Usłonecznienie

 

Usłonecznienie (materiał pierwotnie przygotowany dla studentów nawigacji AM w Gdyni)
Andrzej A. Marsz (wszelkie prawa autorskie zastrzeżone)

Pod mianem usłonecznienia określa się czas operacji Słońca, czyli czas, w którym promieniowanie bezpośrednie dochodzi do powierzchni terenu. Usłonecznienie mierzy się jako sumę dobową (dokładniej - dzienną; w godzinach i minutach lub godzinach i ich częściach dziesiątych) operacji Słońca, sumę miesięczną i sumę roczną.

Usłonecznienie dobowe zależne jest od trzech czynników:

  • długości dnia (określonej przez czynniki astronomiczne - datę i związaną z nią wartością deklinacji Słońca oraz szerokości geograficznej miejsca obserwacji. Ten zespół czynników określa tak zwane usłonecznienie maksymalnie możliwe (Um); czas od momentu wschodu Słońca do momentu jego zachodu),
  • zachmurzenia, które ogranicza możliwość dotarcia promieni słonecznych do powierzchni (czynnik meteorologiczny),
  • zespołu czynników topograficznych (rzeźba terenu), który może powodować zacienienie terenu przez znajdujące się w otoczeniu miejsca pomiarów elewacje (wyniosłości terenowe) lub własne cechy powierzchni (nachylenie i ekspozycję danej powierzchni - np. przy nachyleniu terenu przeciwnym do azymutu Słońca i kącie nachylenia większym od wysokości Słońca w danym momencie do danej powierzchni nie będą dochodziły promienie słoneczne). Ten ostatni czynnik ma duże znaczenie na lądzie (zwłaszcza w górach i innych terenach silnie rozciętych), przyczyniając się do silnego lokalnego zróżnicowania dopływu promieni słonecznych do powierzchni terenu, gdzie może być przyczyną silnego zróżnicowania warunków topoklimatycznych. Na morzu, gdzie nie występuje osłonięcie widnokręgu, nie odgrywa żadnej roli.

Usłonecznienie miesięczne stanowi sumę usłonecznienia dobowego zmierzonego w danym miesiącu, usłonecznienie roczne - odpowiednio sumę roczną. W skali roku (usłonecznienie roczne) każdy punkt na powierzchni Ziemi teoretycznie powinien posiadać taką samą wartość usłonecznienia. Ponieważ można przyjąć, że średnia refrakcja atmosferyczna jest jednakowa w skali globu, strata (zmniejszenie się) usłonecznienia "zimą" (krótszy dzień) jest dokładnie rekompensowana wzrostem usłonecznienia w okresie "lata" (dłuższy dzień).

Usłonecznienie rzeczywiste (Ur) - jest wyrażone w godzinach i ich częściach dziesiątych i stanowi wynik pomiarów heliograficznych (patrz: heliograf).

Usłonecznienie możliwe na stacjach lądowych oblicza się jako usłonecznienie możliwe wynikające z działania czynnika astronomicznego minus czas, w jakim na danej stacji występuje zacienienie, co wynika z działania czynnika topograficznego (zacienienie związane z zasłonięciem widnokręgu).

Usłonecznienie względne (Uw) - określa w jakim procencie (ułamku) maksymalnie możliwego czasu usłonecznienia (Um) odnotowano na danej stacji występowanie usłonecznienia rzeczywistego. Określa się je jako: Uw = (Ur / Um) [usłonecznienie wyrażone w ułamku] lub Uw = (Ur / Um) · 100% [w procentach].
Usłonecznienie względne w sposób najbardziej poglądowy charakteryzuje działanie czynnika meteorologicznego w kształtowaniu usłonecznienia; niweluje ono bowiem wpływ zmiennej długości dnia, jednak w małym stopniu informuje o rzeczywistej (bezwzględnej) zmienności długości czasu operacji Słońca. Przykładowo w wysokich szerokościach geograficznych, gdzie długość dnia latem może przekraczać 20 godzin a zimą ograniczona jest do 4 godzin, usłonecznienie względne równe latem np. 15% da znacznie większy czas operacji Słońca niż np. 50% zimą (w pierwszym przypadku usłonecznienie rzeczywiste będzie wynosić około 3 godzin, w drugim - 2 godziny). Z tego względu należy rozważnie posługiwać się oboma miarami.

Związki usłonecznienia z zachmurzeniem nie są proste, wykazują silne zróżnicowanie regionalne. Choć usłonecznienie wiąże się z wielkością dopływu promieniowania do powierzchni, nie można bezpośrednio z usłonecznienia wnioskować o ilości energii słonecznej dochodzącej do powierzchni oceanu czy powierzchni terenu. Tego samego dnia, przy takim samym usłonecznieniu (np. 4 godziny) istotną rolę odgrywać będzie wysokość Słońca - zupełnie inna będzie dochodząca ilość energii słonecznej do powierzchni w sytuacji, gdy np. promienie słoneczne dochodzić będą do powierzchni terenu / oceanu od godziny 07 do godziny 11 niż np. od godziny 10 do 14.

Heliograf

przyrząd do pomiaru usłonecznienia. Istnieje szereg rozwiązań konstrukcyjnych heliografów, stąd też liczba stosowanych typów tych przyrządów pomiarowych jest dość duża. Jednym z najpopularniejszych typów jest heliograf Campbella-Stokesa (występujący w szeregu odmian). Idea pomiaru jest następująca: podstawowym elementem jest kula szklana, ze szkła o odpowiednio dobranym współczynniku załamania światła, która pełni rolę soczewki skupiającej; kula ta jest zamocowana w specjalnym uchwycie i jest otoczona z trzech stron przez obudowę, w którą wsuwa się specjalnego kształtu pasek papieru zawierającego dużą domieszkę kredy (aby był niepalny); na pasku znajduje się skala czasowa; promienie słoneczne, padające na kulę szklaną są ogniskowane na pasku papieru, gdzie wypalają ślad w postaci linii.

 

Po lewej - heliograf Campbella-Stokesa produkcji ZSRR. Widoczna kula szklana pełniąca rolę soczewki skupiającej, za nią wycięcie na paski (niebieskie), w których skupione promienie słoneczne wypalają ślad, którego długość określa czas operacji Słońca (od-do). Widoczne również układy regulujące - z boku - służące do ustawiania heliografu na szerokość geograficzną miejsca obserwacji. Po prawej - heliografy Campbella-Stockesa na Polskiej Stacji Polarnej w Hornsundzie (fot. W.E. Krawczyk).

Heliograf musi być zainstalowany w miejscu, do którego dostęp promieni słonecznych jest swobodny (w otoczeniu nie mogą znajdować się obiekty zacieniające heliograf), precyzyjnie zorientowany względem stron świata (oś przyrządu zgodna z przebiegiem południka lokalnego, otwarcie na S na półkuli północnej, na N na półkuli południowej) i ustawiony na szerokość geograficzną miejsca obserwacji. Ustawienie na szerokość geograficzną określa pochylenie obudowy, w której instaluje się pasek, tak, aby obudowa nie zacieniała kuli przy danej wysokości Słońca. W heliografach Campbella-Stokesa przeznaczonych do pracy w umiarkowanych szerokościach geograficznych stosuje się dodatkowo trzy rodzaje pasków; odrębnych dla każdego sezonu (paski letnie, długie, silnie ugięte w dół; paski jesienno-wiosenne, proste i paski zimowe, krótkie). Każdy rodzaj pasków wsuwa się w specjalne, dostosowane do rodzaju paska wycięcia.

Heliografy Campbella-Stokesa rozpoczynają notować usłonecznienie dopiero od momentu, w którym natężenie promieniowania słonecznego jest równe i przekracza 0,3 cal/cm2/min (209 W/m2). Z tego względu nie odnotowują usłonecznienia krótko po wschodzie i przed zachodem Słońca, gdy wysokość Słońca jest mniejsza od 3°. W wysokich szerokościach powoduje to zdecydowane zafałszowanie wyników pomiarów zimą, gdyż okres, w którym wysokość Słońca jest niższa od 3° może być długi. Jednocześnie heliografy Campbella-Stokesa notują usłonecznienie również wtedy, gdy przy większych wysokościach Słońca niebo jest przesłonięte chmurami wysokimi lub cienką warstwą chmur średnich (cieńsze odmiany As translucidus). Jeśli kula heliografu jest utrzymywana w czystości, dokładność pomiarów heliografu Campbella-Stokesa mieści się w granicach około 0,1 godziny (6 minut).
Inne typy heliografów notują czas promieniowania słonecznego na papierze światłoczułym lub stosuje się w nich elementy fotoelektryczne jako czujniki pomiarowe zaś wynik pomiaru zapisuje rejestrator elektryczny.
Na morzu, poza specjalnymi przypadkami; np. na statkach naukowo-badawczych, pomiary heliograficzne nie są wykonywane. Mimo prostoty pomiaru brak tu możliwości zachowania heliografu w położeniu horyzontalnym, podobnie jak zachowania niezmienionej orientacji heliografu względem południka.

