الاشعاع الشمسي من اهم مصادر الطاقة

ان من اهم المزايا الرئيسية لاستخدام الطاقة الشمسية هي انها لا تحتاج الى واسطة إذ تأتي من الشمس بشكل موجات كهرومغناطيسية ، كما انها طاقة نظيفة متجددة لا تنضب مادام النظام الشمسي قائما ان معرفة خواص الاشعاع الشمسي وتحديد قيمته وتوزيعه الزماني والمكاني مهمة تؤثر الغيوم على , في العديد من نماذج الاشعاع الشمسي المستخدمة محليا او عالميا .                                                                                          

الاشعاع القادم خلال مساره عبر الغلاف الجوي إذ تقوم بحجب قسم كبير من الاشعة الشمسية وتقليل كمية الاشعاع النافذ خلالها بسبب ما يتعرض له من عمليات استطارة وامتصاص وانعكاس من قبل مكونات الغيمة. ان مقدار التوهين في كمية الاشعاع الشمسي النافذ يعتمد على ارتفاع وسمك وكثافة الغيمة إذ يزداد كلما قل ارتفاع قاعدة الغيمة وبزيادة كثافتها                                                                                                

ان دراسة نماذج الاشعاع الشمسي من متغيرات الغيوم يعد تحديا نظرا للتباين الشديد

للغيوم على مديات ومقاييس واسعة تبعا لطبيعتها الديناميكية وهذا يعقد من عملية التنبؤ

بنماذجها الرياضية . 

ان التداخل بين الاشعاع الشمسي والغيوم يلعب دورا رئيسيا في الموازنة الاشعاعية للأرض ، إذ يعتمد تأثير الغيوم في تبريد وتسخين سطح الارض على عدة عوامل تشمل ارتفاع الغيوم ، كميتها وخصائص الجسيمات المكونة لها .                                             

كما تؤثر هذه العوامل على نفاذية الانواع المختلفة من الغيوم للإشعاع الشمسي ان كمية وسمك وتداخل طبقات الغيوم والتوزيع العمودي للمحتوى المائي والثلجي لها استخدام واسع في نماذج الاشعاع الشمسي المتداولة عالميا .                                                   

  كما تؤدي دراسة الخواص الاشعاعية للغيوم وتغايرها فصليا وتوزيعها مكانيا على كشف التغيرات المناخية التي تحدث على سطح الارض تتضمن هذه الرسالة دراسة شاملة للعلاقة المتداخلة بين الاشعاع الشمسي والغيوم في مدينة الموصل.

- يقصد بالإشعاع الشمسي الطاقة التي تطلقها الشمس الي جميع الاتجاهات ويتضمن الاشعاع المرئي وغير مرئي بمعني اخر الطاقة الضوئية والحرارية علي الارض ومختلف الكواكب الأخرى ، واذا كانت الطاقة المنتشرة غير مجسمة في ضورة مادية ، كأن تكون مثلا طاقة حرارية او ضوئية او كهرومغناطيسية ، عرف الاشعاع عندئذ بأنه اشعاع اثيري ، ويعرف الاشعاع الشمسي بصورة عامة بأنه انتقال او انتشار الطاقة .                                                                                           

- تعد الشمس المصدر الرئيسي للحرارة الجوية فهي جسم هائل ملتهب وهي شديدة الحرارة جدا بحيث تضئ نفسها بنفسها ولا تستمد اي ضوء من كوكب اخر وتزيد درجة حرارتها تدريجيا نحو باطنها اذا تقدر درجة حرارة مركز باطنها  ، ولبعد الارض عن الشمس اذ ان المسافة بينهما يقدر ب ٩٣ مليون ميل فان الارض تتلقي نسبة ضئيلة من الاشعاع الشمسي تقدر بجزء من الفي مليون من الطاقة الضوئية للشمس تتوقف علية جميع مظاهر النشاط البيولوجي والطبيعي علي سطح الارض .                     

- فمن المعلوم انه لا يمكن استمرار الحياة علي الارض بدون الطاقة الضوئية والحرارية التي تصل الي الارض من الشمس والمعروف بالإشعاع الشمسي ، وهو السبب في حصول كل التفاعلات الطبيعية والعمليات الفيزيائية والتغيرات الجوية في الغلاف الجوي للأرض ومصدر كل حرارة تستمدها ، اما المصادر الأخرى للحرارة كالفحم والبترول والغاز الطبيعي وغيرها فما هي الا طاقة مخزونه اصلها من الشمس ، حيث ان المختصين والدارسين للإشعاع الشمسي لم يختلفوا كثيرا في تعريفة عما يأتي .     

