σε ενδόθερμες χημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν κυρίως στην ανώτερη ατμόσφαιρα καθώς και σ’ ένα πλήθος άλλων φυσικοχημικών μεταβολών.

   Όταν φθάνει στην ατμόσφαιρα της Γης η Ηλιακή ακτινοβολία, αυτή προσπίπτει στην κορυφή της κατά 100%. Εν συνεχεία  ένα μέρος της ανακλάται από την ατμόσφαιρα το 6%.

Όταν η ηλιακή ακτινοβολία συναντήσει τα νέφη, αυτή ανακλάται κατά το 20%, λειτουργούν ως κάτοπτρα για τον πλανήτη μας … (τον ψύχουν)

(θα μπορούσαν θεωρητικά να αντισταθμίσουν την πλανητική θέρμανση...)

   Τέλος όταν προσπίπτει στην επιφάνεια της Γης ανακλάται το 4%.

Συγχρόνως ένα μέρος της ακτινοβολίας

•     Απορροφάται από την ατμόσφαιρα ( αέρια- αερολύματα )16%

•     Απορροφάται από τα νέφη 3%

•     Απορροφάται από ξηρά-ωκεανούς 51%

Βέβαια τα παραπάνω ποσοστά αλλάζουν ανάλογα:

(i) με το γεωγραφικό μήκος (λ)

(ii) με το γεωγραφικό πλάτος (φ)     

(iii) με το χρόνο (t)

   Με τον όρο σκέδαση ή σκέδαση του φωτός ονομάζεται ο διασκορπισμός των φωτεινών ακτινών που ακολουθεί όταν προσπέσουν σε μικροσκοπικά σωματίδια, έτσι ώστε να διαχέονται στο χώρο χωρίς να φαίνονται αυτές. Η σκέδαση είναι προϊόν πολλαπλής ανάκλασης.
Οι ηλιακές ακτίνες, για παράδειγμα, όταν φτάσουν στην ατμόσφαιρα της Γης πέφτουν πάνω στα σωματίδια της σκόνης ή τα σταγονίδια νερού που αιωρούνται τα οποία και τις διασκορπίζουν με πολλές ανακλάσεις που δημιουργούν.

Σκέδαση του φωτός στα αιωρούμενα σωματίδια της ατμόσφαιρας

   Η σκέδαση της ηλιακής ακτινοβολίας οφείλεται τόσο στην ύπαρξη των αιωρουμένων σωματιδίων (aerosols) (φαινόμενο σκέδασης Μie),  όσο και των  µορίων της ατμόσφαιρας (φαινόμενο σκέδασης Rayleigh).
   Και στις δύο περιπτώσεις το μήκος κύματος της ακτινοβολίας  που επανεκπέμπεται παραμένει σταθερό  (ελαστική σκέδαση).

   Στη σκέδαση Mie σημαντικό ρόλο παίζει το μέγεθος του σκεδάζοντος σωματιδίου σε σχέση με το μήκος κύματος λ της προσπίπτουσας ακτινοβολίας, καθώς επίσης και οι οπτικές ιδιότητες των σωματιδίων που σχετίζονται με τον δείκτη διάθλασής τους.  

   Αντίστοιχα  µε τη σκέδαση,  η αναρροφούμενη ενέργεια  Fabs  (σε W)  από τα αιωρούμενα σωματίδια είναι ανάλογη της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας έντασης.

   Στη σκέδαση Rayleigh τα σκεδάζοντα σωμάτια (µόρια)  της ατμόσφαιρας έχουν διάμετρο μικρότερη από το μήκος κύματος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας (α<1)     (πχ. για το ορατό φως έχουμε σωμάτια διαμέτρου      ≤ 0.1 µm). Η σκέδαση από τη µοριακή ατμόσφαιρα (σκέδαση Rayleigh)  είναι αντιστρόφως ανάλογη της τέταρτης δύναμης του λ ( μήκος κύματος), έτσι η ηλιακή ακτινοβολία  µε μικρότερο μήκος κύματος  (πχ. μπλε περιοχή του φάσματος λ≈450 nm) σκεδάζεται εντονότερα απ’ ότι η ακτινοβολία στην ερυθρά περιοχή του φάσματος (λ≈650 nm), κάτι που εξηγεί και το μπλε χρώμα του καθαρού ουρανού.

