Päikesekiirgus

Päikesekiirgus on Päikeselt lähtuv elektromagnetlainete ja aineosakeste voog. Päikesekiirguse voog mõjutab tugevasti elu Maal, sellest sõltub atmosfääri soojenemine ja jahtumine, atmosfääri püsivus, vee aurumine ja kondensatsioon, soojusenergia olemasolu ja üldisemalt Maa kliima. Suurem osa päikesekiirgusest hajub maailmaruumis laiali. Maani jõuab vaid pool miljardikku kogu kiirgusest ehk 5,4 × 1012 teradžauli aastas. Maa keskmisel kaugusel Päikesest Maa atmosfääri ülapiirile päikesekiirtega risti olevale pinnaühikule langevat kiirgusvoo hulka nimetatakse solaarkonstandiks. Solaarkonstandi väärtus muutub Päikese 11-aastase tsükli kestel vahemikus 1361–1362 W/m2. Atmosfääriväline päikesekiirguse spekter on ligikaudu võrdne absoluutselt musta keha kiirgusega temperatuuril 5800 K.
Päikesekiirgus maapinnal.
Läbi atmosfääri maapinnani jõudva päikesekiirguse voog sõltub laiuskraadist, aastaajast ja kellaajast. Atmosfääri läbides osa kiirgust neeldub või hajub tagasi maailmaruumi, sest õhu molekulid, aerosooli osakesed ja veepiisad pilvedes neelavad ja hajutavad kiirgust. Nii on maapinnani jõudev kiirgusvoog väiksem kui atmosfääri ülapiirile saabuv ja selle spektraalne koostis on muutunud.
Teadusharu, mis uurib päikesekiirguse intensiivsust ja spektraalset koostist ning selle levi atmosfääris, hüdrosfääris ja taimkattes ning päikesekiirguse peegeldumist aluspinnalt, on aktinomeetria. Aktinomeetrias eristatakse nelja olulist kiirgusvoogu: otsekiirgus, hajuskiirgus, summaarne kiirgus ja peegeldunud kiirgus.
Otsekiirgus.
Otsekiirgus on see osa päikesekiirgusest, mis jõuab päikeseketta suunast maapinnale praktiliselt paralleelsete kiirte kimbuna. Otsekiirgust mõõdetakse kiirtega risti asetseval pinnal. Otsekiirguse voog sõltub mitmest faktorist:
Otsekiirguse voog muutub suurtes piirides. Selgelt tulevad välja ööpäevane ja aastane käik. Väiksematel laiuskraadidel sisaldab atmosfäär rohkem veeauru ja lisandeid kui suurematel laiustel, seega on otsekiirguse maksimaalne voog suurematel laiuskraadidel suurem.
Eestis jäävad otsekiirguse kuusummad vahemikku 50–600 MJ/m2.
Hajuskiirgus.
Hajuskiirgus on see osa päikesekiirgusest, mis pärast hajumist õhu molekulidel, aerosoolil, veeaurul ja pilvedes jõuab maapinnale kõikvõimalikest suundadest. Hajuskiirguse voogu mõjutab lisaks päikese seniitkaugusele kõige rohkem see, kui suur osa taevasfäärist on kaetud pilvedega, kuidas pilved paiknevad päikese suhtes ning kui paksud on pilved. Selge taeva korral kujundab hajuskiirguse voo päikese seniitkaugus ning veeauru ja aerosooli hulk atmosfääris. Hajuskiirguses on lühema lainepikkusega kiirguse osakaal suurem kui otsekiirguses. Hajuskiirguse puhul on oluline osa ka lumikattel. Viimase olemasolul suureneb maapinnale langenud kiirguse tagasipeegeldumine, mis omakorda hajub atmosfääris tagasi maa suunas ja suurendab nii hajuskiirguse hulka.
Hajuskiirguse kuusummad Eestis on vahemikus 20–300 MJ/m2.
Summaarne kiirgus.
Summaarne kiirgus on horisontaalsele pinnale langeva otsekiirguse ja hajuskiirguse summa. Otsekiirguse ja hajuskiirguse osa summaarses kiirguses sõltub tugevasti päikese kõrgusest, pilvede hulgast ning liigist ja atmosfääri läbipaistvusest. Summaarse kiirguse voog sõltub samadest teguritest kui ta komponendid. Osa sõltuvusi on aga nõrgemad, sest mõju otse- ja hajuskiirgusele on vastupidine (pilvisus, atmosfääri läbipaistvus). Summaarse kiirguse spektraalne koostis sõltub otse- ja hajuskiirguse spektraalsest koostisest ja nende voogude suhtest.
Eestis on summaarse kiirguse keskmised kuusummad vahemikus 20–630 MJ/m2. Hea atmosfääri läbipaistvuse, suure päikese kõrguse ja sobiva pilvede paigutuse korral võib summaarse kiirguse vootiheduse hetkväärtus ületada solaarkonstanti.
