Solstrålning

Solen är vår närmaste stjärna, källan till all energi1 och allt liv och rörelse på jorden, och även den drivande grundkraften i allt väder vi upplever. Energin från solen påverkar bland annat temperaturen, omsätts till vindar och ingår i växternas fotosyntes.

Avståndet mellan solen och jorden varierar med ±1.5 procent under året och är i genomsnitt 149,6 miljoner km. På detta avstånd är solstrålningens effekt cirka 1366 W/m2. Jorden är som närmast solen i början av januari och som längst bort i juli. Det är dock inte detta som ger oss årstidsvariationer utan det beror istället på att jordaxeln lutar mot det plan i vilken jorden rör sig i sin bana runt solen.

I Sverige är det vinter när nordpolen är vänd bort från solen, som då står lågt på himlen varvid energin fördelar sig över en större yta. Solens bana över himlen varierar med årstiden och ser olika ut för olika breddgrader. Den står som högst vid sommarsolståndet och som lägst vid vintersolståndet.

Solen går upp i öster två gånger om året, vilket inträffar nära vår- och höstdagjämningen. I stora delar av Sverige sker uppgången under sommaren i nordost och på vintern i sydost. Längst i norr har vi extremerna midnattssol och polarnatt (solen under horisonten hela dygnet).

Solens läge vid bestämda klockslag (exempelvis mittpunkten av varje timme) formar under året en figur, analemma, som liknar en utdragen åtta. Detta orsakas av att solens skenbara hastighet över himlen varierar beroende på att jordens hastighet inte är konstant under året och på jordaxelns lutning.

Det får till följd att solen inte alltid står i söder exakt klockan tolv, inte ens på vår tidsmeridian 15°O, en skillnad som kan vara över en kvart. Eftersom jorden roterar åt öster kommer solen att stå i söder tidigare för orter som ligger öster om och senare för orter väster om vår tidsmeridian.

Spektral fördelning

Solstrålning är elektromagnetisk strålning. Merparten av energin finns i våglängdsområdet 300 till 4 000 nm och fördelar sig grovt sett med 8 procent i den ultravioletta (UV), 48 procent i den synliga och 44 procent i den nära infraröda (IR) delen av spektrumet utanför jordatmosfären.

Jordytan (hav och land) liksom atmosfären (gaser, partiklar och moln) sänder också ut strålning (emission), men då med tyngdpunkten vid längre våglängder. Störst mängd energi ligger då i våglängdsområdet 4000 till 100 000 nm och med maximum kring 10 000 nm.

Inom meteorologin brukar energin inom dessa nästan helt åtskilda våglängdsområden benämnas kortvågsstrålning respektive långvågsstrålning. Energin i de breda våglängdsområdena kortvågsstrålning och långvågsstrålning är storheter som dominerar i jordens energibalans.

Det finns emellertid även processer där strålningens spektrala fördelning är betydelsefull och inte enbart dess energi. Exempelvis blir man inte solbränd av strålning i det synliga och infraröda området, därtill krävs UV-strålning, men även UV-strålningens olika våglängder har varierande förmåga att orsaka solbränna.

Jordens energibalans

Strålningen växelverkar med atmosfärens gaser, moln, aerosoler (partiklar) och jordyta. Exempelvis absorberas (infångas) en betydande del av energin av gaser såsom vattenånga, koldioxid och ozon.

Detta medför en temperaturhöjning, vilket ökar gasens emission (utsändning) av långvågsstrålning som i sin tur sänker temperaturen. Strålning kan även spridas och reflekteras av luftens beståndsdelar (gaser, moln och aerosoler) och av jordytan. Detta tar inte bort strålningen utan förändrar bara dess riktning.

Både absorption och spridning är våglängdsberoende. Spridningen i luftmolekyler är mer effektiv ju kortare våglängden är. Detta gör att det blå ljuset sprids kraftigare än det röda varvid himlen blir blå. När solen står lågt har mycket av den blå delen av ljuset spritts och återstoden ger solen en rödare färg än när den står högt.

Reflektion av direkt solljus i molndroppar har inte detta våglängds-beroende utan molnen upplevs som vita om inte solljuset självt är färgat, till exempel när solen står lågt.

