3. Klimaat en klimaatverandering

Zonnestraling     (1/4)

De grootte en massa van de zon

Sommige eigenschappen van de zon worden duidelijk als je ze vergelijkt met de aarde:

• de massa van de zon heeft de waarde 2·10³⁰ kg en is dus 333 duizend keer groter dan de massa van de aarde.
• zijn straal is ongeveer 700.000 km en is ongeveer 110 keer groter dan de straal van de aarde.
• de gemiddelde dichtheid van zonnematerie is 1400 kg/m³, maar de gemiddelde dichtheid van de aarde is 5500 kg/m³, de aarde is veel dichter vanwege haar ijzeren kern.

Door de veel grotere totale massa en de grotere druk binnenin kunnen de dichtheid en temperatuur in het centrum van de zon echter zo hoog worden dat atoomkernen met elkaar versmelten: er vindt kernfusie plaats. De energie die vrijkomt bij deze fusie is elektromagnetische straling en bereikt het oppervlak van de zon via turbulentie en convectie, dat zelf een temperatuur heeft van ongeveer 5900 K (of ongeveer 5600°C).

Het stralingsspectrum

Aan het oppervlak van de zon wordt zichtbare straling uitgezonden, die toepasselijk de fotosfeer wordt genoemd. Het spectrum komt heel dicht in de buurt van dat van een 5900 K heet zwart lichaam. Afwijkingen van de stralingswet van Planck kunnen worden verklaard door de fragmentarische of gevlekte structuur van de stralingslagen, waarbij de temperatuur en spectrale transparantie variëren met de intensiteit vanaf verschillende locaties.

De turbulente structuren van de fotosfeer.
Bron: ESA

De volgende figuur toont drie spectra:

• het spectrum van een zwart lichaam met een temperatuur van 5900 K, wat vergelijkbaar is met het zonnespectrum,
• het werkelijke spectrum van de zon aan de buitenrand van de aardatmosfeer (buitenaardse zonnestraling), d.w.z. zonder de invloed van absorptie of verstrooiing door de lucht, en
• het spectrum op zeeniveau (aardse zonnestraling) nadat het door de atmosfeer is gegaan en is verzwakt.

Spectrale bestralingen van een zwart lichaam met een temperatuur van 5900 K (geel), de zonnestraling aan de buitenrand van de aardatmosfeer (buitenaards zonlicht, oranje) en op zeeniveau (aards zonlicht, regenboogkleurig). De spectrale bestralingssterkte is het vermogen in watt van de straling die op één vierkante meter oppervlak valt. Het oppervlak wordt zo gedefinieerd dat het loodrecht op de zon staat. Het spectrum van het aardse zonlicht komt overeen met een onbewolkte dag, de zon staat onder een hoek van 48,19° ten opzichte van het zenit en de straling van de blauwe lucht wordt genegeerd. Referenties naar veel nauwkeurigere referentiespectra zijn te vinden op de pagina Links.
Bron: Wikipedia, bewerkt.

Oplossing: (maar probeer het eerst zelf!) ↓ ↑

Schatting van het gebied onder het spectrum van buitenaardse straling met een rechthoek. Andere rechthoeken met ongeveer dezelfde oppervlakte kunnen ook worden gebruikt.

Het product van de lengtes van de zijden van de rechthoek is

$1000\frac{\text{W}}{{\text{m}}^{\text{2}}\text{<mo>µ</mo>m}}\cdot 1500\text{nm}=1000\frac{\text{W}}{{\text{m}}^{\text{2}}\text{<mo>µ</mo>m}}\cdot \mathrm{1<mo>,</mo>5}\text{<mo>µ</mo>m}=1500\frac{\text{W}}{{\text{m}}^{\text{2}}}$

Het vermogen van zonnestraling wordt geschat op 1,5 kW per vierkante meter en kenmerkt de energie-input door zonlicht. Dit lijkt erg op het elektrische vermogen van een fornuis of een microgolfoven!

Op dezelfde manier kan men uit het aardse zonlichtspectrum afleiden dat het vermogen van zonnestraling op heldere dagen wanneer de zon hoog aan de hemel staat ongeveer 1 kW per vierkante meter is.

De baan van de aarde rond de zon is niet cirkelvormig, maar elliptisch. Daarom verandert de inkomende straling in de loop van het jaar met ongeveer 6,5%. De gemiddelde waarde over het jaar is voldoende voor ons onderzoek. Een exacte bepaling van het gemiddelde stralingsvermogen uit satellietgegevens aan de buitenrand van de aardatmosfeer over alle golflengten resulteert in 1361 W/m². Deze waarde wordt de zonneconstante genoemd (hoewel het geen natuurkundige constante is). Het markeert de ingang van zonne-energie in onze atmosfeer en speelt een belangrijke rol in ons weer en klimaat.