Słońce dostarcza do Ziemi ogromną ilość energii. Jakim przemianom podlega promieniowanie słoneczne w obrębie miasta? Jaką rolę w bilansie promieniowania odgrywają zanieczyszczenia powietrza?
Głównym źródłem energii na Ziemi jest promieniowanie słoneczne. Ilość energii docierająca ze Słońca nazywana jest stałą słoneczną. Niewielkie wahania stałej słonecznej w cyklu rocznym są związane z ruchem obiegowym Ziemi - zmianą odległości Ziemi od Słońca. Jej wartość waha się między 1365 i 1372 W/m2 gdyż aktywność Słońca także się zmienia. Jednakże powierzchnia Ziemi otrzymuje jedynie część tej energii, ponieważ atmosfera osłabia promieniowanie słoneczne poprzez rozpraszanie (dyspersja) i pochłanianie (absorpcja) [więcej o bilansie promieniowania Ziemi w części "Globalny bilans promieniowania"].
Atmosfera nad miastem odznacza się dużą zawartością szeregu "domieszek" w postaci zanieczyszczeń i znacznej ilości aerozoli (drobne cząstki stałe, organiczne lub nieorganiczne) co wraz z przekształconą przez człowieka powierzchnią czynną (pokrycie terenu) powoduje istotne zmiany w bilansie promieniowania w porównaniu z obszarami poza miejskimi. Bilans ten można wyrazić następującym równaniem:
Q = (1-A) (I · sin h + i) + (Ez - Ea)
gdzie: Q - bilans promieniowania A - albedo (w częściach jedności, nie w procentach); (1-A) - promieniowanie krótkofalowe pochłonięte przez podłoże (I · sin h) - natężenie promieniowania bezpośredniego docierającego do powierzchni poziomej [h - wysokość Słońca nad horyzontem]; i - natężenie promieniowania rozproszonego Ez - promieniowanie długofalowe Ziemi (ciepło emitowane przez podłoże do atmosfery - atmosfera pochłania około 96% Ez, jedynie znikoma jego część przedostaje się do przestrzeni międzyplanetarnej, wielkość ta zależy od zawartości w powietrzu pary wodnej i gazów cieplarnianych) Ea - promieniowanie długofalowe atmosfery, zwane inaczej promieniowaniem zwrotnym (ciepło emitowane przez atmosferę do podłoża); (Ez - Ea) - tzw. promieniowanie efektywne; ciepło, które traci powierzchnia czynna.
Dodatnia wartość bilansu wskazuje na zysk (czyli więcej energii dociera do podłoża niż jest tracone), ujemna zaś na ubytek energii (czyli odwrotna sytuacja).
Albedo (A) to stosunek promieniowania odbitego do padającego na powierzchnię Ziemi. Wielkość odbicia zależy bowiem od rodzaju powierzchni, jej barwy, zawartości wilgoci a także czasu zalegania i zanieczyszczenia pokrywy śnieżnej. Materiały budowlane odznaczają się niskim albedo w porównaniu z niektórymi powierzchniami naturalnymi, np. 5-20% asfalt, 10-35% beton, 20-35% kamienie, 10-35% dachówka, dla porównania: śnieg świeży odbija 75-95% promieniowana. Jednakże niektóre powierzchnie naturalne mogą także odznaczać się niskim albedo, np. czarnoziem 5-10%, las liścisty 15-20%. Albedo wody waha się od kilku do kilkudziesięciu procent i zależy od kąta padania promieni słonecznych (patrz tabela). Ilość energii pochłanianej w mieście jest w związku z tym o 15-30% większa niż na terenach poza miejskich. Dodatkowo, złożony charakter powierzchni czynnej (mozaika tworzyw) powoduje, iż albedo w mieście cechuje się duża zmiennością przestrzenną, co ma także wpływ na termikę miasta.
1. Odbijanie i pochłanianie promieniowania słonecznego przez wybrane rodzaje podłoża Autor: Sebastian Wypych, Mateusz Kamiński
A
B
2. Albedo wody przy bardzo niskim (A) i przy wysokim (B) położeniu Słońca Autor: Sebastian Wypych, Mateusz Kamiński
wysokość Słońca
1°
5°
10°
20°
30°
40°
50°
albedo wody (%)
89,6
58,6
35,0
13,6
6,2
3,5
2,5
3. Związek albeda wody z wysokością Słońca nad horyzontem
Zanieczyszczenia oraz zwiększone zachmurzenie w mieście sprawia, iż dociera do niego o około 10-20% mniej promieniowania słonecznego (I) niż na tereny otaczające. Promieniowanie bezpośrednie zmniejsza się nawet do 50%. Znikoma jest także ilość docierających promieni ultrafioletowych, które są biologicznie czynne i w niektórych zakresach widma mają właściwości zdrowotne, m. in. bakteriobójcze. Warstwa aerozoli znajdująca się w powietrzu nad miastem częściowo pochłania promieniowanie długofalowe Ziemi (Ez), a także oddaje w kierunku powierzchni Ziemi pochłoniętą przez siebie energię (Ea). Wszystkie wspomniane czynniki powodują wzrost temperatury powietrza w mieście.
4. Zmiany strumieni promieniowania krótkofalowego (otrzymywanego od Słońca) w mieście w porównaniu z obszarami poza miejskimi; np. "promieniowanie bezpośrednie - 15%" oznacza, że w mieście promieniowanie bezpośrednie jest niższe o 15% niż poza miastem Autor: Sebastian Wypych
5. Zmiany strumieni promieniowania długofalowego (czyli podczerwonego) w mieście w porównaniu z obszarami poza miejskimi; np. "promieniowanie zwrotne atmosfery +10% oznacza, że ten strumień promieniowania jest większy o 10% w mieście niż poza miastem Autor: Sebastian Wypych
W ostatnich latach, wskutek przemian politycznych i gospodarczych, bilans promieniowania na terenach miejskich Europy Środkowej jest modyfikowany przez zmiany w zanieczyszczeniu powietrza. W latach 90. XX w. większość krajów post-komunistycznych dotknął kryzys gospodarczy i spadek produkcji przemysłowej, co spowodowało spadek przemysłowych emisji zanieczyszczeń powietrza. Ponadto w wielu zakładach wprowadzono nowe technologie produkcyjne, powodujące mniejsze emisje zanieczyszczeń, co dodatkowo poprawiło jakość powietrza. W latach 1996-1999, w porównaniu z latami 1985-1989, zmalało o 2,8% nad Europą Środkową rozpraszanie promieniowania słonecznego przez chmury, gdyż tworzyło się ich mniej bo mniej było zanieczyszczeń czyli tzw. jąder kondensacji. Dopływ promieniowania słonecznego wzrósł w związku z tym o 1,5 W/m2.
Autorzy: Sebastian Wypych, Anita Bokwa - Uniwersytet Jagielloński - Kraków / Polska Współpraca: Anna Gorol 1. Recenzent: prof. dr hab. Barbara Obrębska-Starklowa - Uniwersytet Jagielloński - Kraków / Polska 2. Recenzent: dr Marek Nowosad - Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej - Lublin / Polska ostatnia aktualizacja: 2003-10-01
