Jak źródło masy powietrza wpływa na natężenie promieniowania słonecznego w porównywalnych warunkach zachmurzenia?

Często nas pytacie od czego zależy kolor nieba? Na to pytanie próbował odpowiedzieć w XIX wieku angielski fizyk John Strutt Rayleigh, który odkrył, że gdy światło słoneczne zderza się z cząsteczkami w atmosferze, to jego niebieska część jest odbijana w kierunku Ziemi, dzięki temu widzimy niebo najczęściej w kolorze niebieskim. Od tej pory wiemy, że zjawisko błękitnego nieba jest wynikiem współdziałania światła słonecznego i atmosfery.

Widoczny kolor nieba obejmuje fale o długości od 350 nm (kolor fioletowy), do 750 nm (kolor czerwony). Fale światła słonecznego docierając do Ziemi przez atmosferę załamują się pod różnym kątem powodując tzw. zniekształcenie chromatyczne. W wyniku również odbijania promieni słonecznych, a więc dyspersji optycznej - kolor fioletowy widma zmienia się na zielony, niebieski, żółty, pomarańczowy aż do czerwonego. W świetle dziennym obecne są wszystkie barwy, ale dla nas najbardziej widoczna jest niebieska, gdyż rozsiewa się ona najintensywniej, dlatego najczęściej mówimy o błękicie nieba.

Na zmianę koloru nieba ma również wpływ zawartości powietrza, a więc stężenia kropelek wody, kryształków lodu i wszelkich aerozoli (zanieczyszczeń), przez które promienie słoneczne są rozpraszane. Generalnie, im więcej elementów „mącących” atmosferę, tym błękit nieba jest jaśniejszy. Widać to zwłaszcza podczas suchej i słonecznej pogody, gdy niebo może wydawać się białe. Podczas letnich wyżów, barwa niebieska jest często blada. Wynika to ze wzrostu ilości cząsteczek pyłów w atmosferze. W takim przypadku widzialność pozioma zdecydowanie spada, a na horyzoncie widać wyraźne zamglenie.

W ten sposób doszliśmy do momentu, kiedy rozumiemy, że nie tylko wielkość zachmurzenia, ale także koncentracja aerozoli w konkretnej masie powietrza ma znaczenie dla wielkości natężenia promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni ziemi.

Wielkość natężenia promieniowania słonecznego ma przełożenie na produkcję energii elektrycznej w instalacjach fotowoltaicznych

Aby to lepiej zrozumieć, porównamy 19 i 22 dzień lutego 2019 roku w Warszawie, gdy niebo od wschodu do zachodu Słońca było na ogół bezchmurne. Dane pomiarowe pochodzą ze stacji badawczej IGW Uniwersytetu Warszawskiego.

19 lutego maksymalne natężenie promieniowania słonecznego w Warszawie wyniosło 445 W/m2, a dziś 22 lutego 500 W/m2. Różnica wyniosła więc 55 W/m2, mimo porównywalnej wielkości zachmurzenia.

Wielkość zachmurzenia w Polsce około południa, 19 lutego br.

Wielkość zachmurzenia w Polsce około południa, 22 lutego br. (kolor biały w rejonie Warszawy, to śnieg, który spadł w czasie przejścia chłodnego frontu w nocy 21/22.02)

Pomiar natężenia promieniowania całkowitego i długofalowego w Warszawie, 19 lutego 2019 roku

Pomiar natężenia promieniowania całkowitego i długofalowego w Warszawie, 22 lutego 2019 roku

Różnice spowodowała masa powietrza, która miały inny poziom koncentracji aerozoli. We wtorek 19.02 do Polski napływało wilgotniejsze i cieplejsze powietrze znad Niemiec i Czech, a dziś 22.02 napłynęła bardzo czysta masa powietrza wprost z Arktyki.

Trajektoria wsteczna napływającej masy powietrza 19 lutego br.

Trajektoria wsteczna napływającej masy powietrza 22 lutego br.

Inny przykład możemy przypomnieć z 17 sierpnia 2018 roku, gdy ze względu na obecność aerozoli w atmosferze pochodzących z pożarów w Ameryce Północnej, promieniowanie słoneczne dochodzące do powierzchni ziemi w Polsce uległo zredukowaniu w godzinach południowych o ok. 50 W/m2, co stanowiło ok. 6-8%.

Foto: NASA, dane IGW UW, SolarAOT