- وعند سقوط الاشعة الشمسية علي سطح الارض تمر بالغلاف الخارجي قبل اختراقها الغلاف الغازي المحيط بالارض ، وتعد درجة حرارة الاشعة الشمسية في هذه الحالة شبة ثابته وعنيفة يطلق عليها تعبير الثابت الشمسي نتيجة لعدم تأثر قوة الاشعاع الشمسي بمتغيرات كبيرة تؤثر في قوته ، وتقدر قيمة الاشعاع الشمسي ، ولو سقطت الاشعة الشمسية بهذه القوة الفعلية علي سطح الارض لتمكنت من صهر طبقة من الجليد تحيط كل سطح الكرة الارضية .                                                           

-  ولو كانت الارض مسطحة لكان ما يصل السنتيمتر المربع الواحد من الاشعة الشمسية هو ٢ سعرة الا ان ما  يصل السنتيمتر مربع من سطح الكرة الارضية من ثابت الاشعاع الشمسي هو ربع هذا المقدار فقط ، ذلك لان الارض كروية الشكل وبالتالي فان قسما من سطحها يتعرض للإشعاع الشمسي في حين القسم الاخر يظل واقعا في الظل .                                                                                     

- ولهذا فان معدل ما يمكن ان يصل سطح الارض الكروية من الاشعاع الشمسي في حالة عدم وجود الغلاف الجوي يساوي ربع ثابت الاشعاع الشمسي الذي يصل الي السطح المستوي الذي سبق افتراضه ، اي ان ثابت الاشعاع الشمسي الذي يمكن ان يصل الي سطح الارض الكروية في حالة غياب الغلاف الجوي يساوي نصف سعر حراري للسنتيمتر المربع في الدقيقة الواحدة ، كما ان الغلاف الجوي يمتص نسبة كبيرة من هذا الاشعاع قبل وصولة الي سطح الارض .                                                

اهمية الاشعاع الشمسي :

- يعد الاشعاع الشمسي المصدر الرئيسي للطاقة في الغلاف الجوي ، والطاقة الشمسية هي المسؤولة عن جميع العمليات التي تحدث في الغلاف الجوي كالاضطرابات الجوية والسحب والامطار والبرق والرعد ، كما ان السبب الرئيسي في الحركة المستمرة للغلاف الجوي وتقلب الطقس وتغيره هو الاختلافات القائمة بين مكان واخر في وفرة الطاقة الشمسية .                                                                      

- ان التطور الحديث في استخدام الاشعة الشمسية مصدرا من مصادر الطاقة جعل للمناخ دورا مباشرا وربما سيكون حاسما في موقع الصناعة ، فصفاء السماء سيوفر قدرا اكبر في توليد الطاقة الكهربائية بدرجات كبيرة .

 - كما ان صفاء السماء سيوفر ضوء الشمس الذي يكون له دور مباشر في صناعة السينما والصور المتحركة وتوطنها في المواقع التي توفر صحو السماء وسعة مدي الرؤية للتصوير ومدي الاستفادة من المناظر الطبيعية في عمليات الانتاج السيمي والحقيقة ان هذا النوع من الصناعة قد توطن في مواقع معينه في العالم بفعل عامل المناخ لأنها تمثل فعاليات انتاجية خارج المنزل ، ويعد الاشعاع الشمسي احد العناصر الاساسية في المناخ السياحي اذ يؤثر الاشعاع الشمسي ، بغض النظر عن الحرارة في الانسان .

العوامل المؤثرة على توزيع الاشعاع الشمسي على سطح الارض :* 

- هناك عوامل متعددة تؤثر في قوة الاشعاع الشمسي ذاته من فترة الى اخرى كما ان قوة الاشعاع الشمسي الواصل الى سطح الارض تختلف من وقت الى اخر تبعا لكمية انتقال الاشعة الشمسية عبر الاوساط المختلفة وشكل الموجات الساقطة ونوعها واشكال سطح الارض التي تستقبل هذه الاشعة , وعلى ذلك يمكن ان نبين العوامل التي تؤثر في قوة الاشعاع الشمسي الذي يصل الى سطح الارض :

