Solstråling

Solstråling - Elektromagnetisk stråling fra Sola, hvorav en del er synlig lys. Solkonstanten angir strålingsfluksen fra Sola som treffer den ytre atmosfæren og er ca. 1360 W m-2. En del av solstrålingen spres av luftmolekyler og partikler i atmosfæren og kalles himmellys. Himmellys er en diffus stråling med en annen spektralfordeling enn direkte solstråling.

Solstrålingen kan enten være direkte eller sollyset kan spres (scatte­ring) fra molekyler og stoffer i atmosfæren.  All stråling kan være direkte eller reflektert.  Diffust sollys kommer fra skyer. Sollys spredt av luftmolekyler i atmosfæren kalles himmelstråling. Andelen diffus og direkte solstråling av totalstrålingen avhenger av solhøyden og breddegrad Lysspredning som skyldes molekyler i atmosfæren kalles Rayleigh-spredning og er proporsjonal med 1/λ4  , hvor λ er bølgelengden til lyset.

Spredning som skyldes partikler i atmosfæren kalles Mie-spredning og er proporsjonal med 1/λ  . Pga. Rayleigh- spredning blir spesielt lys med bølgelengder kortere enn 400 nanometer (nm), blått lys spredd mye og danner himmellys. Derfor er himmelen blå, og Rayleigh-spredning forklarer også den røde fargen på himmelen ved soloppgang og solnedgang. Den forklarer også hvorfor månen blir rødfarget ved total måneformørkelse når Sola, Jorden og Månen står på en rett linje, og Månen kommer i jordskyggen (umbra). Det blå lyset spres mest i jordatmosfæren, og det røde lyset med større bølgelengde spres mindre sammenlignet med kortbølget blått lys, og det er det vi ser.  Rayleigh-spredning forklarer også hvordan skummet melk med kolloidalt fett får et blåskjær, det samme gjelder lys spredt av vokskrystaller på planter i strandsonen som strandrug, strandtistel og strandkål, som får en blågrå overflate.

I overskyet vær er det ikke noen direkte solstråling, men såkalt skylys. Vi kaller den samlede kortbølgede stråling som kommer ned på jorda for globalstråling. Globalstråling består av direkte solstråling og kortbølget diffus stråling som igjen består av himmelstråling og/eller skystråling.

Globalstråling = direkte solstråling +  diffus kortbølget stråling (himmelstråling og skystråling)

Himmelstrålingen er en diffus stråling med annen spektralfordeling enn direkte solstråling. Er det overskyet er det ingen direkte solstråling, men man får skystråling fra skyene. Det direkte sollyset vil igjennom skyene bli spredt, reflektert og absorbert slik at skystrålingen vil på samme måte som himmelstrålingen få en annen spektralfordeling enn det direkte sollyset. Et 100 m tykt skylag vil redusere solstrålingen med ca. 50 % og er skylaget 1000 m tykt slipper bare ca. 10 % av solstrålingen igjennom. Globalstrålingen måles med et pyranometer (300-3000 nm) eller solarimeter.

Den samlede stråling som treffer jorda og derved bladene består av en kortbølget globalstråling og en langbølget termisk stråling. Summen av disse to kalles totalstråling. Instrumenter som kan brukes til å måle globalstråling, ofte i bølgelengdeområde 300-3000 nm, er et pyranometer eller solarimeter. Totalstråling kan måles med et pyrradiometer(lysmåling).  Forholdet mellom reflektert utsendt globalstråling og innsendt globalstråling angis som refleksjonsevne eller albedo (l. albus - hvit) til jordoverflaten.

Total stråling = global stråling + langbølget termisk stråling (> 3000 nm)

Transmisjonen gjennom atmosfæren er en funksjon av tykkelsen på luftmassen og varierer med høyde over havet og solvinkelen. Strålingsfluksen på en overflate avhenger av orienteringen av overflaten i forhold til strålingsretningen ifølge Lamberts cosinuslov. Albedo til jordoverflaten er forholdet mellom reflektert globalstråling og innkommet globalstråling som treffer jordoverflaten.