   Άλλα  φυσικά φαινόμενα σκέδασης είναι το λυκαυγές, το λυκόφως, που παρατηρούνται προ της ανατολής και μετά τη δύση του Ήλιου αντίστοιχα, η ελαφριά ομίχλη που παρατηρείται περισσότερο το μεσημέρι μέσα στο Κατακαλόκαιρο.

   Μια πειραματική απόδειξη του φαινομένου σκέδασης είναι με ένα φακό να φωτίσουμε ένα ποτήρι νερό που έχει προστεθεί λίγη σκόνη γάλακτος. Τα σωματίδια του γάλακτος αιωρούμενα σκεδάζουν εντονότερα τις μπλε ακτίνες δίνοντας στο ποτήρι χαρακτηριστική απόχρωση.

Φυσικό φαινόμενο σκέδασης είναι  το λυκόφως

   Αντίθετα προς τη σκέδαση της ηλιακής ακτινοβολίας η οποία είναι μια συνεχή συνάρτηση του μήκους κύματος, η απορρόφηση είναι γενικώς επιλεκτική. Τα συστατικά της ατμόσφαιρας λόγω της μοριακής τους δομής προκαλούν σημαντική απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας τόσο στο υπεριώδες όσο και στο υπέρυθρο. Στο ορατό τμήμα του φάσματος η απορροφητική τους δράση είναι γενικά μικρή και οφείλεται κυρίως στο όζον. Η απορρόφηση που παρατηρείται στο υπεριώδες έχει σαν αποτελέσματα φυσικά και χημικά φαινόμενα, όπως διασπάσεις μορίων ή διεγέρσεις και ιονισμούς ατόμων καθώς και αύξηση της κινητικής ενέργειας των σωματιδίων.

   Αντίθετα  η απορρόφηση που παρατηρείται στο υπέρυθρο έχει σαν αποτέλεσμα μόνο την αύξηση της κινητικής ενέργειας τόσο της μεταφορικής όσο και εκείνης της ταλαντώσεως και της περιστροφής μορίων.

   Η απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας μικρού μήκους κύματος καθώς αυτή διεισδύει μέσα στην ατμόσφαιρα δεν είναι σταθερή αφού τα συστατικά της ατμόσφαιρας που την απορροφούν, κυρίως το όζον, δεν παρουσιάζουν ομοιόμορφη κατανομή με το ύψος.

Τα μήκη κύματος που επιτρέπουν σε μεγάλο τμήμα μιας ακτινοβολίας να περάσει μέσω της ατμόσφαιρας, ονομάζονται «ατμοσφαιρικά παράθυρα». Ευτυχώς ανάμεσα σε αυτά είναι και το μεγαλύτερο μέρος των ορατών ακτινών (διαφορετικά το φως δεν θα έφτανε ποτέ στην επιφάνεια της γης)

   Έτσι,  η απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας που φθάνει στο έδαφος προκαλείται από τα διάφορα αέρια της ατμόσφαιρας και ειδικότερα από τους υδρατμούς (Η2Ο), το οξυγόνο (Ο2), το όζον  (Ο3), το διοξείδιο του άνθρακα (CO2),  το  μεθάνιο (CH4), το πρωτοξείδιο του αζώτου (N2O), κλπ. Τα παραπάνω αέρια παίζουν επομένως κυρίαρχο ρόλο στο φαινόμενο του θερμοκηπίου. 

   Ενδεικτικά τα αέρια CO, CH4, N2O, Ο3, CO2  και Η2Ο απορροφούν έντονα στο υπέρυθρο τμήμα του φάσματος, ενώ μεταξύ 8-12 µm, παρατηρούμε την ύπαρξη του λεγόμενου ατμοσφαιρικού παράθυρου στο θερμικό υπέρυθρο,  εντός του οποίου η απορροφητικότητα της ατμόσφαιρας είναι χαμηλή  (εκτός από τη ζώνη απορρόφησης του όζοντος στα 9.6 µm).