زاوية سقوط الاشعة الشمسية على سطح الارض :  1-

تؤثر زاوية سقوط الاشعة الشمسية على سطح الارض في مقدار الاشعة المستلمة من قبل سطح الارض - ذلك لان الاشعة العمودية او شبه العمودية الواصلة الى سطح الارض تكون قوية واشد تركيزا وذلك لأنها تقطع في الغلاف الجوي مسافة اقصر من المسافة التي تقطعها الاشعة المائلة , وهي لذلك اقل عرضة للضياع بفعل عمليات الامتصاص والانعكاس والانتشار التي تحدث في الغلاف الجوي كما ان حزم الاشعة العمودية بعد ان تصل الى سطح الارض تتوزع على مساحة قليلة .                                         

- اما الاشعة المائلة فإنها تتوزع على مساحة اكبر فتصبح اضعف واقل تركيزا وبما ان الاشعة الشمسية تصل الى المناطق المدارية عمودية او شبه عمودية معظم ايام السنه فان شدة الاشعاع الشمسي في تلك المناطق اقوى في أي مكان من سطح الارض كما ان الطاقة الشمسية المستلمة في المنطقة المدارية في منتصف النهار تكون متساوية طول العام تقريبا في حين تحدث اختلافات فصلية كبيرة في العروض العليا , ففي نيويورك مثلا تستلم الارض 44 % من الاشعاع الشمسي في الشتاء وتستلم 95 % من الاشعاع الشمسي في فصل الصيف .                                                                                     

 - ولا تختلف زاوية سقوط الاشعة تبعا لاختلاف الفصول وحركة الشمس الظاهرية بل انها تختلف اثناء النهار فأشعة الشمس تبدأ مائلة في ساعات الصباح الاولى ثم تأخذ بالزيادة كلما ارتفعت الشمس في كبد السماء الى ان تبلغ اعلى حد لها عند الظهر ثم تأخذ بعد ذلك في التناقص الى ان تصبح اسفل الافق عند المغيب ولهذا يظهر في الاشعاع الشمسي دورة فصلية واخرى يومية تبعا لاختلاف زاوية سقوط الشمس .

البعد بين الارض والشمس : -2

بما ان الارض تدور حول الشمس في مدار بيضوي ليس بدائري يصبح من الطبيعي ان تقترب الشمس -  مرة وتبتعد مرة اخرى وبذلك تختلف المسافة بين الشمس والارض تبعا لذلك من 152 مليون خلال4 في تموز الى 148 مليون كم في 3 كانون الثاني , وهذا يعني ان الارض اصبحت في مدارها البيضوي اقرب ما تكون الى الشمس في 3 كانون الثاني ويقال في هذا الحال ان الارض تصبحت في الحضيض أي قريبة من الشمس اما في 4 تموز فتصبح الارض ابعد ما تكون عن الشمس .

- ويقال في هذه الحال ان الارض اصبحت في الاوج والذروة , وقد اثبتت الدراسات انه ليس لهذه الاختلافات البسيطة في المسافة بين الارض والشمس فترة الحضيض والاوج تاثير كبير في كمية ما تستلمه سطح الارض من الاشعاع الشمسي في يوم واحد او في خلال سنه كاملة بقدر ما لهذا الاختلاف من اهمية تزداد هناك وليس على سطح الارض خلال الانقلاب الشتوي بمقدار 7 % عنها في الانقلاب الصيفي .                                                                                                       

 اختلاف التضاريس : -3

- تلعب التضاريس دورا كبيرا في تباين كمية الاشعاع الشمسي الواصل الى منطقة دون اخرى فاتجاه السفوح الجبلية وانحدارها يؤثر في معدل الاشعاع الشمسي الذي يصل الى تلك السفوح , وخاصة في المناطق المعتدلة والباردة التي تصلها اشعة الشمس بشكل مائل , اما في المناطق المدارية فان اثر هذا العامل يكون محدودا وذلك لان الاشعة الشمسية تكون عمودية او شبه عمودية .                         

