منابع حرارتی / میزان تابش در اقلیم محلی

شکل گیری اقلیم در کره زمین به مجموعه رویدادها و عوامل موثر آب و هوایی وابسته است که در اتمسفر رخ می دهد. هر چه در این اتمسفر به سطح زمین نزدیکتر شویم یا در واقع ارتفاع محدوده اقلیمی در حال بررسی کمتر شود. عوامل موجود در سطح زمین تاثیر بیشتری بر شاخص های آب و هوایی می گذارند.  

در مقیاس بسیار کوچک، که اقلیمی با نام اقلیم خرد بوجود می آید، لایه هوای مجاور سطح زمین، که به آن لایه فعال¹ گفته می شود، بشدت از زمین تاثیر می پذیرد. در این لایه، همه عوامل آب و هوایی، مانند تابش خورشید، باد، رطوبت و …..، به دلیل تاثیرپذیری مستقیم از سطح زمین دستخوش تغییرات چشمگیری می شوند، زیرا محرک اصلی در سطح زمین انرژی است و این انرژی با تابش خورشید تامین می شود.

اصلیترین منبع گرمایی در اقلیم کره زمین تابش خورشید است. به همین ترتیب در سطح زمین و مقیاس خرد پرتوهای خورشید مهمترین عامل گرمایش اند. تابش خورشید از جنس امواج الکترو مغناطیس است که دامنه گسترده ای از طول موج ها را دربرمیگیرد. اما تابش خورشید در طیف محدودتری ساطع می شود که از حدود 15/0 میکرون آغاز می شود و تا 3 میکرون ادامه می یابد. (Rosenberg, 1974) بخش مرئی این تابش با طول موج 36/0 میکرون (نور بنفش) آغاز می شود و در 75/0 میکرون نور قرمز پایان می پذیرد (کاویانی، 1380). تصویر 1 طیف امواج الکترو مغناطیس را نشان می دهد.

براساس قانون استفان – بولتزمن هر جسم که دمایی بیش از صفر درجه کلوین (⁰C15/273-) داشته باشد طبق فرمول زیر انرژی تابشی از خود ساطع می کند.

تابشی که با طول موج مشخصی به سطح یک جسم برخورد می کند، یا از آن عبور می نماید، یا از سطح آن منعکس می شود یا بوسیله آن جذب جسم می شود، یکی از حالتهای اصل بقا انرژی است (Oke, 1987) بنابر نسبتی از تابش که از یک جسم عبور کرده یا از سطح آن انعکاس یافته یا جذب آن شده است، قابلیت عبور، انعکاس و جذب آن جسم براساس فرمول زیر با هم مرتبط خواهند بود :

tکه در آن ضریب انتقال، aضریب انعکاس²، aضریب جذب³ است، و همگی در محدوده صفر تا یک تغییر می کنند. برای مواد تیره که از شفافیت آنها می توان صرفنظر کرد معادله بالا بصورت زیر تغییر می کند :

در انتقال انرژی از جسمی به جسم دیگر یا محیطی به محیط دیگر، تغییراتی در طول موج پرتوهای تابش روی می دهد. یکی از قوانینی که این تغییر طول موج را در انتشار انرژی تابشی از اجسام نشان می دهد قانون جابجایی وین⁴ است. قانون یاد شده این واغعیت را نشان می دهد که افزایش دمای جسم نتنها باعث افزایش مقدار کلی انتشار میشود بلکه باعث افزایش نسبت طول موج های کوتاهی نیز می گردد که از آن ترکیب شده است. بنابراین با افزایش درجه حرارت جسم حداکثر طول موج طیف انتشار آن به سمت امواج کوتاهتر منحرف می شود. این قانون بصورت زیر بیان می گردد :

که در آن  l_maxطول موج حداکثر انرژی تابشی براساس متر و T دمای جسم براساس درجه کلوین است. با توجه به این قانون مشاهده می شود که خورشید حداکثر انرژی خود را در طول موج 48/0 میکرون، یعنی در وسط امواج مرئی، پراکنده می کند، در حالیکه زمین حداکثر انرژی خود را در طول موج 10 میکرون ساطع می کند طیف ویژه امواج خورشید از 15/0 میکرون (ماورای بنفش) آغاز می شود و به حدود 3 میکرون (ماون قرمز نزدیک) می رسد در حالیکه طیف زمین از 3 میکرون آغاز می شود و تا 100 میکرون (مادون قرمز دور) ادامه می یابد.

بنابراین تفاوتی کاملا ملموس بین هر دو رژیم تابشی خورشید و زمین وجود دارد، از اینرو هواشناس ها تابشهایی بین 15/0 تا 3 میکرون را امواج کوتاه یا تابش خورشیدی و امواج بین 3 تا 100 میکرون را تابش امواج بلند نامیده اند.

تابش خورشید در حین عبور از جو به ابرها و سایر ترکیب های آن یعنی بخار آب و کریستالهای نمک، ذره های غبار و گازهای گوناگون برخورد می کند. هرکدام از این ترکیب ها ویژگی تابشی مخصوص خود دارد و بخشی از امواج کوتاه خورشید را منعکس (یا پخش) یا جذب می کنند و باقی را از خود عبور می دهند. نسبت بین مقادیر تابشی ورودی اولیه به این مقادیر معرف قابلیت انعکاس، جذب و انتقال جو است. ماهیت و مقدار جذب، به طیف جذبی گازهای جوی وابسته است (کاویانی، 1380).  میزان جذب تابش خورشید بوسیله ترکیب های جو را در طول موج های گوناگون نشان می دهد.

این تصویر نشان می دهد که جو جاذب خوبی برای امواج کوتاه (بین 15/0 تا 3 میکرون) نیست. اُزُن (O₃) برای فیلتر کردن تابش امواج ماورای بنفش در طول موجهای کمتر از 3/0 میکرون موثر است و بخار آب برای تابش امواج بلندتر از 8/0 میکرون بتدریج اهمیت می یابد. در حالیکه در فاصله باندها، جایی که شدت تابش خورشید از همه بیشتر است (48/0 میکرون) جو به نسبت شفاف است. حتی جذب یاد شده بوسیله قطره های مایع ابر به نسبت ناچیز است.

با توجه به مطالب گفته شده بخشی از تابش خورشید که بطور مستقیم از جو و ترکیب های موجود در آن عبور می کند و به زمین می رسد، دارای طول موج کوتاه است و به آن تششع های کوتاه طول موج خورشیدی⁵ می گویند. روش مدل سازی تابش مستقیم خورشید، مقدار تقریبی این تابش را بدست می آورد. اما تابش پراکنده خورشید که پس از جذب درون جو به زمین ارسال می شود، نیز منبع انرژی گرمایی دیگری در سطح زمین به شمار می آید. انرژی دریافتی در سطح زمین بار دیگر بصورت تابش موج بلند به آسمان باز می تابد. از این تابش بخشی را ترکیب های موجود در اتمسفر یا عوامل طبیعی محیط پیرامون جذب می کنند و دوباره به زمین باز می تابند. مقدار تابش های موج بلند یاد شده را می توان با استفاده از قانون استفان – بولتزمن و اندازه گیری یا محاسبه دمای عوامل تابش کننده بدست آورد.

پی نوشت ها :

1- Active layer

2-Transmissivity

3- Reflectivity or Albedo

4- Wien

5- Solar Short-Wave Radidtion