Absorption av strålning i atmosfären är väldigt selektiv. Strålning av vissa våglängder kan absorberas fullständigt medan atmosfären är genomskinlig för andra våglängder.

Dygnsvariation

Strålning förflyttas med ljusets hastighet och moln med vindens hastighet. Förändringar i mängden solstrålning kan därför ske väldigt snabbt. Solens utstrålning är turligt nog väldigt stabil.

Sedan noggranna satellitbaserade mätningar inleddes 1978 har variationerna i den totala solstrålningen varit inom några promille från medelvärdet 1361 W/m².

De stora och snabba variationer som vi ser vid jordytan beror framförallt på moln som skuggar solen. Det är inte ovanligt att den direkta solstrålningen ändras från 900 till 0 W/m² eller tvärtom på några sekunder.

För den långvågiga strålningen är inte variationerna lika dramatiska. Källan till den nedåtriktade långvågsstrålningen är ju atmosfären själv och de moln som finns där. Förändringar på uppemot 100 W/m² kan noteras när ett lågt moln drar förbi på en i övrigt klar himmel.

Uppåtriktad långvågsstrålning beror till större delen på markytans temperatur. Förändringar sker därmed i takt med ytans temperatur och är vanligen relativt långsamma, cirka 1,5 procent per grad.

Efter kraftiga vulkanutbrott eller vid höjd frekvens av höga tunna moln ökar den diffusa solstrålningen, vilket kan ha betydelse för till exempel växter som inte utsätts för direkt solstrålning utan som normalt lever i skugga.

Årsvariation

Den årliga variationen av globalstrålning och solskenstid begränsas av hur solhöjden och dygnets längd varierar över året. Under vintern är dagarna korta och solen står mycket lågt.

I nordligaste Sverige är solen under horisonten ungefär en månad (polarnatt). Under sommaren råder midnattssol i samma område, då är dagarna långa och solen står betydligt högre. Detta medför att den årliga variationen är stor.

För både solskenstid och globalstrålning är 1997 och 1998 exempel på år med mycket höga respektive mycket låga årsvärden. I grova drag ligger ett solrikt år 10 procent över och ett solfattigt år 10 procent under långtidsmedelvärdet för både solskenstid och globalstrålning.

Om vi ser till årsvärdena vid våra mätplatser så är globalstrålningen lägst i Kiruna och oftast högst i Visby. Detta beror till stor del på att solen står lägre i norr än i söder och att molnigheten ofta är större inne över land än ute vid havet under sommarhalvåret.

Den meteorologiska faktor som betyder mest för variationen är molnigheten. Därutöver inverkar markens reflektionsförmåga (albedo), atmosfärens innehåll av aerosoler och absorberande gaser, främst vattenånga och ozon.

I Sverige har vi ofta samma molnighet över stora områden. Därför blir variationen mellan olika år likartad över landet. Eftersom merparten av globalstrålningen infaller under sommarhalvåret ger mulna somrar låga årsvärden medan solrika ger höga.

Faktorer som påverkar strålningen

Det finns ett antal meteorologiska faktorer som påverkar strålnings-flödena, varav molnen är den viktigaste. De stora variationerna, som vi har visat på tidigare, över flera år och ner till variationer under ett dygn styrs till stor del av variationer i molnen.

Det kan vara mängden men också molnens täthet spelar stor roll. Moln som täcker hela himlen, är täta och har stor vertikal utsträckning släpper igenom mindre solstrålning än motsvarande mängd tunna moln.

Förutom att hindra solstrålning att nå jordytan är molnen även källor för långvågstrålning. Ju högre temperatur molnen har desto mer långvågs-strålning sänder de ut. Sett från jordytan är det molnens undersida som långvågsstrålningen kommer ifrån.

Ett moln vars undersida ligger lågt har oftast högre temperatur än ett som ligger högt. Därför kommer det låga, täta och varmare molnet att ge mer långvågsstrålning än ett högre, tunnare och kallare moln.

Instrument ombord på satelliter ser molnens översida. Genom att mäta långvågsstrålningen ut mot rymden från satellit kan man i princip bestämma molnöversidans temperatur och därmed avgöra molntoppshöjden.