Publikacje metodyczne

Dorota Matuszko - A comparison of sunshine duration records from the Campbell-Stokes sunshine recorder and CSD3 sunshine duration sensor. Theoretical and Applied Climatology , volume 119, pages 401- 406, 2015.
Adres: https://link.springer.com/article/10.1007/s00704-014-1125-z

Dorota Matuszko - Porównanie wartości usłonecznienia mierzonego heliografem Campbella-Stokesa i czujnikiem elektronicznym CSD3. Przegląd Geofizyczny, zeszyt 1: 3-10, 2012.
Adres:http://ptgeof.imgw.pl/?strona=5,12,1

Marek Kejna, Joanna Uscka-Kowalkowska - Porównanie wyników rejestracji usłonecznienia heliografem Campbella-Stokesa i czujnikiem świecenia Słońca DSU12 w Koniczynce k. Torunia w latach 2006-2010. Przegląd Geofizyczny, zeszyt 1: 11-20, 2012.
Adres: http://ptgeof.imgw.pl/?strona=5,12,1

 

Publikacje dotyczące usłonecznienia w Polsce

Mieczysław Kuczmarski - Usłonecznienie Polski i jego przydatność dla helioterapii. Dokumentacja Geograficzna, z. 4, 1990.
Adres: http://rcin.org.pl/igipz/dlibra/publication/35850/edition/21093

Dorota Matuszko, Krzysztof Bartoszek, Jakub Soroka, Stanisław Węglarczyk - Zmienność i zróżnicowanie usłonecznienia w Polsce w latach 1971-2018, na podstawie danych naziemnych i satelitarnych.
[w:] Współczesne problemy klimatu Polski - Chojnacka-Ożga, H. Lorenc (red.)
Wydawca: IMGW-PIB, Polskie Towarzystwo Geofizyczne, 2019, s. 53-65.
Adres: https://www.imgw.pl/sites/default/files/2020-08/imgw_wspolczesne-problemy-klimatu-polski.pdf

Marsz A., Styszyńska A., 2021. Zmiany usłonecznienia rzeczywistego w Polsce i ich przyczyny (1966-2018). Prace Geograficzne, tom 165, s. 23-52.
Adres: https://www.ejournals.eu/pliki/art/20701/

Krzysztof Bartoszek, Dorota Matuszko, Jakub Soroka - Relationships between cloudiness, aerosol optical thickness, and sunshine duration in Poland, Atmospheric Research, 245 (105097), 1-13, 2020.
Adres: https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2020.105097

Dorota Matuszko - Warunki solarne Krakowa i możliwości ich wykorzystania w helioenergetyce. Acta Scientiarum Polonorum. Formatio Circumiectus, tom 15 (1), s. 103-111, 2016.
Adres: https://ruj.uj.edu.pl/xmlui/handle/item/35017?search-result=true&query=Matuszko&current-scope=item%2F2803&rpp=10&sort_by=score&order=desc

Dorota Matuszko - Wpływ zachmurzenia na usłonecznienie i całkowite promieniowanie słoneczne (na przykładzie krakowskiej serii pomiarów). Wydawnictwo UJ, Kraków, 2009.
Adres: https://ruj.uj.edu.pl/xmlui/handle/item/85241?search-result=true&query=Matuszko&current-scope=item%2F2803&rpp=10&sort_by=score&order=desc

Dorota Matuszko, Katarzyna Piotrowicz - Związek usłonecznienia i temperatury powietrza na podstawie wieloletniej serii klimatologicznej w Krakowie (1884-2016). Przegląd Geofizyczny, zeszyt 1-2, 15-29, 2018.
Adres: http://ptgeof.imgw.pl/?strona=5,20,1

Agnieszka Podstawczyńska - Cechy solarne klimatu Łodzi. Acta Universitatis Lodziensis, Folia Geographica Physica, 7. Wyd. UŁ, Łódź, 2007.
Adres: http://meteo.geo.uni.lodz.pl/ap/pdf/2007_Cechy_solarne_klimatu_Lodzi.pdf