الإشعاع السماوي المنتشر

الإشعاع السماوي المنتشر هو الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى سطح الأرض بعد تشتته من حزمة الإشعاع الشمسي المباشر بواسطة جزيئات أو جسيمات في الغلاف الجوي . ويُسمى أيضًا إشعاع السماء ، وهو العملية المحددة لتغير ألوان السماء . يُقاس عادةً على سطح أفقي، ولذلك يُطلق عليه غالبًا اسم الإشعاع الأفقي المنتشر (DHI) ، وغالبًا ما يُقاس بوحدة واط لكل متر مربع (واط/م² ⁾ . يُزال ما يقارب 23% من الإشعاع الساقط المباشر من إجمالي ضوء الشمس عن طريق التشتت في الغلاف الجوي؛ ومن هذه الكمية (من الإشعاع الساقط)، يصل حوالي ثلثيها في النهاية إلى الأرض كإشعاع سماوي منتشر .

عمليات التشتت الإشعاعي السائدة في الغلاف الجوي هي تشتت رايلي وتشتت مي ؛ وهي مرنة ، مما يعني أنه يمكن انحراف فوتون الضوء عن مساره دون امتصاصه ودون تغيير طوله الموجي.

تحت سماء ملبدة بالغيوم، لا يوجد ضوء شمس مباشر، وكل الضوء ينتج عن إشعاع ضوء السماء المنتشر.

انطلاقاً من تحليلات آثار ثوران بركان جبل بيناتوبو في الفلبين (في يونيو 1991) ودراسات أخرى: ^{[ 2 ] [ 3 ]} يمكن لضوء السماء المنتشر، نظراً لبنيته وسلوكه الجوهريين، أن يضيء أوراق الأشجار تحت الغطاء النباتي، مما يسمح بعملية التمثيل الضوئي الكلية للنبات بكفاءة أكبر مما لو كان الأمر كذلك؛ وهذا على النقيض تماماً من تأثير السماء الصافية تماماً مع ضوء الشمس المباشر الذي يلقي بظلاله على أوراق الأشجار تحت الغطاء النباتي وبالتالي يحد من عملية التمثيل الضوئي للنبات إلى طبقة الغطاء النباتي العلوية (انظر أدناه) .

يُشتت الغلاف الجوي للأرض الضوء ذو الأطوال الموجية القصيرة بكفاءة أكبر من الضوء ذي الأطوال الموجية الأطول. ولأن أطوال موجاته أقصر، فإن الضوء الأزرق يتشتت بقوة أكبر من الضوء ذي الأطوال الموجية الأطول، كالأحمر والأخضر. ومن ثم، عندما ينظر الإنسان إلى السماء بعيدًا عن ضوء الشمس المباشر ، يرى السماء زرقاء. ^{[ 4 ]} يشبه اللون المُدرَك اللون الأزرق أحادي اللون (بطول موجي 474-476 نانومتر ) الممزوج بالضوء الأبيض، أي الضوء الأزرق غير المشبع . ^{[ 5 ]} يُعد تفسير اللورد رايلي للون الأزرق عام 1871 مثالًا شهيرًا على تطبيق التحليل البُعدي لحل مسائل الفيزياء. ^{[ 6 ]}

يُعدّ التشتت والامتصاص من الأسباب الرئيسية لتوهين إشعاع ضوء الشمس في الغلاف الجوي. ويتغير التشتت تبعًا لنسبة أقطار الجسيمات ( في الغلاف الجوي) إلى طول موجة الإشعاع الساقط. عندما تكون هذه النسبة أقل من عُشر تقريبًا، يحدث تشتت رايلي . (في هذه الحالة، يتناسب معامل التشتت عكسيًا مع القوة الرابعة لطول الموجة. عند النسب الأكبر، يتغير التشتت بطريقة أكثر تعقيدًا، كما هو موضح بالنسبة للجسيمات الكروية في نظرية مي ). تبدأ قوانين البصريات الهندسية بالظهور عند النسب الأعلى.

يومياً ، في أي مكان حول العالم يشهد شروق الشمس أو غروبها ، يصل معظم شعاع الشمس المرئي إلى سطح الأرض بشكل شبه مماس . في هذه الحالة، يمتد مسار ضوء الشمس عبر الغلاف الجوي، مما يؤدي إلى تشتت جزء كبير من الضوء الأزرق أو الأخضر بعيداً عن خط الضوء المرئي. هذه الظاهرة تجعل أشعة الشمس، والسحب التي تضيئها، تكتسي بألوان برتقالية إلى حمراء زاهية، وهو ما نراه عند مشاهدة غروب الشمس أو شروقها.

