קרינת השמש היא משתנה מטאורולוגי חשוב המשמש לדעת את כמות ה"חום "שנקבל מהשמש על פני כדור הארץ. כמות זו של קרינת שמש משתנה על ידי שינויי אקלים ושימור גזי החממה.
קרינת שמש יכולה לחמם את פני הקרקע וחפצים (כולל אותנו) תוך חימום קלוש של האוויר. יתר על כן, משתנה זה חיוני להערכת מאמצינו במאבק בשינויי האקלים. רוצים ללמוד הכל על קרינת שמש?
קרינת השמש עוברת באטמוספירה
כשאנחנו בחוף הים באחד מימי הקיץ החמים האלה, אנחנו שוכבים כדי להשתזף מהשמש. ככל שאנחנו נשארים זמן רב יותר על המגבות שלנו, כך אנחנו שמים לב יותר לחימום הגוף שלנו ולעלייה בטמפרטורה שלנו, עד שאנחנו צריכים לטבול או למצוא קצת צל כי אנחנו נכווים מהשמש. מה קרה כאן, אם האוויר לא כל כך חם? מה שקרה הוא שקרני השמש עברו דרך האטמוספירה שלנו וחיממו את הגוף שלנו מבלי לחמם את האוויר באופן משמעותי.
משהו דומה למה שקורה לנו במצב זה קורה בכדור הארץ: האטמוספרה כמעט "שקופה" לקרינת השמש, אך פני כדור הארץ וגופים אחרים עליו אכן סופגים אותה. האנרגיה המועברת על ידי השמש לכדור הארץ ידועה כאנרגיה קורנת או קרינה. קרינה נעה בחלל בצורת גלים הנושאים אנרגיה. בהתאם לכמות האנרגיה שהם נושאים, הם מסווגים לאורך הספקטרום האלקטרומגנטי. יש לנו את הגלים האנרגטיים ביותר, כגון קרני גמא, קרני רנטגן ואולטרה סגול, כמו גם כאלה עם פחות אנרגיה, כגון אינפרא אדום, מיקרוגלים וגלי רדיו.
כל הגופים פולטים קרינה
כל הגופים פולטים קרינה בהתאם לטמפרטורתם. חוק זה נשלט על ידי חוק סטפן-בולצמן , הקובע כי האנרגיה הנפלטת מגוף היא ביחס ישר לחזקת הרביעית של הטמפרטורה שלו. זו הסיבה שהשמש, חתיכת עץ בוערת, גופינו ואפילו חתיכת קרח מקרינים אנרגיה ברציפות.
זה מוביל אותנו לשאול שאלה: מדוע אנו מסוגלים "לראות" את הקרינה הנפלטת מהשמש או מחתיכת עץ בוערת, אך לא את הקרינה שאנו פולטים מעצמנו, מפני כדור הארץ או מחתיכת קרח? ובכן, זה תלוי במידה רבה בטמפרטורה אליה מגיע כל גוף , ולכן, בכמות האנרגיה שהוא פולט. ככל שטמפרטורת הגוף גבוהה יותר, כך גדלה כמות האנרגיה שהוא פולט בגלי הגוף שלו, ולכן הוא הופך גלוי יותר.
לשמש טמפרטורה של 6.000 קלווין והיא פולטת קרינה בעיקר בספקטרום הנראה (הידועה בדרך כלל כגלי אור). היא גם פולטת קרינה אולטרה סגולה (אשר בעלת אנרגיה רבה יותר ולכן שורפת את עורנו בחשיפה ממושכת), והשאר היא קרינה אינפרא אדום, שאינה מורגשת לעין האנושית. זו הסיבה שאיננו יכולים לתפוס את הקרינה הנפלטת מגופנו. גוף האדם נמצא בטמפרטורה של כ-37 מעלות צלזיוס, והקרינה שהוא פולט היא בעיקר בתחום האינפרא אדום.
איך עובדת קרינת השמש
הידיעה שעצמים פולטים קרינה ואנרגיה באופן קבוע מעלה כנראה שאלה נוספת: מדוע עצמים לא מתקררים בהדרגה אם הם פולטים אנרגיה וקרינה? התשובה פשוטה: הם גם סופגים אנרגיה. יש חוק נוסף, חוק שיווי המשקל הקרינתי, הקובע שעצם פולט את אותה כמות אנרגיה שהוא סופג. זו הסיבה שעצמים מסוגלים לשמור על טמפרטורה קבועה.
לפיכך, במערכת כדור הארץ-אטמוספירה שלנו, מתרחשת סדרה של תהליכים שבהם אנרגיה נספגת, נפלטת ומוחזרת, כך שהאיזון הסופי בין הקרינה המגיעה לראש האטמוספירה מהשמש לבין זו הבורחת לחלל החיצון הוא אפס. משמעות הדבר היא שהטמפרטורה השנתית הממוצעת נשארת קבועה. כאשר קרינת השמש חודרת לכדור הארץ, רובה נספג על ידי פני כדור הארץ. מעט מאוד מהקרינה הפוגעת נספגת על ידי עננים ואוויר. שאר הקרינה מוחזרת על ידי פני השטח, גזים ועננים ומוחזרת לחלל החיצון.