Markytans reflektionsförmåga

En annan faktor som kraftigt kan inverka på solstrålningen, både lokalt och regionalt, är markytans reflektionsförmåga. Det kallas albedo om man avser alla våglängder, annars spektral reflektans.

Ju större mängd solstrålning som reflekteras av en yta desto högre är dess albedo. Det kan anges i procent eller på en skala 0-1. De flesta naturliga ytor har ett albedo mellan 5 och 30 procent och variationen under dygnet och året är inte så stor.

Det finns emellertid ett viktigt undantag och det är snötäckt mark, som har ett albedo på över 60 procent. På Sveriges breddgrader har vi normalt snötäckt mark under vintern och långt in på våren.

När snö är närvarande kan man inte bortse ifrån denna faktor, inte ens för en horisontell yta, som bara ser himlen, eftersom strålning som träffar snöytan reflekteras upp i atmosfären där den sprids och till viss del återkommer.

Denna process kan i speciella fall nästan fördubbla den inkommande strålningen jämfört med om det hade varit barmark.

Läs mer i artikeln Kall snö strålar värme.

Aerosoler och ozon

Det finns andra faktorer än moln och snö som styr den årliga variationen. Två av dessa är mängden aerosoler (partiklar) i atmosfären och mängden ozon (ozonskiktets tjocklek).

Effekten av aerosoler är starkt våglängdsberoende, i allmänhet påverkas kortare våglängder mer än längre. Under vintern är atmosfären ofta klar och fri från stora mängder partiklar. När våren kommer torkar markytan upp och partiklar kan virvlas upp av vinden.

När växtsäsongen kommit igång producerar växterna pollen och även insekter bidrar till att skymma solen. I genomsnitt har partiklarna störst inverkan under sommaren och minst under vintern.

Ett exempel på ett mer oregelbundet fenomen inträffade år 1991, då vulkanen Pinatubo på Filipinerna hade ett våldsamt utbrott. Stoft och gaser kastades upp i stratosfären till cirka 20 km höjd. Där fördes de vidare med vindarna och efter några månader var hela jorden insvept i ett dis.

Det tog flera år innan dessa vulkaniska partiklar hade fallit ur atmosfären. Vi kunde se en tydlig inverkan på våra solstrålningsmätningar under ett par år och det skedde även en global minskning i temperaturen. 

Ozonskiktet har även det en tydlig årlig cykel, men här ligger maximum under våren och minimum på hösten. Variationerna från dag till dag är stora. Om man jämför det ozonskikt vi hade över Norrköping och Vindeln åren kring sekelskiftet med det som var över Uppsala på 1950- och 1960-talen, så kan man se att det har skett en liten minskning av ozonskiktets tjocklek under framförallt våren. Detta orsakades med stor sannolikhet av utsläpp av ozonnedbrytande ämnen.

1 Fotnot:

All energi på jorden kommer inte från solen ...

... men det energiflöde från solen som hela tiden träffar jordens tvärsnittsarea är 174 000 000 000 MW och det är mycket större än alla andra flöden.

Några exempel på energi som inte kommer från solen:

Energin som uppkommer genom tidvatten beror till del av solen men också av månen.

Den potentiella effekten av världens alla kärnkraftverk (juli 2015) var 379 000 MW. Detta motsvarar cirka 0,0002% av det ovan nämnda flödet från solen.

Ett annat intressant flöde är det från jordens inre, som i genomsnitt är cirka 0,087 Wm-2 eller summerat över hela jordens yta cirka 44 400 000 MW, vilket gör cirka 0,03% av flödet från solen.

Andra energiflöden (som inte ytterst har sitt ursprung från solen) kan ha stor betydelse i vissa sammanhang men energin från solen är för jordens del mycket dominerande.

Ett sådant exempel är det liv som finns utmed de heta källorna som finns längs sprickzonerna på oceanernas bottnar. Detta liv får sin energi från jordens inre och inte från solen.

Källor:

Pollack, H. N., S. J. Hurter, and J. R. Johnson (1993), Heat flow from the Earth's interior: Analysis of the global data set, Rev. Geophys., 31(3), 267–280, doi:10.1029/93RG01249.

Nuclear Energy Institute webbsajt (2015-07-29) http://www.nei.org/Knowledge-Center/Nuclear-Statistics/World-Statistics/World-Nuclear-Generation-and-Capacity