Menu

Panels Photovoltaische Solarenergie

Installation solarthermischer

Solarkraftwerk
Thermo

Sonnenstrahlung

Sonnenstrahlung

Sonnenstrahlung ist die Strahlungsenergie, die im interplanetaren Raum der Sonne emittiert wird.

Diese Strahlung wird durch Kernfusionsreaktionen erzeugt, die im Sonnenkern auftreten. Kernstrahlung erzeugt elektromagnetische Strahlung mit verschiedenen Frequenzen oder Wellenlängen. Elektromagnetische Strahlung breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit im Raum aus.

Warum ist Sonnenstrahlung wichtig?

Solarenergie ist die Hauptenergiequelle und daher der Motor, der unsere Umwelt antreibt. Die Sonnenenergie, die wir durch Sonnenstrahlung erhalten, ist direkt oder indirekt für lebenswichtige Aspekte verantwortlich wie:

  • Photosynthese in Pflanzen
  • Aufrechterhaltung einer mit dem Leben kompatiblen Planetentemperatur.
  • vom Wind.

Die Sonnenenergie, die die Erdoberfläche erreicht, ist 10.000-mal höher als die Energie, die derzeit von der gesamten Menschheit verbraucht wird.

Was bedeutet Strahlung?

Strahlung ist die Übertragung von Energie durch elektromagnetische Wellen.

Die Strahlung erfolgt direkt von der Quelle nach außen in alle Richtungen. Diese Wellen benötigen kein materielles Medium, um sich auszubreiten. Sie können den interplanetaren Raum durchqueren und die Erde von der Sonne aus erreichen.

Die Wellenlänge und Frequenz elektromagnetischer Wellen sind wichtig für die Bestimmung ihrer Energie, ihrer Sichtbarkeit und ihrer Durchdringungskraft.

Alle elektromagnetischen Wellen bewegen sich im Vakuum mit einer Geschwindigkeit von 299.792 km / s.

Was ist die Sonnenkonstante?

Die Sonnenkonstante ist die Energiemenge, die in Form von Sonnenstrahlung pro Zeiteinheit und Flächeneinheit empfangen wird.

Die Sonnenkonstante wird im äußeren Teil der Erdatmosphäre in einer Ebene senkrecht zu den Sonnenstrahlen gemessen. Die Ergebnisse ihrer Messung mit Satelliten ergeben einen Durchschnittswert von 1366 W / m2.

Arten von Sonnenstrahlung

Die Sonnenstrahlung enthält drei Arten von Strahlen:

  • 49% sind Infrarotstrahlen (IR), die Wärme liefern.
  • 43% sind sichtbare Strahlen (VI), die Licht liefern.
  • 7% sind ultraviolette (UV) Strahlen.
  • 1% sind andere Blitzarten.

Ultraviolette (UV) Strahlen werden wiederum in drei Typen unterteilt:

  • Ultraviolett A oder UVA: Sie passieren leicht die Atmosphäre und erreichen die gesamte Erdoberfläche.
  • Ultraviolett B oder UVB: Kurze Wellenlänge. Es ist schwieriger, die Atmosphäre zu durchqueren. Sie erreichen die Äquatorzone leichter als in hohen Breiten.
  • Ultraviolett C oder UVC: Kurze Wellenlänge. Sie gehen nicht durch die Atmosphäre. Sie werden von der Ozonschicht absorbiert.

Eigenschaften der Sonnenstrahlung

Die Sonnenstrahlung verteilt sich über ein breites Spektrum ungleichmäßiger Amplituden mit der typischen Form einer Glocke, wie es für das Spektrum eines schwarzen Körpers typisch ist, mit dem die Sonnenquelle modelliert wird. Daher ist es nicht auf eine einzelne Frequenz konzentriert.

Das Strahlungsmaximum wird auf das Strahlungs- oder sichtbare Lichtband mit einem Peak bei 500 nm außerhalb der Erdatmosphäre nach dem Wiener Gesetz fokussiert, das der cyangrünen Farbe entspricht.

Das photosynthetisch aktive Strahlungsband schwingt zwischen 400 und 700 nm, entspricht der sichtbaren Strahlung und entspricht 41% der Gesamtstrahlung. Innerhalb der photosynthetisch aktiven Strahlung befinden sich Teilbänder mit Strahlung:

  • blau-violett (400-490 nm)
  • grün (490-560 nm)
  • gelb (560-590 nm)
  • orangerot (590-700 nm)

Beim Durchqueren der Atmosphäre ist die Sonnenstrahlung in Abhängigkeit von der Frequenz in unterschiedlichem Maße Reflexions-, Brechungs-, Absorptions- und Diffusionsphänomenen durch die verschiedenen atmosphärischen Gase ausgesetzt. Folglich ist der Boden des Sonnenspektrums unregelmäßig im Vergleich zu dem in den äußeren Schwellenwerten der Atmosphäre mit typischen Absorptions- oder Reflexionsbändern festgestellten Boden.