כמות הקרינה המוחזרת על ידי עצם ביחס לקרינה הפוגעת נקראת 'אלבדו'. לכן, ניתן לומר שלמערכת כדור הארץ-אטמוספרה יש אלבדו ממוצע של 30%. שלג טרי שירד או ענני קומולונימבוס עם התפתחות אנכית משמעותית הם בעלי אלבדו הקרוב ל-90%, בעוד שבמדבריות יש כ-25% ואוקיינוסים כ-10% (סופגים כמעט את כל הקרינה המגיעה אליהם).
כיצד נמדוד קרינה?
כדי למדוד את קרינת השמש שאנו מקבלים בנקודה מסוימת, אנו משתמשים במכשיר הנקרא פירנומטר. מכשיר זה מורכב מחיישן המוקף בחצי כדור שקוף, המעביר את כל הקרינה באורכי גל קצרים מאוד. לחיישן זה יש מקטעים לבנים ושחורים לסירוגין, הבולעים קרינה בצורה שונה. ניגוד הטמפרטורה בין מקטעים אלה מכויל בהתאם לשטף הקרינה (הנמדד בוואטים למטר מרובע).
הערכה של כמות קרינת השמש שאנו מקבלים ניתן להשיג גם על ידי מדידת מספר שעות השמש שיש לנו. לשם כך אנו משתמשים במכשיר הנקרא הליוגרף. זה נוצר על ידי כדור זכוכית המכוון לכיוון הדרום הגיאוגרפי, שפועל כזכוכית מגדלת גדולה, ומרכז את כל הקרינה המתקבלת בנקודת ליבון השורפת סרט נייר מיוחד שסיים את שעות היום.
קרינת שמש ואפקט חממה מוגבר
הזכרנו בעבר שכמות קרינת השמש הנכנסת ויוצאת מכדור הארץ זהה. זה לא לגמרי נכון, כי אם זה היה נכון, הטמפרטורה הגלובלית הממוצעת של כדור הארץ שלנו הייתה -88 מעלות צלזיוס. אנחנו צריכים משהו שיעזור לנו לשמור על חום כדי לשמור על טמפרטורה נוחה וראויה למגורים שתאפשר חיים על כדור הארץ. כאן נכנס לתמונה אפקט החממה. כאשר קרינת השמש פוגעת בפני כדור הארץ, היא מחזירה כמעט מחצית ממנה בחזרה לאטמוספירה לפני שהיא נפלטה לחלל החיצון. דנו כיצד עננים, אוויר ורכיבים אטמוספריים אחרים סופגים חלק קטן מקרינת השמש. עם זאת, כמות נספגת זו אינה מספיקה כדי לשמור על טמפרטורה יציבה שתהפוך את כדור הארץ שלנו ראוי למגורים. כיצד נוכל לחיות עם טמפרטורות אלה?
גזי חממה הם גזים אשר לוכדים חלק מהחום הנפלט מפני כדור הארץ, ומונעים ממנו לברוח חזרה לאטמוספרה. דוגמאות לגזי חממה כוללות אדי מים, פחמן דו-חמצני (CO2), תחמוצות חנקן, תחמוצות גופרית ומתאן. לכל גז חממה יש יכולת שונה לספוג קרינת שמש. ככל שיכולתו לספוג קרינה גדולה יותר, כך הוא שומר על יותר חום ומונע ממנו לברוח לחלל.
לאורך ההיסטוריה האנושית, ריכוז גזי החממה (בעיקר CO2) גדל בהתמדה. עלייה זו נובעת בעיקר מהמהפכה התעשייתית ומשריפת דלקים מאובנים בתעשייה, בייצור אנרגיה ובתחבורה . שריפת דלקים מאובנים כמו נפט ופחם מייצרת פליטות של CO2 ומתאן. פליטות גבוהות יותר אלו לוכדות כמות משמעותית של קרינת שמש, ומונעות ממנה לברוח חזרה לחלל.
תופעה זו ידועה בשם אפקט החממה. עם זאת, העלייה באפקט זה, שאנו מכנים אפקט החממה, היא בעלת משמעות הפוכה , שכן מה שאנו עושים הוא להעלות את הטמפרטורות הממוצעות של כדור הארץ עוד ועוד. ככל שריכוז הגזים הבולעים קרינה באטמוספירה גדול יותר, כך הם ישמרו יותר חום, ולכן, הטמפרטורות יעלו גבוה יותר.
קרינת שמש ושינויי אקלים
התחממות כדור הארץ ידועה ברחבי העולם. עלייה זו בטמפרטורות עקב השמירה הגדולה על קרינת השמש גורמת לשינוי באקלים העולמי. זה לא רק אומר שהטמפרטורות הממוצעות של הפלנטה יעלו, אלא שהאקלים וכל מה שכרוך בו ישתנה.
עליית הטמפרטורות גורמת לחוסר יציבות בזרמי האוויר, במסות האוקיינוס, בתפוצת המינים, ברצף העונות, ולעלייה באירועי מזג אוויר קיצוניים (כגון בצורות, שיטפונות, הוריקנים וכו') . לכן, כדי להשיב את מאזן הקרינה שלנו בצורה יציבה, עלינו להפחית את פליטות גזי החממה ולשקם את האקלים שלנו.