Peegeldunud kiirgus.
Osa maapinnale langenud kiirgusest peegeldub tagasi atmosfääri. Kuivõrd maapind ei ole kunagi peegelsile vaid on kare, konarlik ja/või kaetud taimedega, siis peegeldub maapinnale langenud kiirgus difuusselt kõikvõimalikesse suundadesse. Maapinnalt peegeldumist iseloomustab albeedo, s.o kogu kõikvõimalikesse suundadesse peegeldunud voo suhe summaarse kiirguse voogu.
Mõõtmine.
Aktinomeetrias käsitletakse enamasti kiirgustingimusi
horisontaalsel pinnal. Sõltuvalt kiirguse lainepikkusest jaotatakse see lühi- ja
pikalaineliseks kiirguseks. Kui kiirguse lainepikkus jääb vahemikku 0,2–4,0 µm,
loetakse see lühilaineliseks. Pikalaineliseks piirkonnaks on 4–100 µm.
Päikesekiirgus on 99% ulatuses lühilaineline. Päeval on kogu lühilaineline
kiirgus kas Päikeselt saabuv või atmosfääris ja maapinnal hajunud päikesekiirgus.
Pikalainelises kiirguses domineerib maapinna ja atmosfääri omakiirgus. Otsest
kiirgust mõõdetakse aktinomeetriga. Summaarset ja peegeldunud
kiirgust mõõdetakse püranomeetritega. Hajuskiirgust mõõdetakse
püranomeetriga, millel on otsene kiirgus varjutatud kas variringiga või
kellamehhanismiga liigutatava varikettaga.
Ajalugu.
Päikesekiirguse olemuse vastu hakati huvi tundma 17. sajandil, kui Galileo uuris Päikese plekke ja Newton avastas valguse spektraalse iseloomu. Esimese aktinomeetri valmistas 19. sajandil inglise astronoom John Herschel. See kujutas endast suurt ja tundlikku termomeetrit, millega sai määrata kindlal ajaperioodil termomeetri neelatud kiirguse soojushulga.
Mõõtmine Eestis.
Eestis on päikesekiirgust mõõdetud juba ligi 80 aastat. Esialgu olid mõõtmised küll episoodilised ja puudulikud. Korrapäraste ja pidevate mõõtmiste algus jääb 20. sajandi keskpaika, mil kiirgust hakati mõõtma Tartu aktinomeetriajaamas (alates 01.10.1965 Tõraveres) ja pisut hiljem ka Tiirikoja järvejaamas. 1953–1964 toimusid mõõtmised ka Kuusiku meteoroloogiajaamas ja Tooma soojaamas. Piisavalt usaldusväärse pikkusega mõõtmiste aegread on seega Tõravere ja Tiirikoja kohta. Need on ka ühed pikematest vaatlusridadest Põhja-Euroopas. Ülejäänud paikade kiirgusrežiimi leidmiseks tuleb kasutada empiirilisi valemeid. Hoolimata sellest, et Eesti on pindalalt väike, erinevad kiirgustingimused eri kohtades suuresti. Näiteks Tõravere jaam asub sisemaal kaugel suurtest veekogudest, aga Tiirikoja jaam on Peipsi järve lähedal, mis sealset kiirgusrežiimi tugevalt mõjutab.
2017. aasta seisuga mõõdetakse Eestis päikesekiirgust üheksas jaamas: Tartu-Tõravere, Tiirikoja, Tallinn-Harku, Pärnu, Vilsandi, Pakri, Narva-Jõesuu, Roomassaare ja Haapsalu. 14 jaama mõõdavad ka veel päikesepaiste kestust. Tõravere aktinomeetriajaam kuulub ülemaailmsesse päikesekiirguse mõõtmise baasjaamade võrku BSRN (Baseline Surface Radiation Network, http://www.gewex.org/bsrn.html).
Mõju inimestele.
Päikeselt saabuvatest kiirgusvahemikest mõjutab inimest otseselt enim ultraviolettkiirguse piirkond. UV-kiirgus on vajalik D-vitamiini tekkimiseks. D-vitamiinil on oluline roll organismi kaltsiumiringes. Samas liiga suurtes doosides kahjustab see inimeste tervist. UV-kiirguse jõudmist maapinnale takistab osoonikiht, ilma milleta oleks elu Maal võimatu.
UV-kiirguse ohtlik mõju väljendub enim nahapõletuste tekkes. Mõju hindamiseks kasutatakse UV-indeksit. Indeksi väärtus sõltub kiirguse lainepikkusest, päikese kõrgusest ja pilvisusest. Öösel on indeksi väärtus 0. Kui indeks on 6 või rohkem, tekib heleda nahaga inimestel (sh ka eestlastel) põletus 25 minutiga. Eestis on kõrgeim UV-indeksi väärtus olnud 8,6, mis mõõdeti Tõraveres 6. juulil 2008.