فعلى سبيل المثال، عندما تكون الشمس في سمت الرأس ، وفي وضح النهار، تكون السماء زرقاء بسبب تشتت رايلي، والذي يشمل أيضًا الغازات ثنائية الذرة N₂ وO_2. قرب غروب الشمس، وخاصة أثناءالشفق،امتصاصالأوزون(O3)₃ ) يساهم بشكل كبير في الحفاظ علىاللون الأزرقفي سماء المساء.

يكاد ينعدم ضوء الشمس المباشر تحت السماء الملبدة بالغيوم ، لذا يكون كل الضوء إشعاعًا سماويًا منتشرًا. لا يعتمد تدفق الضوء بشكل كبير على الطول الموجي لأن قطرات السحب أكبر من الطول الموجي للضوء، فتشتت جميع الألوان بالتساوي تقريبًا. يمر الضوء عبر السحب الشفافة بطريقة مشابهة للزجاج المصنفر . تتراوح شدة الضوء (تقريبًا) من سدس ضوء الشمس المباشر في السحب الرقيقة نسبيًا إلى جزء من ألف من ضوء الشمس المباشر تحت السحب العاصفة الأكثر كثافة.

يُعد الإشعاع الأفقي المنتشر جزءًا من الإشعاع الأفقي الكلي، وتسري العلاقة التالية على القياسات الآنية .$${\displaystyle {\text{GHI}}={\text{DHI}}+{\text{DNI}}\times \cos(z)={\text{DHI}}+{\text{DirHI}}}$$ حيث GHI هو الإشعاع الشمسي الأفقي العالمي، وDHI هو الإشعاع الشمسي الأفقي المنتشر، وDNI هو الإشعاع الشمسي العمودي المباشر .${\displaystyle z}$هي زاوية سمت الشمس ، و DirHI هي الإشعاع الشمسي الأفقي المباشر .

إحدى المعادلات لحساب إجمالي الإشعاع الشمسي على سطح مائل نحو الجنوب هي: ^{[ 7 ]}

${\displaystyle H_{t}=H_{b}R_{b}+H_{d}R_{d}+(H_{b}+H_{d})R_{r}}$

حيث H _b هو إشعاع الإشعاع الشعاعي، و R _b هو عامل الميل لإشعاع الشعاع، و H _d هو إشعاع الإشعاع المنتشر، و R _d هو عامل الميل للإشعاع المنتشر، و R _r هو عامل الميل للإشعاع المنعكس.

R _b معطى بالصيغة التالية:

${\displaystyle R_{b}={\frac {\sin(\delta )\sin(\phi -\beta )+\cos(\delta )\cos(h)\cos(\phi -\beta )}{\sin(\delta )\sin(\phi )+\cos(\delta )\cos(h)\cos(\phi )}}}$

حيث δ هو الميل الشمسي ، وΦ هو خط العرض، وβ هي زاوية من الأفقي و h هي زاوية الساعة الشمسية .

R _d يُعطى بالصيغة التالية:

${\displaystyle R_{d}={\frac {1+\cos(\beta )}{2}}}$

و R _r بواسطة:

${\displaystyle R_{r}={\frac {\rho (1-\cos(\beta ))}{2}}}$

حيث ρ هي انعكاسية السطح.

أدى ثوران بركان جبل بيناتوبو في الفلبين في يونيو 1991 إلى قذف ما يقارب 10 كيلومترات ^مكعبة (2.4 ميل مكعب ) من الصهارة و17 مليون طن متري (17 تيراغرام ) من ثاني أكسيد الكبريت (SO₂ ₎ في الهواء، أي ما يعادل عشرة أضعاف كمية ثاني أكسيد الكبريت _التي قذفتها حرائق الكويت عام 1991 ، ^{[ 8 ]} وذلك خلال الحدث البركاني الانفجاري من نوع بلينيان/ألترا بلينيان في 15 يونيو 1991، مما أدى إلى تكوين طبقة ضبابية _من ثاني أكسيد الكبريت في طبقة الستراتوسفير استمرت لسنوات. ونتج عن ذلك انخفاض متوسط ​​درجة الحرارة العالمية بنحو 0.5 درجة مئوية (0.9 درجة فهرنهايت) . ^{[ 9 ]} ونظرًا لتساقط الرماد البركاني من الغلاف الجوي بسرعة، ^{[ 10 ]} فقد كانت الآثار الزراعية السلبية للثوران فورية إلى حد كبير ومحدودة في منطقة صغيرة نسبيًا بالقرب من موقع الثوران، وذلك بسبب الغطاء السميك من الرماد الناتج. ^{[ 11 ] [ 12 ]} على الصعيد العالمي، ورغم انخفاض الإشعاع الشمسي الإجمالي بنسبة 5% على مدى عدة أشهر ، وانخفاض ضوء الشمس المباشر بنسبة 30%، ^{[ 13 ]} لم يكن هناك أي تأثير سلبي على الزراعة العالمية. ^{[ 2 ] [ 14 ]} والمثير للدهشة، أنه لوحظت زيادة في الإنتاجية الزراعية العالمية ونمو الغابات على مدى 3-4 سنوات، ^{[ 15 ]} باستثناء مناطق الغابات الشمالية . ^{[ 16 ]}     