- وبتالي فان تلك السلاسل تستلم كميات متساوية من الاشعة الشمسية ففي المناطق المعتدلة والباردة في النصفين الشمالي والجنوبي تتعرض السفوح الجنوبية في النصف الشمالي والسفوح الشمالية في النصف الجنوبي الى اشعة شمسية بشكل مباشر اما السفوح الاخرى فتكون بعيدة عن الاشعة الشمسية المباشرة ولا يصلها منها الا الاشعة المنتشرة من السطوح المقابلة .                                               

شفافية الغلاف الغازي : -4

 - تؤثر شفافية الغلاف الغازي في مدى قوة الاشعاع الشمسي الواصل الى سطح الارض اذ يلعب الغبار والرماد والسحب وبخار الماء دورا كبيرا في عملية انعكاس الاشعة الشمسية وتشتتها وامتصاصها كما تعمل هذه الشوائب على حفظ الاشعاع الارضي في الضياع خارج الغلاف الجوي وعلى ذلك فان المناطق التي تكثر فيها السحب والهواء الملوث بالأتربة تستلم كمية قليلة من الاشعة الشمسي مقارنة بالمناطق ذات الجو الشفاف .                                                                                           

 

- ولهذا فان المناطق التي يكثر في اجوائها الدخان كالمدن الصناعية الكبرى مثل لندن ونيويورك وطوكيو لا يصلها الا القليل من الاشعاع الشمسي خاصة وان كثرة تغطية السماء بالسحب في المناطق الاستوائية هي التي جعلت الاشعة الشمسية الواصلة اليها اقل من كميتها الواصلة الى المناطق المدارية ذات السماء الصافية والشمس الساطعة .

الالبيدو : -5

- هو نسبه ما يعكسه سطح الارض الى الفضاء مباشرة من الاشعاع الشمسي الصافي الواصل اليه دون ان يحول أي جزء منها الى طاقة حرارية تظل في جو الارض او نسبة ما يضيع من مقدار الاشعاع الشمسي الواصل الى سطح الارض بواسطة عملية الانعكاس وتختلف نسبة الالبيدو من مكان الى اخر تبعا لموقع المنطقة من دائر العرض وكذلك وجودها وتغطية السطوح بالثلوج وطول فترة بقائها , اذ يختلف الانعكاس تبعا لاختلاف زاوية سقوط الاشعة فكلما كانت الاشعة مائلة كانت نسبة الالبيدو اكبر .

- لذلك فان معامل الانعكاس في ساعات الصباح والمساء اكبر منه في ساعات النهار كما ان الالبيدو في المناطق المعتدلة او الباردة اكبر منه في المناطق المدارية , ويؤثر لون الجسم المسطح في كمية الاشعة المنعكسة فالأجسام السوداء تمتص كل الاشعة تقريبا في حين تعكس الاجسام البيضاء كل الاشعة تقريبا ولهذا فان الترب السوداء اكثر امتصاصا للأشعة من الترب والرمال الصفراء .                           

- كما ان السطوح الملساء المصقولة تعكس اشعة الشمس اكثر مما تعكسه السطوح الخشنة ولهذا فان معامل انعكاس الاشعة في المناطق السهلية يفوق معامل الانعكاس في مناطق الهضاب والجبال وتؤثر نوعية التربة والغطاء النباتي في نسبة الالبيدو فيلاحظ ان نسبة الالبيدو .

- وتختلف السطوح المغطاة بالرمال عن الترب المغطاة بالحشائش وكذلك عن الترب المغطاة بالغابات وعن تلك المغطاة بالمحاصيل الزراعية كما تكون الترب او الاسطح المغطاة بالثلوج ذات قدرة عالية على عكس الاشعة الشمسية . 

- الا ان نسبة الانعكاس تختلف باختلاف نوعية وطبيعة الثلوج من حيث طول مدة التراكم ودرجة الصلابة اما بالنسبة لقدرة المسطحات المائية على عكس الاشعة الشمسية فيعتمد على ارتفاع الشمس في السماء فعندما تكون اشعة الشمس فوق الراس وبشكل عمودي تكون نسبة الالبيدو لا تتجاوز 4 % اما اذا كانت اشعة الشمس فوق الافق .                                                                                       

- وتصل بصورة مائلة فان نسبة الالبيدو تزداد عن 40 % . وبصورة عامة تتراوح نسببه الالبيدو لسطح الكرة الارضية بمائة وياسبه بين 10 _ 15 % من المجموع الكلي للإشعاع الشمسي وان اعلى نسبة للالبيدو تتمثل في العروض العليا وخاصة في الجهات التي تغطيها الثلوج وان اقل نسبة للالبيدو في العروض المدارية وخاصة فوق المسطحات المائية حيث ان الماء يمتص اكثر مما يعكس وخاصة اذا كانت اشعة الشمس عمودية  .                                                                                       

: علاقة الإشعاع الشمسي وشبكة الشوارع 

 - يتمثل في دراسة العلاقة بين الإشعاع الشمسي وتصميم الشوارع وسواء كان ذلك من خلال تأثيره علي  قطاعه ونقاط التجمع به . تشكيل الشارع متمثلاً في توجيه الشارع وعرضه بالإضافة لنسب

- أو من خلال تأثيره علي مواصفات الشارع من حيث المواد والألوان الخاصة بفراغ الشارع والتي تتمثل في حوائطه وأرضياته وسقفه  وذلك للتوصل لمدي تأثير الإشعاع الشمسي علي تشكيل ومواصفات الشارع.