Kortbølget solstråling som blir absorbert ved jordoverflaten sendes ut igjen i atmosfæren i form av varmestråling (langbølgede termiske stråling) og absorberes bl.a. ozon, vanndamp og CO2 i atmosfæren. Dette gir en oppvarming av atmosfæren (naturlig drivhuseffekt).

Det vi definerer som fotosyntetisk aktiv stråling (PAR= "photosynthetic active radiation") i bølgelengdeområdet 400-700 nm (nanometer, 10-9 meter)), og blir målt med en kvantesensor, og lysfluksen angir i mikromol per kvadratmeter per sekund (µmol m-2 s-1). Firmaet Li-Cor setter relativ følsomhet for sin kvantemåler ved 700 nm (171 kJ mol-1) lik 1. Ved 400 nm (299.3 kJ mol-1) blir følsomheten 171/299.3= 0.57. Ved bølgelengder lenger enn 700 nm absorberer klorofyll i liten grad. Selv om klorofyll kan absorbere UV-stråling kommer det ikke lys gjennom epidermis med kortere bølgelengde enn 400 nm grunnet UV-absorberende flavonoider.  Derfor brukes vinduet 400-700 nm når man måler lys som deltar i fotosyntesen hos planter og alger. Bakterieklorofyll hos anaerobe fotosyntetiske bakterier kan absorbere elektromagnetisk stråling i bølgelengdeområdet 800 - 900 nm.

Spres sollyset av luftmolekyler med diameter mindre enn bølgelengden til lyset  kalles dette Rayleigh spredning, og denne er proporsjonal med 1/λ4. Siden rødt lys har lenger bølgelengde enn blått forklarer dette hvorfor himmelen er blå om dagen, og rød ved solnedgang. Blått lys spres mer enn rødt. Lys spredd av partikler, støv, vanndråper etc. kalles Mie spredning, og denne er proporsjonal med 1/λ. Albedo til jordoverflaten er forholdet mellom reflektert globalstråling og innkommet globalstråling som treffer jordoverflaten.

   Det er en direkte sammenheng mellom emmisjon og absorpsjon (Kirchhoffs lov) som sier at et objekt som sender ut sterk stråling ved en bølgelengde også absorberer sterkt ved den samme bølgelengden. Det objektet som absorberer og sender ut stråling mest effektivt er det svarte legeme, og strålingen som sendes ut fra dette er kontinuerlig og avhenger bare av temperaturen til det svarte legeme. Overflatetemperaturen påvirker ikke bare energiutsendelsen uttrykt som watt per kvadratmeter, men også spektralfordelingen av det utsendte lyset.     Gjennomsiktige eller sterkt reflekterende objekter absorberer og emitterer stråling dårlig. Ved relativt lav temperatur er det bare infrarød stråling som sendes ut. Ved økende temperatur blir objektet mørkerødt og til slutt hvitt. Denne skiftingen mot kortere bølgelengde med økende temperatur beskrives av Wiens forskyvningslov.

Plancks strålingsfordelingsformel angir fordelingen av fotoner som treffer jordoverflaten og angir emmisjonen fra et svart legeme med emmisivitet ε=1. Denne uttrykker spektralfordelingen av strålingen av et svart legeme som funksjon av bølgelengde og temperatur, med måleenhet watt per kvadratmeter (W m-2).

\(E_\lambda d\lambda=\frac{c_1}{\lambda ^5\left(e^{\frac{c_2}{\lambda t}}-1\right)}\)

c1 = 3.74 10-16  W m-2 og c2 = 1.44 10-2 m K  er konstanter.

Ved å integrere denne over hele bølgelengdeområdet finner man totalstrålingen, eller ved å sette den deriverte til funksjonen lik 0  (maksimumspunkt) fås Wiens forskyvningslov:

\(\lambda_{max}=\frac{2.898 \cdot 10^6}{T}\)

t fra temperaturen av en gjenstand kan vi via Wiens forskyvningslov  bestemme ved hvilken bølgelengde vi har den største energiutstråling. Sola som er en gigantisk fusjonsreaktor med millioner av grader under overflaten har en overflatetemperatur på ca. 5800 K

