إشعاع شمسي
الإشعاع الشمسي هو مقدار الأشعة الشمسية الساقطة على مساحةٍ معينة و القادرة على توليد قدرةٍ كهربائية . لا يصيب الأرض إلا حوالي جزء من ألفي مليون جزء من أشعة الشمس التي تقدر بنحو 130 ميجاوات لكل متر مربع من سطح الشمس، وهذا القدر الضئيل هو المسئول عن كل الطاقة الحرارية لسطح الأرض و غلافها الجوي.
تعتبر الشمس كرة من الغازات الساخنة بقطر 1٫39 مليون كم و هي تعمل كمفاعل نووي إندماجي يتم فيه دمج أربع أنوية هيدروجين لإنتاج نواة هليوم ثم يتحول فرق الكتلة إلي طاقة.
هذا الإندماج النووي يحدث داخل الكرة الشمسية عند درجة حرارة تصل إلي عدة ملايين درجة مئوية, و سطح الشمس يمكن إعتباره سطح جسم أسود درجة حرارته 5760 كلفن.
"معدل الطاقة الشمسية التي تسقط علي وحدة المساحات العمودية علي الأشعة خارج الغلاف الجوي عند مسافة متوسطة بين الشمس و الأرض (حيث تتغير هذه المسافة علي مدار السنة)" تعرف باسم الثابت الشمسي و حسب وكالة ناسا, فقيمة هذا الثابت 1353 ويبر/متر مربع.
بسبب هذا التغير البسيط في المسافة بين الشمس و الأرض فإن قيمة الإشعاع خارج الغلاف الجوي تتغير علي مدار السنة في حدود 3٫5%, و توضح المعادلة التالية تغير قيمة الإشعاع خارج الغلاف الجوي خلال أيام السنة.
[(H = H [1 + 0.0033Cos (360n/365
حيث:
أما إذا كان السطح موضوع خارج الغلاف الجوي موازيا لسطح الأرض, فإن كثافة الإشعاع السقاط عليه تحسب من العلاقة:
H = H × Cos
حيث:
كما يمكن حساب كمية الإشعاع الساقطة علي سطح أفقي خارج الغلاف الجوي خلال يوم من شروق الشمس إلي غروبها بتكامل المعادلة السابقة, لتصبح النتيجة:
[H =(24/π)× H[CosCosCos + (2π×h/360) Sin sin 
حيث:
عند مرور أشعة الشمس عبر الغلاف الجوي فإنها تتعرض لإنخفاض في قيمتها نتيجة لإمتصاص جزء منها أثناء مرورها في طبقات الجو المختلفة.
الموجات ذات الأطوال الموجية القصيرة جدا مثل أشعة X و أشعة جاما, يتم إمتصاصها في طبقة الأيونوسفير عند ارتفاعات عالية جدا.
أما الموجات الأطول نسبيا في المنطقة فوق البنفسجية يتم إمتصاصها بواسطة طبقة الأوزون علي ارتفاع يتراوح من 15 إلي 40 كيلومتر فوق سطح الأرض.
في طبقات الجو الأقرب يتم إمتصاص بعض من حزم الموجات تحت الحمراء بواسطة بخار الماء و غاز ثاني أكسيد الكربون. الأشعة التي تصل إلي سطح الأرض تقع بشكل أساسي في مدي الأطوال الموجية من 0.29 إلي 2.5 ميكرومتر, علاوة علي ذلك فإن جزء من الأشعة يتعرض للتشتت و الإعتراض من الهواء الجاف و بخار الماء و جزيئات الغبار العالقة.
و كنتيجة لإمتصاص الغلاف الجوي لجزء من الأشعة و تشتت الجزء الاخر فإن الطاقة المحملة في الأشعة تنخفض قيمتها قبل أن تصل إلي سطح الأرض, و تعتمد درجة النقص في الأشعة علي طول مسارها في الغلاف الجوي و كذلك طبيعة الغلاف الجوي في هذا المسار, و يتم التعبير عن طول المسار في الغلاف الجوي بما يعرف بكتلة الهواء و يرمز لها m و قيمتها تكون أقل ما يمكن علي سطح الأرض عندما تكون الشمس في الاتجاه الرأسي مباشرة أي أن زاوية السمت Z = 0, و عند ذلك تكون قيمة m تساوي 1.
عندما تميل الشمس فإن مسار الشعاع سيزيد بالمقارنة بالوضع الرأسي و في هذه الحالة تزيد قيمة m عن الواحد, و بشكل عام يمكن حساب قيمة كتلة الهواء m من العلاقة التالية:
m = 1 / cos 
حيث:
خارج الغلاف الجوي تكون قيمة m مساوية للصفر و هذا يعني أن الشعاع لم تتغير قيمته.
