Lai arī neliels enerģijas daudzums atmosfērā nonāk no planētas karstajām dzīlēm, tomēr atmosfēras procesos galvenā nozīme ir tieši starojumam no Zemei tuvākās zvaigznes Saules, kas kopējā galvenās secības zvaigžņu kategorijā pēc lieluma ir parasta, neliela G2 klases dzeltenā zvaigzne ar virsas temperatūru 5000–6000° C. Aptuveni puse no izstarotās Saules enerģijas jeb radiācijas ir īso viļņu redzamā gaisma, neliela daļa ir ultravioletais (UV) starojums, bet atlikusī starojuma daļa, apmēram 36% ir garo viļņu, infrasarkanais jeb siltuma starojums.
Saules radiācija ir Saules starojuma daudzums, kas sasniedz Zemi. To mēra \(cal\)/\(cm^2\), \(kcal\)/\(m^2\), \(W\)/\(m^2\) vai \(MJ\)/\(m^2\) kādā noteiktā laika vienībā (stundā, mēnesī, gadā u.c.) Saules radiācijas mērvienību atbilstība ir šāda: 1W (vats) = 1 J (džouls) = 859,85 cal (kalorijas) vai 0,860 kcal (kilokalorijas). Savukārt 1 kcal atbilst 1,183 W.
Pagulvirsma ir aktīvā virsma; Zemes (augsnes, augāja, sniega, ledus, ūdens) virsma, kas mijiedarbībā ar atmosfēru piedalās siltuma un mitruma apmaiņā.
Zemes virsmu saulainā laikā sasniedz gan tiešā, gan mākoņu un dažādu atmosfēras gāzu izkliedētā, (piem., apmākušā dienā) radiācija. Tiešā un izkliedētā radiācija kopā veido summāro radiāciju. Daļu Saules enerģijas jeb radiācijas dažādā Zemes virsma sasilstot uzņem jeb absorbē, bet daļu atstaro atpakaļ kosmosā. Savukārt īsviļņos absorbēto Saules enerģiju Zemes virsa sasilstot pārveido garajos jeb infrasarkanajos viļņos un izstaro atpakaļ atmosfērā, sasildot piezemes gaisa slāni, bet jau kā siltuma enerģija. Jāuzsver, ka tā nav atstarotā, bet gan sasilušās pagulvirsmas (ūdens vai zemes) materiāla t.s. efektīvais (iz)starojums.
Kā zināms, 71% no Zemeslodes virsmas aizņem ūdens. Svarīgi zināt ūdens un sauszemes virsmu atšķirības Saules enerģijas uzņemšanā (absorbcijā), uzkrāšanā (akumulācijā) un atdošanā (efektīvajā izstarošanā) atmosfērā. Sauszeme ātri sasilst un ātri atdziest ar daudz mazāku akumulācijas jeb siltumietilpību nekā ūdenim, kas lēni iesilst, bet lēni arī atdziest. Viss atkarīgs no ūdens virsmas platības un tilpuma.
Efektīvais starojums – pagulvirsmas veidojošā materiāla uzņemtās, absorbētās un akumulētās īsviļņu Saules enerģijas izstarojums atpakaļ atmosfērā garo (infrasarkano) viļņu diapazonā.
Virsmas spēju atstarot vai absorbēt Saules radiāciju raksturo tās albedo koeficients. Tieši efektīvais (garo, infrasarkano viļņu) starojums, nevis atstarotā, īso viļņu radiācija sasilda tuvākos gaisa slāņus, tāpēc kalnu virsotnēs ir sniegi un ledāji, jo retinātais gaiss faktiski neuzņem, neabsorbē Saules īsviļņu starojumu (radiāciju), bet balto sniegāju virsma, ap 90% atstarojot atpakaļ Saules enerģiju, praktiski neabsorbē Saules starojumu, nesasilst, un to efektīvais garo siltuma viļņu izstarojums ir ļoti niecīgs.
Albedo ir skaitlis, kas rāda kādu daļu no Saules staru enerģijas priekšmets atstaro. Otru daļu no Saules staru enerģijas absorbē – uzsūc sevī. Atstarotās un absorbētās enerģijas daudzums atkarīgs no zemes virsmas krāsas, mitruma, struktūras, kā arī no Saules augstuma virs horizonta un atmosfēras stāvokļa. Albedo izsaka gan procentos – gan pārsvarā kā decimāla daļskaitļa koeficientu–, kurš mainās no 0 un maksimāli var būt kā skaitlis 1.
| Virsma |
Albedo
koeficients
|
Albedo
procentos
|
| spogulis | 1 | 100 % |
| asfalts | 0,05 – 0,1 | 5 – 10 |
|
ūdens
(atkarībā no staru krišanas leņķa)
|
0,1 – 0,8 | 10 – 80 |
| mežs | 0,1 – 0,15 | 10 – 15 |
| melnzeme | 0,05 – 0,15 | 5 – 15 |
| pļavas | 0,2 – 0,25 | 20 – 25 |
| uzsnidzis sniegs | 0,88 – 0,9 | 88 – 90 |
| smiltāji | 0,3 – 0,6 | 30 – 60 |
|
mākoņi
(dažāda biezuma)
|
0,25 – 0,85 | 50 – 85 |
Albedo aprēķins:
Radiācijas bilance ir starpība starp pagulvirsmas absorbēto pieplūdušās summārās Saules īsviļņu radiācijas daudzumu un pagulvirsmas efektīvo izstarojumu (garo viļņu enerģijas aizplūdumu) atpakaļ atmosfērā. Bilance var būt pozitīva, sabalansēta un negatīva.