(α) Απορροφητικότητα της ατμόσφαιρας (%) για τα κυριότερα ατμοσφαιρικά αέρια, (β)

από το έδαφος έως την κορυφή της ατμόσφαιρας, (γ) από τα 11 χλμ. και άνω και (δ) για επιλεγμένα αέρια σε όλη την ατμόσφαιρα, σε συνάρτηση με το μήκος κύματος

•     Οι υδρατμοί απορροφούν στο  μακρινό υπεριώδες  (λ<186 nm) (ηλεκτρονικές  μεταπτώσεις),  στο υπέρυθρο στα 6.3 µm (ταλαντωτικές μεταπτώσεις στη ζώνη ν2), στα 2.6-3.3 µm (ταλαντωτικές μεταπτώσεις)  και σε λ>16 µm (περιστροφικές  μεταπτώσεις). 

•     Το CO₂ απορροφά έντονα στο υπέρυθρο στα 15 µm (ταλαντωτικές  μεταπτώσεις στη ζώνη ν2)  και στα 4.3 µm (ταλαντωτικές μεταπτώσεις στη ζώνη ν3).

•     Το Ο₃ απορροφά κυρίως στο υπεριώδες (ηλεκτρονικές μεταπτώσεις) σε συνεχές φάσμα (continuum)  από 200-310 nm (ζώνες Hartley)  και στα 310-350 nm (ζώνες Huggins), αλλά και στο ορατό 400-850 nm (Chappuis).  Διαθέτει επίσης τρεις ζώνες απορρόφησης  (λόγω ταλαντωτικών-περιστροφικών  μεταπτώσεων)  στο υπέρυθρο 9.1 µm (ν1), 14.1 µm (ν2) και 9.6 µm (ν3), οι οποίες είναι ασθενέστερες από αυτές του υπεριώδους.

•     Το Ν₂Ο απορροφά κυρίως στο υπέρυθρο (4.5 µm, 7.8 µm και 17 µm). 

•     Τέλος, το ΝΟ₂ απορροφά κυρίως στην περιοχή του ορατού.

Ο σημαντικότερος απορροφητής του ορατού τμήματος της ηλιακής ακτινοβολίας είναι το όζον, επίσης ο υδρατμός απορροφά  στενές ζώνες του ερυθρού τμήματος του φάσματος.

Φαινόμενο θερμοκηπίου

Η ηλιακή ακτινοβολία διατρέχοντας την ατμοσφαιρική μάζα συνεχώς εξασθενεί τόσο λόγω σκεδάσεως όσο και λόγω απορροφήσεως.

Στους μεγάλους οικισμούς η επιβάρυνση της ατμόσφαιρας από ανεπιθύμητα υλικά, προϊόντα της ανθρώπινης δραστηριότητας, είναι σημαντική. Η επιβάρυνση αυτή φαίνεται από τη σχετική εξασθένηση που υφίσταται η ηλιακή ακτινοβολία που φθάνει στο κέντρο μιας μεγάλης πόλης σε σχέση  με εκείνη που φθάνει σε μια περιοχή με ήπια ανθρώπινη δραστηριότητα. Η ατμόσφαιρα βέβαια έχει τρόπους να αυτοκαθαρίζεται.     Δύο είναι οι τρόποι που μπορεί η ατμόσφαιρα να αποφορτιστεί από ένα μέρος των πρόσθετων αερολυμάτων μέσα σε αυτήν. Ο ένας τρόπος είναι η βροχή και ο άλλος η αντικατάσταση της ατμοσφαιρικής μάζας από άλλη καθαρότερη ( ο άνεμος ).

   Ορισμένα σωματίδια, όπως η σκόνη, ευνοούν το σχηματισμό νεφών τα οποία ανακλούν την ηλιακή ακτινοβολία πίσω στο Διάστημα και δροσίζουν έτσι τον πλανήτη. Ανακλαστικές ιδιότητες έχουν και άλλοι αέριοι ρύποι, όπως το διοξείδιο του θείου.

    Ωστόσο, άλλα αερολύματα, όπως η αιθάλη, έχουν την αντίθετη επίδραση καθώς απορροφούν τη θερμική ακτινοβολία αντί να την ανακλούν.

Σε σώμα που βρίσκεται σε θερμοδυναμική ισορροπία με το περιβάλλον, το πηλίκο του φασματικού τύπου εκπομπής και του φασματικού συντελεστή απορρόφησης, ισούται με το φασματικό τύπο εκπομπής, που θα είχε το σώμα αυτό αν ήταν μέλαν. Επίσης ένα αέριο απορροφά εκείνες μόνο τις ακτινοβολίες τις οποίες μπορεί να εκπέμψει, όταν βρίσκεται σε κατάσταση διεγέρσεως.