Ifølge Wiens lov vil den maksimale energiutstrålingen fra sola bli ved

λ MAX = (2.898⋅106 nm K)/T = (2.898 ⋅106 nm K)/5800 = 500 nm

   I en vanlig glødelampe (lyspære) har wolframtråden en temperatur på 2900 K. Lyspæren vil etter Wiens lov ha maksimal energiutstråling ved 1035 nm, altså i det infrarøde området av det elektromagnetiske spektrum. En glødelampe sender ut forholdvis mye varmestråling i forhold til lys sammenlignet med et lysstoffrør. Et objekt ved 20 oC (= 293 K), vil ha maksimal utstråling ved 9.9 mikrometer (μm), det vil si langbølget infrarød varmestråling. Langbølget infrarød stråling kan måles med et termokamera.

  Hvis man skal beregne hvor man får den største fotonfluksen ut fra Wiens lov brukes i stedet konstanten 3.6 ⋅106 nm K over brøkstreken i ligningen.

\(\lambda_{max}=\frac{3.6 \cdot 10^6}{T}\)

Vi kan regne ut maksimal strålingsenergi fra sola ut fra temperaturen på overflaten:

5.670·10-8Wm-2K-4 ∙5800K-4= 6.4·107 Wm-2

Lys blir ikke bare absorbert og emitert. Lys kan også bli reflektert og gå igjennom et objekt (transmittert). Vinkelen på innkommen stråling er lik vinkelen på  reflektert stråling . Treffer lys en glatt overflate vil en parallell strålebunt forbli parallell etter refleksjon. Er overfalten ru eller behåret vil dette gi diffus refleksjon og brytning. Lys kan reflekteres av indre overflater som finnes i et blad. Fotonfluksen som treffer en overflate avhenger av vinkelen som strålingen treffer med angitt i Lamberts cosinuslov. Ifølge Grotthus og Drapers fotokjemiske lov vil bare lys som absorberes gi en fotokjemisk reaksjon.Stark og Einsteins fotokjemiske ekvivalenslov sier at absorbsjon av ett kvant gir en fotokjemisk forandring i bare ett elektron i ett molekyl eller atom.

Fluks brukes for å beskrive mengden lys per areal og tidsenhet (μmol m-2s-1).  Fluens er mengde lys per arealenhet (μmol m-2).    Det trengs minimum 8 fotoner i fotosyntesen per fiksert karbondioksidmolekyl og frigitt oksygenmolekyl.

Regneeksempel:

Hvis fotosyntesehastigheten for et blad er 10 μmol CO2 m-2 s-1 vil det lagre:

10·10-6 mol m-2s-1∙479·103 J mol-1 = 5 W m-2, som tilsvarer ca. 1% av solenergien på en solrik dag. 479 kJ er mengden energi som lagres per CO2 molekyl som blir fiksert. Netto fotosyntese på 0.5 -2 mg CO2 m-2 s-1 tilsvarer å lagre 8-32 W m-2.

Sola - en fusjonsreaktor

Sola inneholder ca. tre fjerdedeler hydrogen, omtrent en fjerdedel helium, samt små mengder av noen andre grunnstoffer som karbon, oksygen, nitrogen, jern og neon. I de ca. 4.6 milliarder Sola har eksistert synker innholdet av hydrogen, mens mengden helium øker.  Alfa-stråling består av heliumkjerner med ladning 2+. Gravitasjonskreftene gjør at temperaturen inne i sentrum Sola er beregnet til å være  ca. 15 millioner oC (1.57·107K), tetthet 150 g cm3, og trykket er ca. 2·1011 atmosfærer. Under slike ekstreme betingelser foreligger all materie som plasma (protoner, fotoner, elektroner, heliumpartikler, neutrinoer). 
 Einsteins ligning viser at endring i hvilemasse Δm0 gir endring i energi ΔE, hvor c er lyshastigheten i vakuum 3·108 m s-1, og siden kvadrering av lyshastigheten inngår i ligningen gir meget små endringer i hvilemasse svært store energimengder.  

