Nappalhosszúság és napmagasság számítása

A nappalhosszúság a Nap horizont (látóhatár) feletti magasságától (szögétől) függ. A Napmagasság a látóhatár és a Nap látszólagos napi útja közötti folyamatosan változó szög. A Nap magassága függ:

1. Szélességi fok 2. Az év napjától 3. Az adott nap órájától

Napfelkelte előtt és napnyugta után a Nap magassága nulla. A továbbiakban dél alatt a csillagászati delet fogom érteni, ami az adott napon a Nap legmagasabb helyzetét jelenti. Az egyenlítőn a Nap pontosan 12 órakor delel a napéjegyenlőség idején.

A Nap szöge a nap folyamán változik, mert a Föld forog a tengelye körül. Egy forgást 24 óra alatt végez, ezért a szögsebessége 15 fok/óra (360/24).

Adott szélességi fokon (pl. Egyenlítő) a Nap mindig más magasságban delel. Ezt hívjuk napelhajlásnak, deklinációnak (solar declination). A Nap június 21-én a Ráktérítő (+23,45 fok), december 22-én a Baktérítő (-23,45 fok) felett 90 fokos szögben delel. A Nap eltérését, deklinációját az év folyamán cosinus függvénnyel lehet közelíteni.

Ez az elhajlás a Föld minden pontján azonos. A Föld Nap körüli pályája ellipszis és a Föld az egyik gyújtópontban helyezkedik el, ezért a légkör felső részére érkező sugárzás az év folyamán nem állandó. Január elsején van a Föld a legközelebb a Naphoz, a légkör külső határára érkező merőleges sugárzás ekkor a legnagyobb. A legújabb kutatások és mérések szerint átlagban egyetlen négyzetméterre 1365-1368 watt napenergia-teljesítmény érkezik. A Nap sugárzási energiájának vizsgálatakor gyakorlatilag a 3 nanométertől 4000-ig terjedő tartományt mérik, ez tartalmazza a sugárzási energia több mint 99 százalékát. Az ultraibolyarész ebből elenyésző, azt az ózon kiszűri. Az egésznek mintegy fele a látható tartomány, a többi hősugárzás (közeli és távoli infravörös). A rádiósugárzás részaránya elhanyagolható. Egyes mérések a szoláris állandót átlagosan 1370 W/m2 becsülik. Az adott napi szoláris állandót a cosinus idővel számított korrekciós tényezővel lehet becsülni. A korrekciós tényező az elliptikus pályát modellezi, ennek értéke 0,033.

Európában télen a legnagyobb a szoláris állandó értéke.

A fotoperiódusos érzékenység szempontjából számított nappalhosszúság:

Napnyugtakor, amikor a Nap néhány fokkal a horizont alatt van, jelentős energiával sugározza be az éjszakai égboltot. Ez az energia elegendő a fotoperiodusos mechanizmus bekapcsolásához. Az Egyenlítő mentén a fotoperiodusos nappalhosszúság fél órával hosszabb, mint a csillagászati és kb. egy órával a mérsékelt övben.

Ez az időtartam függ a naptári napok számától. A fotoperiodizmus bekapcsolásához szükséges energia mennyisége igen alacsony, VERGARA és CHANG (1985) 1,5-15mW m^-2-et mért rizsnél, mások ennél jóval nagyobbat. A modellek kompromisszumként 50mW m^-2-t használnak. Ez a horizont alatti –4 foknak felel meg.

A fotoszintetikusan aktív és csillagászati nappalhosszúságot az alábbi módon lehet becsülni:

A korrekciós együttható a horizont alatti Napmagasságot jelenti, a modellek –4 fokot használnak. A csillagászati nappalhosszúság esetében, a fénytörést is figyelembe véve –0,833 kell használni, ugyanis a Napkorong szegélyének megjelenése a horizont fellett kb. ennyi. A modellek a csillagászati nappalhosszúság számításakor a korrekciós tényezőt 0 foknak veszik. A fotoperiodusos érzékenység szempontjából fontos nappalhosszúság számításának nincs értelme olyan helyen, ahol a Nap folyamatosan a horizont felett, ill. a horizont alatt néhány fokkal tartózkodik, ezért a becslés csak –66,5 és +66,5 fok között érvényes.

