Zonnestraling

Zonnestraling is een belangrijk, maar lastig te meten grootheid. Er zijn vele toepassingen. Zo kan de zonneschijnduur worden geregistreerd via de zonnestralingsmetingen. Straling is belangrijk om warmte (en dus energie) door de ruimte en atmosfeer te verplaatsen en hiermee kan de energie van de zon ons bereiken, maar ook in de atmosfeer zelf spelen stralingsprocessen een extreem belangrijke rol. Maar straling is niet eenvoudig te meten. Eerst stellen we de vraag welke straling er kan worden gemeten. Straling wordt gemeten met een pyranometer, pyrheliometer en pyrgeometer, waarbij het eerste deel van het woord van πυροϛ komt, het Griekse woord voor vuur. Het tweede deel komt van de woorden voor zon en aarde. Het gaat hier dus om verschillende stralingscomponenten afkomstig van de zon en van onze eigen planeet.

Indeling straling
De straling die kan worden gemeten is verdeeld in kortgolvige en langgolvige straling. Straling kan worden uitgezonden door elk voorwerp (in principe met een temperatuur ongelijk aan het absolute nulpunt, dus elk voorwerp). De aarde en de zon zenden straling uit, net als de andere hemellichamen. Met het beschouwen van de energie die binnenkomt op hemellichamen (in ons geval de aarde) en die uitgezonden wordt, kan inzicht worden verkregen in de energiebalans. We beschouwen daarom de inkomende kortgolvige straling (vanaf de zon), de inkomende langgolvige straling (vanuit de atmosfeer), de uitgaande langgolvige straling (vanaf het aardoppervlak), de uitgaande kortgolvige straling (gereflecteerd door het aardoppervlak) en de som daarvan waarbij uitgaande straling als negatief geldt omdat het om een verlies gaat en de inkomende straling als positief omdat het om een winst gaat. Die som is de netto straling. Ook kunnen we appart de netto straling van de langgolvige en kortgolvige straling berekenen. Daarnaast kennen we de diffuse straling en de directe straling. Deze laatste directe staling zou loodrecht op de zon moeten worden gemeten, omdat de zon een puntbron is. De loodrechte directe straling kan omgerekend worden naar de directe straling in het horizontaal vlak. De diffuse straling is verstrooid door de moleculen en aerosolen die in onze atmosfeer aanwezig zijn (o.a. waterdamp, koolstofdioxide en in een bepaalde mate zelfs van zuurstof en stikstof). De diffuse straling zorgt ervoor dat het niet donker is als het bewolkt is.

Pyranometer KNMI (CM11)
Kipp en Zonen CM11 pyranometer

Hoe meten we straling?
De handigste manier om straling te meten die afkomstig is uit de atmosfeer en rechtstreeks van de zon is door twee temperaturen te meten in een twee geïsoleerde systemen (geen luchtverplaatsing). We meten de temperatuur van een zwart oppervlak dat alle straling absorbeert (het is donker omdat het geen kortgolvige straling reflecteert en transperant omdat het geen kortgolvige straling transmitteert/doorlaat). Deze straling zorgt ervoor dat de temperatuur van het zwarte oppervlak in een geïsoleerd systeem verhoogt en daarmee de temperatuur totdat er evenveel straling wordt uitgezonden als er binnenkomt. Met dit principe kunnen we aan de hand van de eerste temperatuur van stilstaande lucht en de tweede temperatuur van het zwarte oppervlak de hoeveelheid straling berekenen aan de hand van de Wet van Boltzmann. Dit kan voor globale straling worden gemeten door zo'n sensor in een horizontaal vlak te zetten. De diffuse straling wordt op dezelfde wijze gemeten, maar door de zon af te dekken met een zwarte bol zodat de directe straling niet gemeten wordt. Omgekeerd wordt de directe straling gemeten door juist een kleine opening van hooguit 5 graden op de zon te richten. De uitgaande kortgolvige straling kan gemeten worden door zo'n meetinstrument naar de aarde (ondersteboven dus) te richten. Door de uitgaande kortgolvige straling naar de atmosfeer te delen door de inkomende straling vanaf de zon en uit de atmosfeer berekent men het albedo van het lokale oppervlak.

Kortgolvig, langgolvig
Het (bij voorkeur dubbel) glaasje dat voor isolatie zorgt, zorgt er ook voor dat de kortgolvige straling wordt gemeten, want langgolvige straling kan daar niet doorheen.
Bij langgolvige straling wordt gebruik gemaakt van dezelfde techniek, maar hier gebruikt men een bekleding voor de sensor waar juist de langgolvige straling doorheen kan en de kortgolvige straling niet. Ook hier wordt de sensor naar de atmosfeer gericht om de straling afkomstig van luchtmoleculen te meten en naar de aarde toe om de door de aarde uitgezonden straling te meten.
Nu is elke stralingscomponent bekend en kan de netto straling worden bepaald.

Zonneschijn
De WMO definieert zonneschijn wanneer de sensor die kortgolvige directe straling meet, een waarde boven 120 Watt per vierkante meter registreert. Het KNMI wijkt daar vanaf en schat de zonneschijn aan de hand van de globale straling in verhouding met de zonshoogte. Voor meer over zonneschijn meten, klik hier.


VWKweb-78

18-01-2013 | Achtergrond_Zon | 78
© 2019 Vereniging voor Weerkunde en Klimatologie