\(\Delta E=\Delta m_0 c^2\)

Det er to hovedtyper fusjonsreaksjoner:

1) Karbon-Nitrogen-Oksygen-syklus (CNO-syklus) som gjør at man i Universet får dannet blant annet grunnstoffene karbon, nitrogen og oksygen. En syklus foreslått av de tyske fysikerne, henholdsvis Hans Behte og Carl von Weizsäcker.

2) Proton-proton-kjedereaksjonen (p-p-kjedereaksjonen) som gir en forklaring på hvordan fire hydrogenkjerner (protoner) omdannes til en helium-kjerne med samtidig frigivelse av store energimengder og neutrinoer. Først fusjonerer to hydrogenkjerner (1H) og danner deuterium (2H) samtidig som det sendes ut et positron (e+, et positivt ladet elektron) og et nøytrino (ν). Positroner annihilerer med elektroner (e-) og sender ut gammastråling (γ). Nøytrinoene fyker av sted gjennom Universet.  Deuteriumkjernen fanger opp ytterligere et proton og lager en helium-3-kjerne (3He).  To 3He danner en helium-4-kjerne (4He, alfa-partikler) samt to protoner.   Helium er en edelgass med plass 2 i periodesystemet, og har en atomkjerne bestående av 4 nukleoner (2 protoner og 2 nøytroner (n)).

2[1H + 1H] → 22H + 2e+ + 2ν

2[1H + 2H] → 23He

3He + 3He → 4He + 21H

Det er beregnet at Sola har nok hydrogen til å fortsette med dette i ca. 5 milliarder år. I Tokamak-reaktoren har man forsøkt å lage en slik termonukleær fusjon som foregår i Sola.

Fotoreseptorer i alt levende fanger opp de forskjellige bølgelengdene av Solstrålingen

Alt liv på Jorden er avhengig av solstråling (fotobiologi). Drivhuseffekt gir levelig temperatur, og lys absorbert og fanget av klorofyll gir grunnlag for alt liv på Jorden. Fossilt brensel som kull, olje og gass er resultat av  fotosyntese for millioner av år siden. Liv i hydrotermiske ventiler i i absolutt mørke i dyphavet er sekundært avhengig av solstråling siden oksygen dannet i fotosyntesen blir brukt som elektronakseptor for de kjemoautotrofe bakteriene. Dyr og planter blir styrt av biorytmer (cirkadiske rytmer) fra dag-nattsyklus registrert av en biologisk klokke, i tillegg til en årstidssyklus avhengig av breddegrad på Jorden registrert som fotoperiodisme. Organismegruppene har mange forskjellige fotoreseptorer som er starten på signalveier som gir biologisk respons på lysforholdene: klorofyll, karotenoider, fykobiliproteiner, fytokromer, kryptokromer, neokromer, zeitlupeproteiner, UV-reseptorer (UV-R8), anthocyaniner, betacyaniner, antrakinoner,   rhodopsiner inkludert synspigmentet retinal, melaniner, og hem. Fotoeksiterte pigmenter kan overføre eksitasjonsenergi mellom molekyler som har kort avstand fra hverandre (ca. 10 nm)  via Förster resonansenergioverføring (FRET).

Spektralfordelingen bl.a. forholdet mellom rødt og mørkerødt lys varierer gjennom døgnet og kan registreres av fytokrom, hvor det er forholdsvis mer mørkerødt lys (730 nm) i forhold til rødt lys (660 nm) ved demring og skumring. I vegetasjonsskygge blir det også større mengder mørkerødt i forhold til rødt lys.

Litteratur:

Etherington JR: Environment and plant ecology. W.H. Freeman & Comp. 1983

Lambers H, Chapin III FS & Pons TL: Plant Physiological Ecology. Springer Verlag 1998.

Larcher W : Physiological plant ecology, Springer Verlag 1995.

Nobel PS: Physicochemical and environmental plant physiology. Academic Press 1991.

Monteith JL. & Unsworth MH: Principles of environmental physics. Edward Arnold 1990.

Willert  DJ von, Matyssek R & Herppich W: Experimentelle Pflanzenökologie. Georg Thieme Verlag 1995.

Teksten er hentet fra Økologi

Tilbake til hovedside

Publisert 4. feb. 2011 10:50 - Sist endret 10. mai 2019 15:28