Alkony: naplemente után a Nap néhány fokkal a horizont alatt áll

-Csillagászati alkony = -18 fok. Polgári alkony, eddig a szabadban lehet olvasni, -12 fok. Nautikus alkony –6,5 fok. Az alkony időtartama a nappályának a horizonthoz viszonyított hajlásszögétől függ, amely az Egyenlítőn a legkisebb, és a pólusokon a legnagyobb.

-

Amennyiben a napmagasság integrálját megszorozzuk az adott nap szoláris állandójával, megkapjuk az extra-terresztrikus sugárzást J m^-2nap^-1mértékegységben:

A modellben a tényleges napmagasság integrálját a 5. képlet módosításával számíthatjuk. Ez a módosított integrál figyelembe veszi a légköri átbocsátás változásának napi menetét. A transzmisszió a nap elején és végén alacsonyabb, egyrészt a reggeli ködpára, illetve a délutáni felhősödés miatt, valamint ilyenkor a napsugárzás útja sokkal hosszabb a légkörben (Spitters et al., 1986). A módosított integrált így számíthatjuk ki:

Különbséget kell tenni a különböző beesési szög mellett leérkező diffúz sugárzás, és a direkt napsugárzás között, aminek a beesési szöge egyenlő a Napmagassággal. Nagyon fontos ezeket megkülönböztetni, mert nagy különbség van a megvilágítás intenzitásában egy árnyékolt levél és egy napsütötte levél között, és ennek következtében különbség van az egyes levelek CO2asszimiláció és fény reakciója között, amely ráadásul nem is lineáris kapcsolat. Az árnyékolt levelek csak a diffúz, a napsütötte levelek mind a direkt, mind a szórt sugárzást hasznosítják. A diffúz sugárzás a napsugarak felhőkön, aeroszolokon és légköri gázokon történő szétszóródásának eredménye. Az összes bejövő sugárzásban a diffúz sugárzás hányada erősen függ a légkör pillanatnyi állapotától. A diffúz sugárzás hányada a légköri átbocsátásból egy tapasztalati függvény felhasználásával kiszámítható. Az összefüggés különböző meteorológiai állomások megfigyelésein alapszik, amelyek a Föld különböző szélességi és hosszúsági fokairól származnak, ezért széles földrajzi körzetben érvényesek (Spitters et. al., 1986).

A légköri átbocsátás mértéke a tényleges sugárzás és az extra-terresztrikus sugárzás (Angot sugárzás) közötti arány. Ezt az arányt a következőképpen lehet számítani:

Az összes bejövő sugárzásban a diffúz sugárzás hányada (Sdf/Sg) és a légköri átbocsátás közötti összefüggés (Sg/So) meghatározása különböző kutatási eredmények alapján történt, melyekben a napenergia napkollektorokkal történő hasznosítását vizsgálták. Ez a kapcsolat közel lineáris a 0.35 és 0.75 közötti átbocsátási tartományban (ez fordul elő a leggyakrabban). Ennél alacsonyabb átbocsátási érték mellett csaknem az összes bejövő sugárzás diffúz A publikációkban megjelent regressziós függvények illesztése során különböző független változókat vettek figyelembe, főleg a relatív napsütéses órák számát, a levegő nedvességtartalmát és a felhőzet típusát. A holland modellekben használt összefüggést Jong (1980) adta meg, és Spitters és munkatársai (1986) javaslatára kerültek be a programokba.

Az összefüggések rendkívül nagy állandóságot mutatnak a különböző éghajlati és szélességi fokokon, így az egyenletek tág határok között érvényesek (Spitters et al., 1986).

A mért vagy becsült napi összes bejövő sugárzás (hullámhossz: 300-3000 nm) a modellek bemenő adata. Ennek a sugárzásnak csak a fele fotoszintetikusan aktív (PAR, hullámhossz. 400-700 nm). A fotoszintetikusan aktív diffúz sugárzást, a napsugár irányára merőlegesen, az alábbi módon lehet kiszámítani: