3.3. A Nap és a Föld sugárzási spektruma

A földi légkör és felszín levegőfizikai, levegőkémiai és biológiai folyamatait tápláló energia 99,99%-a a Napból érkezik elektromágneses sugárzás formájában. A többi, viszonylag kis mennyiségű (mindössze 0,01%) energia a Föld forrón izzó belsejéből származik. Ezért mondjuk, hogy a Napból jövő energia vezérli a földi légkör és az óceánok mozgásrendszereit.

A 3.16. ábra folyamatos görbéje a Nappal közel azonos 5800 K hőmérsékletű fekete test Planck függvényét mutatja be, mellyel a Napból kilépő sugárzás spektrumát kívántuk közelíteni. Az ábra pontozott és szaggatott görbéi a légkör felső határára, illetve a földfelszínre leérkező napsugárzás méréseken alapuló spektrális eloszlását mutatják. Az ábra alsó vízszintes tengelyén a hullámhosszat, felső vízszintes tengelyén az adott hullámhosszhoz tartozó foton energiát (J egységekben) tüntettük fel. Jól látható egyrészt, hogy a Nap számított és mért sugárzási spektruma jól megegyezik, másrészt, hogy a napsugárzás, áthaladva a földi légkörön komoly veszteségeket szenved. A veszteség mértékének a hullámhossztól való függését a két görbe közötti terület nagysága reprezentálja. A légköri részecskéknek más és más az ún. elnyelési sávja, amely hullámhosszon az áthaladó napsugárzás jelentős hányadát abszorbeálni tudják. A földfelszínre érkező sugárzás energiaspektrumában található nagyobb abszorbciós sávokat főleg az oxigén (O2), az ózon (O3), a vízgőz (H2O) és a szén-dioxid (CO2) gázok okozzák.

 

A Napból jövő sugárzás hullámhossz függése, s a részecskék ütközés révén történő energia leadása

3.16. ábra: A Napból jövő sugárzás hullámhossz függése, s a részecskék ütközés révén történő energia leadása

 

A bejövő napsugárzás és a kimenő földsugárzás Planck függvényei

3.17. ábra: A bejövő napsugárzás és a kimenő földsugárzás Planck függvényei, azaz a Nap és a Föld által kibocsátott sugárzási energia spektrális eloszlásának összehasonlítása (Forrás: T. L. McKnight, 1990)

Bármely test sugárzásának hullámhossz spektruma csak az energiát kibocsátó objektum hőmérsékletétől függ (Planck-törvény). A 3.17. ábra a bejövő napsugárzás, valamint a kimenő földsugárzás hullámhossz szerinti eloszlásgörbéjét, azaz spektrumát mutatja. Leolvasható, hogy nagyon eltér egymástól a két sugárzási spektrum: a Nap nagyon magas hőmérséklete miatt a rövidhullámú (látható fény) tartományban sugároz 0,5 μm-es maximummal, míg a lényegesen alacsonyabb hőmérsékletű Föld a hosszúhullámú (infravörös) tartományban sugároz 10 μm-es maximummal.

A fentiek igazolására az előző szakaszban tárgyalt Wien-féle eltolódási törvény alkalmazásával is meghatározhatjuk a Nap és a Föld maximális energiával sugárzó hullámhosszait:

λmax-NAP = 2884/5800 [μm] ≈ 0,497 [μm] ≈ 0,5 [μm].

λmax-FÖLD = 2884/298 [μm] ≈ 9,677 [μm] ≈ 10 [μm]

Mivel a Föld és a Nap energiaspektruma között alig van átfedés, s a légkört alkotó gázok elnyelési sávjai nem egyenletesen fedik le a sugárzási hullámhosszak tartományát, ezért a légkörben bárhol elfogott, bármilyen irányból jövő energianyaláb eredete (a hullámhossz ismeretében) elég nagy biztonsággal behatárolható.