كانت وسيلة الاكتشاف هي الملاحظة الأولية لانخفاض غامض في معدل امتلاء الغلاف الجوي بثاني أكسيد الكربون (CO2 ₎ ، والذي تم تمثيله بيانيًا فيما يُعرف بـ " منحنى كيلينغ ". ^{[ 17 ]} دفع هذا العديد من العلماء إلى افتراض أن هذا الانخفاض يعود إلى انخفاض درجة حرارة الأرض، وما يترتب عليه من تباطؤ في تنفس النباتات والتربة ، مما يشير إلى تأثير ضار لطبقة الضباب البركاني على الزراعة العالمية. ^{[ 2 ] [ 14 ]} ومع ذلك، عند إجراء المزيد من التحقيقات، تبين أن انخفاض معدل امتلاء الغلاف الجوي بثاني أكسيد الكربون لا يتوافق مع فرضية انخفاض معدلات تنفس النباتات. ^{[ 18 ] [ 19 ]} بل على العكس، ارتبط هذا الشذوذ المفيد ارتباطًا وثيقًا نسبيًا ^{[ 20 ]} بزيادة غير مسبوقة في نمو/ إنتاج أولي صافٍ ، ^{[ 21 ]} للحياة النباتية العالمية، مما أدى إلى زيادة تأثير امتصاص الكربون في عملية التمثيل الضوئي العالمية. ^{[ 2 ] [ 14 ]} الآلية التي أتاحت زيادة نمو النبات هي أن انخفاض ضوء الشمس المباشر بنسبة 30% يمكن التعبير عنه أيضًا بزيادة أو "تحسين" في كمية ضوء الشمس المنتشر . ^{[ 2 ] [ 18 ] [ 22 ] [ 14 ]}

تأثير النافذة السقفية المنتشرة

يُمكن لهذا الضوء السماوي المنتشر، بطبيعته، أن يُضيء أوراق النباتات تحت الغطاء النباتي ، مما يسمح بعملية تمثيل ضوئي أكثر كفاءة للنبات بأكمله مما لو كان كذلك، ^{[ 2 ] [ 14 ]} كما يزيد من التبريد التبخيري من الأسطح النباتية. ^{[ 23 ]} في المقابل، في حالة السماء الصافية تمامًا وأشعة الشمس المباشرة الناتجة عنها، تُلقى الظلال على أوراق النباتات تحت الغطاء النباتي ، مما يحد من عملية التمثيل الضوئي للنباتات في الطبقة العليا من الغطاء النباتي. ^{[ 2 ] [ 14 ]} وتنتج هذه الزيادة في الزراعة العالمية من طبقة الضباب البركاني بشكل طبيعي أيضًا عن أنواع أخرى من الهباء الجوي غير المنبعثة من البراكين، مثل تلوث "حمولة الدخان متوسطة الكثافة"، حيث أن الآلية نفسها، وهي "التأثير الإشعاعي المباشر للهباء الجوي"، هي المسؤولة عن كليهما. ^{[ 16 ] [ 24 ] [ 25 ]}

• بيسيتش، بيتر (2005). السماء في زجاجة . مطبعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. رقم ISBN 978-0-262-16234-0.

• محاضرة الدكتور سي في رامان: لماذا السماء زرقاء؟
• لماذا السماء زرقاء؟
• السماء الزرقاء وتشتت رايلي
• البصريات الجوية (ملف PDF)، للدكتور كريج بورين، مؤرشف في 6 ديسمبر 2013 على موقع Wayback Machine