 

- تسمى الطاقة الاشعاعية الشمسية الساقطة لوحدة المساحة على سطح افقي على سطح الارض بالإشعاع الشمسي وهي اشعة كهرومغناطيسية يتراوح طولها الموجي بين مايكرون  ان اقصى شدة للأشعة الشمسية هي عند طول موجي قدره ( 0.47 ) مايكرون .                                                 

- وتقع ضمن مدى الطيف المرئي ان كمية الطاقة التي تصل الى سطح الارض اقل بكثير مما هي عليه خارج الغلاف الجوي بسبب تعرض الاشعاع الى عوامل الاستطارة والامتصاص والانعكاس من قبل مكونات الغلاف الجوي من غازات وابخرة وغبار وغيوم وعوالق جوية وغيرها تتغير شدة الاشعاع الشمسي بصورة واضحة تبعا لتغير خط العرض وفصول السنة وزاوية سقوط الاشعاع على خط الارض ومكونات الغلاف الجوي.                                                                                     

- ان الاشعة الشمسية التي تصلنا مكونة من مركبتين ، المركبة الاولى والتي تصل بشكل مباشر الى اما المركبة الثانية ، سطح الارض تسمى بالإشعاع الشمسي المباشر والتي تصل الى سطح الارض بزوايا مختلفة نتيجة تعرض مسار الاشعاع الشمسي الى عوامل كما ، الاستطارة في الجو فتسمى بالإشعاع الشمسي المنتشر ويسمى مجموع الاشعاع الشمسي المباشر والمنتشر بالإشعاع الشمسي الكلي .     

تركيب الإشعاع الشمسي الواصل إلى جو الأرض : 

- يتركب هذا الإشعاع من مجموعة معقدة جدًّا من الأشعة التي تتباين في ألوانها وصفاتها وآثارها العامة وعلى أساس الآثار التي تحدثها أشعة الشمس في الأحوال الجوية والمظاهر المختلفة فوق سطح الأرض، سواء منها ما هو حيوي أو ما هو غير حيوي، يمكننا أن نقسمها إلى ثلاثة أنواع رئيسية هي

1- الأشعة الحرارية: وهي المصدر الأصلي لحرارة سطح الأرض وجوها.

2- الأشعة الضوئية وهي المسئولة عن ظهور ضوء النهار

3- الأشعة الكيميائية وهي ضرورية جدًّا لنمو الكائنات الحية؛ لأنها تنشط التفاعلات الكيميائية اللازمة للنمو.

- وتنتقل الأشعة الشمسية في الفضاء أو في الغلاف الجوي بشكل موجات تنتشر بسرعة عظيمة هي السرعة التي يطلق عليها اسم سرعة الضوء، وهي والشمس نفسها عبارة عن كتلة كروية ضخمة من الغازات الملتهبة قطرها حوالي 1.382.200 كيلو متر، وهو ما يعادل قطر الكرة الأرضية حوالي مائة مرة. وتقدر درجة الحرارة على سطحها بنحو 6000 مئوية "10832 ْ مئوية ف ".أما عند مركزها؛ فإنها لا تقل على حسب معظم التقديرات عن 30 مليون درجة مئوية.                                     

- وتنطلق من سطحها باستمرار نافورات من اللهب التي يندفع بعضها في الفضاء بسرعة تزيد على 400 كيلو متر في الثانية، ويمتد أحيانًا لمسافات تقدر بمئات الآلاف من الكيلو مترات ويقدر بعض الباحثين الطاقة الإشعاعية الكلية التي تنطلق من الشمس بنحو 170 ألف حصان من كل مربع من سطحها. وأن القدر الضئيل الذي يصل منها إلى الأرض يكفي لرفع درجة حرارة كل سنتيمتر مربع من سطح الغلاف الجوي للأرض بمقدار سعرين   .