Absorbcijas rezultātā sasilst pats pagulvirsmas materiāls, bet efektīvā izstarojuma rezultātā sasilst piezemes gaisa slānis. Ja radiācijas bilance ir pozitīva, virsma vairāk absorbē Saules enerģiju, ja negatīva, tad vairāk izstaro efektīvajā starojumā, jo zemes, okeānu ūdens dzīlēs ir saglabājusies uzkrātā, akumulētā siltuma enerģija. Jāatzīmē, ka industriālos rajonos ar lielu iznešu gāzu koncentrāciju gaisā aizvien lielāku nozīmi radiācijas bilancē iegūst t.s. atmosfēras pretstarojums, kurš pagaidām parasti netiek ņemts vērā radiācijas bilances aprēķinos.
Atmosfēras pretstarojums ir atmosfēras garo viļņu starojums, kam būtu jāaizplūst kosmosā, bet kas virzīts atpakaļ pret Zemes virsmu. Tā intensitāte atkarīga no ūdens tvaiku, \(CO_2\), metāna , slāpekļa oksīda un ozona daudzuma atmosfērā.
Zemes vēsturē, t.sk. Latvijas ģeogrāfiskajos platumos, arī daudzviet citur, pat polārajos apgabalos, atrastas senāka, siltāka klimata augu un dzīvnieku fosīlijas, siltzemju augu putekšņi, savukārt ģeologi pēta seno ledus laikmetu un to kušanas ūdeņu nogulumus. Tas viss liecina par globālā klimata izmaiņu cikliskumu dabā. Pašreiz pasaulē izplatīta diskutabla teorija par t.s. globālo sasilšanu, par kuras galveno cēloni tiek uzskatīta cilvēku saimnieciskā darbība, kas pastiprina t.s. siltumnīcas efektu.
Siltumnīcas efekts ir process, kad atmosfēras gāzes absorbē daļu no Zemes pagulvirmas infrasarkanā jeb efektīvā izstarojuma, kavējot tā aizplūšanu atpakaļ Visumā. Notiek t.s. atmosfēras pretstarojums.
Atmosfēras pretstarojums ir atmosfēras garo viļņu starojums, kas virzīts atpakaļ pret Zemes virsmu. Tā intensitāte ir atkarīga no ūdens tvaiku, ogļskābās gāzes, ozona, metāna un citu iznešu gāzu koncentrācijas gaisā.
Zemes virsma īsviļņu diapazonā saņem starojumu no Saules un, absorbējot to, izstaro vai atstaro no Zemes virsmas atpakaļ atmosfērā. Atmosfērā veidojas izkliedētā radiācija. Radiācijas bilance ir pozitīva, ja virsma saņem no Saules lielāku enerģijas daudzumu nekā atstarojot vai absorbējot izstaro garo viļņu diapazonā un atdod atpakaļ. Radiācijas bilance var būt pozitīva, sabalansēta vai negatīva. Naktīs un sezonu mēnešos mērenā klimatā tā ir negatīva. Polārajos apgabalos gada radiācijas bilance praktiski visos mēnešos ir negatīva, mērenā klimata joslā – atkarībā no klimata paveida, bet tropu un ekvatora rajonos – pozitīva. Latvijā gada bilance kopumā ir pozitīva, negatīva tā ir sniegotās ziemās, citos gadalaikos – kopumā pozitīva ar lielām sezonālām svārstībām, kā mērenā klimata joslā kopumā. Tā pasaulē rodas enerģijas pārpalikuma un iztrūkuma apgabali. Šeit liela ietekme ir gan virsmas raksturam, gan vietas ģeogrāfiskajam platumam, kas savukārt ietekmē Saules augstumu virs horizonta, Saules staru krišanas leņķi un enerģijas daudzumu, ko saņem Zemes virsmas laukuma vienība. Tātad Zemes virsmu sasniedz ne tikai tiešie Saules stari (tiešā radiācija), bet arī daļa atmosfēras, mākoņu izkliedētās radiācija, kas galvenā ir apmākušās dienās, kad Sauli neredz, bet ir gaišs. Tiešā un izkliedētā radiācija kopā kādā laika vienībā veido summāro radiāciju. Daļu no summārās radiācijas Zemes virsa sasilstot uzņem jeb absorbē, bet daļu atkarībā no virsas albedo atstaro.
Radiācijas bilance ir starpība starp pagulvirsmas absorbēto pieplūdušās summārās Saules īsviļņu radiācijas daudzumu un pagulvirsmas efektīvo izstarojumu (garo viļņu enerģijas aizplūdumu) atpakaļ atmosfērā. Bilance var būt pozitīva, sabalansēta un negatīva.