لحساب الإشعاع الشمسي داخل الغلاف الجوي أو علي سطح الأرض, يمكن استخدام العلاقة التالية و التي يمكن منها حساب القيمة اللحظية للإشعاع
(H = A × exp( -B / Sin ) = A × exp(-B × m
حيث:
نتيجة لتغير المسافة بين الشمس و الأرض و تغير كميات بخار الماء و المواد العالقة في الهواء الجوي بصورة موسمية فإن قيمة الثوابت A و B تتغير علي مدار السنة, و الجدول التالي يبين قيم هذه الثوابت لكل يوم 21 من أشهر السنة.
هذه القيم مأخوذة ليوم متوسط السحب و للمناطق الواقعة علي خط عرض من 0 إلي 64 في نصف الكرة الشمالي, و في حالة الأيام التي يكون فيها الجو صافي جدا فإن القيم المحسوبة من المعادلة السابقة تزيد بنسبة 15%, و لحساب الإشعاع الشمسي المشتت الساقط علي سطح ما يمك استخدام العلاقة التالية:
H = C × H × F
حيث:
(F = 0.5 (1 + Cos
حيث:
تعتمد كمية الإشعاع الشمسي الساقطة علي سطح ما واقع علي سطح الأرض علي:
و لحساب الأشعة علي السطح المائل سواء من القيم المقاسة للسطح الأفقي أو المحسوبة فلابد من تحويل هذه البيانات لكي تكون خاصة بالسطح المائل, و في حالة الإشعاع المباشر يمكن إستنتاج أن:
Cos = H / H
Cos = H / H
حيث:
و من ثم نجد أن:
"R = H / H = Cos / Cos
حيث:
السطح المائل يستقبل الأشعة المباشرة و المشتتة و كذلك المنعكسة من سطح الأرض و الأجسام المحيطة, و يمكن حساب الأشعة الكلية الساقطة علي السطح المائل من العلاقة التالية:
H = H×R + C × H ×(1+Cos)/2 +(H+H) × ρg × (1 - Cos)/2
حيث:
بالنسبة للسطح الأفقي فإن مجموع الأشعة الساقطة تكون مساوية للأشعة المباشرة و المشتتة أي أن:
H = H + H
حيث:
و يمكن تعريف معامل الميل للإشعاع الكلي من العلاقة التالية:
R = H / H = (H / H) × R + (H / H) × (1+COS)/2 + ρg × (1-COS)/2
حيث:
الغرض الأساسي من قياس شدة الإشعاع الشمسي يتحدد في معرفة و تسجيل القيم اللحظية و القيم علي المدي الطويل للإشعاع الشمسي المباشر و المشتت و الكلي الساقط علي سطح ما.
و الأجهزة المستخدمة في هذا المجال تعتمد إما علي التأثير الكهروحراري أو التأثير الكهروضوئي , و تستخدم ضمن هذه الأجهزة دوائر إلكترونية يمكنها تسجيل و تكامل البيانات اللحظية بحيث يمكن الحصول علي بيانات كل ساعة أو بيانات يومية.
و يوجد نوعان شائع استخدامهما في هذا المجال, هما:
الوصلة الساخنة للإزدواجات الحرارية تكون مطلية باللون الأسود و موجودة علي السطح العلوي
(أي معرضة لأشعة الشمس القادمة عبر الغلاف الجوي), و الوصلة الباردة تكون متجهة للاسفل داخل الجهاز و محجوبة عن الشمس.
و يحتوي الجهاز علي قرص حماية أبيض لامع و ذلك لمنع تأثر الإزدواج الحراري بمصدر آخر خلاف الإشعاع الشمسي المطلوب قياسه. و يعاير هذا الجهاز لقياس الإشعاع الكلي علي السطح الأفقي, و في حالة الاستخدام لقياس الإشعاع علي سطح مائل يلزم عمل تصحيح للقراءات المقاسة.
و يمكن استخدام البيرانوميتر لقياس الإشعاع المشتت فقط, و ذلك بتظليل سطح إستقبال الأشعة في الجهاز لمنع وصول الأشعة المباشرة. و بهذه الطريقة يمكن القول أنه باستخدام هذا الجهاز يمكن و بطريقة غير مباشرة معرفة كل من الإشعاع المباشر و المشتت.
2.البيرهليوميتر : يستخدم لقياس الإشعاع المباشر, و يتم حجب الأشعة المشتتة في هذا الجهاز عن طريق وضع حساس القياس ( و هو عبارة عن عمود حرارة) في قاع أنبوبة موجهة مباشرة إلي الشمس. الانبوبة المستخدمة تكون نسسبة القطر إلي الطول فيها 0.1 مما يجعل زاوية الرؤية 5.7 درجة, و تكون الأنبوبة مطلية باللون الأسود و بها هواء جاف عند الضغط الجوي, و يتم تثبيتها علي قاعدة تسمح بتحريكها بسهولة لكي تكون موجهة مباشرة إلي الشمس.