Wie verbreitet sich Sonnenstrahlung in der Atmosphäre und auf der Erdoberfläche?

Aufgrund der Eigenschaften der Erdatmosphäre erfährt die Sonnenstrahlung bestimmte Veränderungen, um sie zu durchqueren und die Oberfläche zu erreichen.

Strahlungsbilanz

Im Durchschnitt erhält die Erde 1.366 W / m² (Sonnenkonstante) von der Sonne. Dies hängt mit den Schwellenwerten der Atmosphäre und der Ebene senkrecht zu den einfallenden Sonnenstrahlen zusammen. Es ist daher zu berücksichtigen, dass die Sonnenstrahlung einfällt Die Erde trifft täglich 1.440 Minuten lang auf eine Kugelkappe und sinkt um 75%. Die Atmosphäre wiederum filtert die Sonnenstrahlen bis zu einem gewissen Grad wie jeder Körper und verursacht:

  • Eine Reflexion und eine Rückstreuung von Strahlen aufgrund ihrer Albedo zu Wolken und atmosphärischen Gasen selbst.
  • Eine Absorption, die einen Temperaturanstieg verursacht, wodurch sie nach dem Wiener Gesetz Strahlung in jede Richtung abgibt. Diese Absorption ist jedoch im sichtbaren Lichtband gering, wodurch es für direktes Sonnenlicht transparent ist.

    Ungefähr die Hälfte der Sonnenstrahlung geht unverändert durch die Atmosphäre. Die Strahlung, die dies tut, wird Nettostrahlung genannt. Die Hälfte der Nettostrahlung trägt schließlich zur Verdunstung der Wassermassen bei, daher macht die verfügbare Sonnenenergie etwa ein Viertel der insgesamt emittierten Energie aus.

    Die Stratosphäre absorbiert dank Ozon die im 200-300-nm-Band enthaltenen ultravioletten Strahlen, die Troposphäre absorbiert und diffundiert dank Wasserdampf und CO 2 das Infrarot . Die Filterwirkung der Banden in den meist tödlichen ultravioletten Wellenlängen ist für die Entwicklung des Lebens wesentlich.

    Diffuse Sonnenstrahlung

    Diffuse Strahlung wird auch als indirekte Strahlung bezeichnet.

    Diffuse Strahlung stellt den Teil der Sonnenstrahlung dar, der durch Ändern des Einfallswinkels mindestens ein Partikel atmosphärischer Gase getroffen hat und der jedoch den Boden erreicht, weil er auf ihn gerichtet ist.

    Sie nimmt im Vergleich zur Gesamtzahl bei bewölktem Himmel zu. Insbesondere die Rayleigh-Streuung der blauen Komponente der Sonnenstrahlung ist für die blaue Farbe des Himmels verantwortlich. Ein Teil der diffusen Strahlung ist zurück in Richtung Raum.

    Einfallende Sonnenstrahlung

    Einfallende Sonnenstrahlung ist die Strahlung, die auf ein Hindernis gestoßen ist, an das sie ihre gesamte oder einen Teil ihrer Energie abgegeben hat. Energie, die die Erdoberfläche nicht erreicht, gilt als ausgestorben und besteht aus Strahlung, die wieder emittiert, reflektiert und in den Weltraum zurückgestreut wird.

    Nach dem Lambertschen Gesetz ist die auf die Oberflächeneinheit treffende Strahlungsmenge proportional zum Kosinus des Einfallswinkels.

    Die maximale Menge an einfallender Sonnenstrahlung wird mit senkrechtem Einfall erhalten, da der Winkel zunimmt, wobei sowohl die von der gleichen Strahlungsmenge betroffene Oberfläche als auch die Dicke der von diesen durchquerten Atmosphäre zunimmt. Dies erzeugt die täglichen, jährlichen und Breitenschwankungen der Bestrahlung.

    Reflektierte Sonnenstrahlung

    Reflektierte Sonnenstrahlung ist der Teil der einfallenden Sonnenstrahlung, der aufgrund des Albedoeffekts von der Erdoberfläche reflektiert wird.

