Nettosäteily

  Nettosäteily tarkoittaa yleensä Maan pintaan tulevan ja sieltä lähtevän Auringon säteilyn tasetta, joka vaikuttaa Maan pinnan lämpötilaan. Nettosäteilyä lisäävät suora Auringon säteily, hajasäteily ja ilmakehän vastasäteily. Nettosäteilyä vähentävät Maan pinnan albedo ja pitkäaaltoinen ulossäteily. Maan pinta on lämpimimmillään silloin, kun nettosäteily on suurin eli noin 3-5 tuntia Auringon maksimikorkeuden jälkeen.

Yöllä nettosäteily on kirkkaalla ilmalla aina negatiivinen. Kirkkaalla ilmalla lämpötilan vuorokausivaihtelut ovat melko suuria, koska päivällä Maan pintaan tuleva Auringon säteily on suuri, ja yöllä Maa jäähtyy voimakkaasti pitkäaaltoisen ulossäteilyn takia. Pilvisellä ilmalla pilvet pienentävät suoraa Auringon säteilyä päivällä, ja lisäävät ilmakehän vastasäteilyä yöllä. Tällöin nettosäteilyn ja lämpötilan vaihtelut ovat pienempiä. Maapallolla noin 40 leveysasteen pohjoispuolella nettosäteily on negatiivinen. Nämäkin alueet ovat melko lämpimiä etelästä tulevien lämpöä kuljettavien merivirtojen ja tuulien takia.

Nettosäteily lämmittää maata

Pinnan saama nettosäteily $Q_{\rm {netto}}$ on

$Q_{\rm {netto}}=(D+H)(1-a)-AO+AG\$,

missä

• $D$ on suora Auringon säteily,
• $H$ on hajasäteily,
• $a$ on albedo,
• $AO$ on Maan pinnan pitkäaaltoinen ulossäteily,
• ja $AG$ on kasvihuoneilmiöstä johtuva ilmakehän vastasäteily

Niinpä esimerkiksi Vantaalla tulee maksimissaan noin 200 Wh/m²/kk ja kuukauden keskilämpötila on luokkaa 15 °C. Säteilyminimi on joulu-tammikuun vaihteessa, noin 5-10 Wh/m²/kk ja keskilämpötila noin -9 °C. Lämpötilaminimi, 10 °C on helmikuun lopulla, noin 20 Wh/m²/kk:ta vastaa noin -9 °C. Maaliskuun puolenvälin tienoilla on noin 0 °C ja noin 70 Wh/m²/kk.

Pinnan säteily- ja lämpötasapaino

Pinnan lämpötasapaino on

$I_{\rm {kokonais}}+U_{\rm {vasta}}=I_{\rm {ulos}}+I_{\rm {konvektio}}+I_{\rm {johtuminen}}\$,

missä

$I_{\rm {kokonais}}=I_{\rm {suora}}+I_{\rm {haja}}+I_{\rm {heijastunut}}$.

Esimerkiksi vapaa konvektio aiheuttaa lämmönsiirtymiskertoimen k tai u eli 1/lämpövastus, joka on luokkaa ΔT^1/4 laminaariselle ja ΔT^1/3 pyörteiselle virtaukselle. Tässä ΔT on lämpötilaero.

Konvektiivinen lämmönsiirtymiskerroin esimerkiksi 20 °C ilmalle on noin 0.96*(ΔT (ilma-pinta)/etäisyys pinnasta)^1/4. Turbulentissa virtauksessa on monesti laminaarin kerroksen päällä turbulentti alue, ja 20 °C huoneenlämpöiselle ilmalle laminaarisen alueen lämmönsiirtymiskerroin k on 1,17 ΔT^1/3 ja turbulentilla alueella 1,66 ΔT^1/3.

Kokonaan pakotetun konvektion eli esimerkiksi tuulen aiheuttaman lämpövirran määrää lähinnä virtauksen nopeus. Pakotetun konvektion kerroin on v0.5 laminaarille ja v^.8 turbulentille virtaukselle.

Nettosäteilyyn vaikuttavia tekijöitä

• Pilvet: vähentävät suoraa säteilyä heijastamalla sitä pois, mutta lisäävät vastasäteilyä

Merellä nettosäteily on monesti suurempi kuin maalla.

Pitkäaaltoinen nettosäteily

Pitkäaaltoinen nettosäteily Q_s koostuu ulossäteilystä ja vastasäteilystä siten, että

$Q_{s}=I_{\rm {ulos}}-I_{\rm {vasta}}$.

Monesti pinnan lämpötilan laskenta vaatii iterointia.^selvennä

$Q_{s}=\epsilon \sigma T_{pinta}^{4}*(0,220*0,148*e^{-0,117p_{b}})*(1-B*f(H)*f(y))$,

missä

• σ on Boltzmannin vakio
• ε on emissiivisyys, mikä kuvaa pinnan säteilykykyä, useimmiten välillä 0,8-0,97
• p_b on vesihöyryn osapaine mbar
• T_pinta on pinnan lämpötila
• B on suhteellinen pilvisyys; pilvettömälle 0, pilviselle 1
• f(H) on kerroin, joka on pilven korkeuden funktio, jos 0, 1, 2 0,8, 4 0,66 ja 8 0,43, jossa näkyy pilvien lämpötilan putoaminen korkeuden kasvaessa
• f(y) on pinnan kaltevuuskerroin, 1, jos kaltevuus on nolla.

Kaavassa ensimmäinen termi kuvaa hiilidioksidin ja vesihöyryn vastasäteilyä ja toinen pilvisyyttä.

Nettosäteily ja lämpötila

Koska Maa lämpiää suhteellisen hitaasti, Maan lämpötilahuippu on noin kolme-kuusi tuntia Auringon maksimikorkeuden jälkeen.

Nettosäteilyn vuotuismääriä

Nettosäteilyn määrät noudattavat hyvin karkeasti ottaen leveyspiirejä, mutta hyppäävät merellä suuremmiksi kuin mantereella. Kosteilla alueilla tulee enemmän nettosäteilyä kuin kuivilla. Etelä-Suomen vuotuinen nettosäteily on 30 kcal/neliösenttimetriä/vuosi. Vastaavilla leveyksillä Pohjois-Atlantilla nettosäteily on 40 kcal/cm2/v. Pohjois-Ranskassa tulee 40, ja vastaavilla merialueilla 60 kcal/cm2/v. Pohjois-Siperiassa Taimyrin niemimaalla tulee vain 10 kcal/cm2/v Keski-Espanjassa mantereella tulee nettisäteilyä 60, ja merellä 80 kcal/cm2/v. Saharan aavikolla tulee 60, ja merellä vastaavilla leveyksillä 100-120. Intiassa kosteammassa vastaavilla leveyksillä tulee 70-80 kcal/cm2/v. Afrikan savanneilla tulee yli 70, ja joillain Kongon sademetsä-alueilla yli 80. Monilla Amazonin sademetsän alueilla tulee yli 80, joillain jopa yli 90 kcal/cm2/v Auringon nettosäteilyä. Trooppisella Atlantila tulee laajalti yli 120 kcal/cm2/v. Eniten nettosäteilyä saadaan Afrikan sarven itäpuolella ja päiväntasaajan seuduille keskellä Tyyntämerta, yli 140 kcal/m2/v. Australian aavikoilla ja pensasaroilla tulee laajalti yli 70, mutta pohjoisrannikoilla yli 80 ja läheisillä merialueilla 100-120.

Katso myös

• Insolaatio
• Maan säteilytasapaino