    Die Albedo ist der Reflexionskoeffizient c. Die Werte für c liegen im Allgemeinen zwischen 0 und 1 oder werden als Prozentsatz ausgedrückt. Sie ist gegeben durch die Beziehung zwischen der von einer Oberfläche reflektierten Strahlungsenergie und der einfallenden Energie. Die Erde hat einen Durchschnittswert von 40% (c = 0,4). Auf der Höhe der Erdalbedo fügen wir die von atmosphärischen Partikeln reflektierte Strahlung in den Weltraum ein.

    Absorbierte Sonnenstrahlung

    Nach Abzug aller Verluste aufgrund von Reflexion und Rückstreuung von der Erdatmosphäre und -oberfläche wird die verbleibende einfallende Sonnenstrahlung von der Erdoberfläche absorbiert und trägt daher auf variable Weise zu ihrer Erwärmung bei. abhängig vom Breitengrad und der Art der Oberfläche.

    Wie wird die Sonnenstrahlung gemessen?

    Um die Sonnenstrahlung zu messen, unterscheiden wir drei Methoden, je nachdem, ob dies der Fall ist:

    • Direkte Sonneneinstrahlung.
    • Indirekte Sonneneinstrahlung.
    • Infrarotstrahlung.

    Messung der direkten Sonnenstrahlung

    Die direkte Sonneneinstrahlung wird mit Pyrheliometern gemessen. Mit Rollläden wird nur die Sonnenstrahlung und ein ringförmiger Bereich des Himmels gemessen, der sehr nahe an der Sonne liegt.

    Es ist erforderlich, dass alle Pyrheliometer an einem Mechanismus montiert sind, der eine sehr genaue Überwachung der Sonne ermöglicht.

    Globale und diffuse Strahlungsmessung

    Globale Strahlung ist definiert als die Sonnenstrahlung, die aus einem Raumwinkel von 2π Steradianen auf einer horizontalen Oberfläche empfangen wird. Globale Strahlung umfasst die direkt von der Sonnenscheibe empfangene und auch die vom Himmel durch die Atmosphäre gestreute Streustrahlung.

    Die globale Strahlung wird mit dem Pyranometer gemessen. Um nur die diffuse Komponente der Sonnenstrahlung zu messen, wird die direkte Komponente mittels eines Bildschirms oder eines Beschattungssystems abgedeckt. 

    Infrarotstrahlungsmessung

    Infrarotstrahlung wird mit Pyrgeometern gemessen.

    Die meisten davon eliminieren kurze Wellenlängen mit Filtern, die bei langen Wellenlängen eine konstante Transparenz aufweisen und bei kürzeren Wellenlängen nahezu undurchsichtig sind. 

    Wie wirkt sich Sonnenstrahlung auf die Gesundheit aus?

    Ultraviolette Strahlung kann abhängig von ihrer Intensität und der Länge ihrer Wellen verschiedene Auswirkungen auf die Haut von Menschen haben.

    UVA-Strahlung kann vorzeitige Hautalterung und Hautkrebs verursachen. Es kann auch Augen- und Immunsystemprobleme verursachen. 

    UVB-Strahlung verursacht Sonnenbrand, Verdunkelung und Verdickung der äußeren Hautschicht sowie Melanome und andere Arten von Hautkrebs. Es kann auch Augen- und Immunsystemprobleme verursachen.

    Die Ozonschicht verhindert, dass der größte Teil der UVC-Strahlung die Erde erreicht. In der Medizin kann UVC-Strahlung auch von speziellen Lampen oder einem Laserstrahl stammen und wird verwendet, um Keime abzutöten oder um Wunden zu heilen. Es wird auch zur Behandlung bestimmter Hauterkrankungen wie Psoriasis, Vitiligo und Hautknoten verwendet, die ein kutanes T-Zell-Lymphom verursachen.

    Zusammenfassung

    Sonnenstrahlung ist die Energie, die von der Sonne kommt.

    Kernreaktionen finden im Sonnenkern statt und setzen eine große Menge Energie frei. Diese Energie wandert durch elektromagnetische Wellen zur Erde: Sonnenstrahlung.

    Sonnenstrahlung wird hauptsächlich in drei Arten von Strahlen unterteilt: 

    • Infrarotstrahlen (IR). Sie liefern Wärme.
    • Sichtbare Strahlen (VI). Sie sorgen für Licht.
    • Ultraviolette (UV) Strahlen. Sie haben den größten Einfluss auf die menschliche Gesundheit.

    Referenzen

    Autor:

    Erscheinungsdatum: 13. Mai 2015
    Geändert am: 4. Mai 2020