Zonnestraling Samenvatting De Zon zendt elektromagnetische straling uit. Hierbij verplaatst energie zich via elektromagnetische golven. De golflengte van de straling hangt samen met de energie-inhoud. Hoe korter de golflengte, des te groter de energie-inhoud. De golflengte van de straling die een lichaam uitzendt wordt bepaald door de temperatuur van het lichaam. Hoe hoger de temperatuur, des te korter de golflengte. De Zon zendt kortgolvige straling uit, voornamelijk zichtbaar licht.
Elektromagnetisme De Zon is onze grootste energiebron. In de kern van de Zon wordt energie geproduceerd, door kernfusie. Deze energie van de Zon bereikt ons voornamelijk onder vorm van licht. Licht is de naam voor elektromagnetische straling die we kunnen zien met onze ogen. Vaak wordt de term iets breder gebruikt en worden ook ultraviolet (UV) - en infraroodstralen (IR) er mee bedoeld. Elektromagnetisme verwijst naar een verschijnsel waarbij energie wordt verplaatst van een plaats naar een andere, en daarbij een elektrisch en magnetisch veld meedraagt. De elektromagnetische straling wordt in onderstaande figuur beschreven als een dubbele golf. De maximale amplitudes van de elektrische (E, rood) en magnetische (M, blauw, in de richting naar de kijker toe) velden staan loodrecht op elkaar terwijl de golf zich loodrecht op beide richtingen voortplant. De golflengte is aangegeven met het symbool λ.
Figuur. Elektromagnetische golven
De energie-inhoud van een elektromagnetische golf is omgekeerd evenredig met de golflengte, in formulevorm: E = hc/λ. Dus, hoe korter de golflengte, des te groter de energie-inhoud. Elektromagnetische straling bestaat uit een spectrum van verschillende zichtbare en onzichtbare stralen met uiteenlopende golflengte. Dit noemen we het elektromagnetisch spectrum. Men kan dit spectrum gaan indelen in verschillende golflengtegebieden:
Gammastralen Deze hebben de kortste golflengte (< 0.01nm), en dus de grootste energie-inhoud. Gammastralen worden geproduceerd in de kern van de Zon, bij de fusiereacties. Gammastraling wordt ook ioniserende straling genoemd, omdat ze voldoende energetisch is om een elektron uit de buitenste schil van een atoom weg te slaan. Hierdoor krijgt het atoom in totaal een positieve lading in plaats van een neutrale lading, het atoom wordt geïoniseerd, wordt een ion. Dergelijke ionen zijn zeer reactief en blootstelling kan onherstelbare schade aanrichten aan levende organismen. Ze worden soms gebruikt om micro-organismen in voedsel te doden.
X-stralen X-stralen - of röntgenstralen, genoemd naar de ontdekker, Wilhelm Röntgen - zijn stralen met een golflengte tussen 4.5 en 0.01 nm. Ze behoren evenals de gammastralen tot de ioniserende stralen, en kunnen leiden tot schade aan DNA. Toch zijn ze iets minder schadelijk dan de gammastralen. De Zon zendt röntgenstralen uit in de corona. Ze worden echter tegengehouden door de atmosfeer van de Aarde, en bereiken dus het aardoppervlak niet.
Ultra-Violet-stralen UV-stralen hebben een golflengte tussen 1 en 400 nm. Het UV-licht kan schadelijke gevolgen hebben voor de mens. Denk maar aan het verbranden van de huid als men te lang in de zon vertoeft zonder bescherming. Er kan nog een onderscheid gemaakt worden tussen UV-A (380-320 nm), UV-B (320-290 nm) en UV-C (290-200nm, meest schadelijk!). Hoewel de Zon heel wat UV-stralen uitzendt, bereikt slechts een beperkt deel ervan het aardoppervlak. Aan de rand van de atmosfeer bedraagt de energie-inhoud van deze band ongeveer 7% van de totale energie. Dankzij absorptie van UV (en voornamelijk UV-C) in de stratosfeer (ozonlaag) dringt slechts de helft van het oorspronkelijke aandeel door tot op het aardoppervlak en worden de schadelijke effecten geminimaliseerd.
Zichtbaar licht Er is een bepaald gebied in het elektromagnetisch spectrum waar de straling de juiste energie-inhoud heeft om te kunnen interageren met bepaalde pigmenten in onze ogen, zodat we die stralen kunnen zien. Het menselijk oog is gevoelig voor golflengtes tussen 400 en 700 nm. Het geheel van zichtbaar licht zien wij als 'wit licht', maar het kan ook opgedeeld worden in verschillende kleuren, zoals te zien is bij een regenboog (violet, indigo, blauw, groen, geel, oranje, rood). We spreken van het zichtbare spectrum (zie figuur). De kortste golflengtes zien we als violet, de langste als rood. Deze golflengteband is uitermate belangrijk voor een aantal biologische processen, zoals fotosynthese, fotoperiodisme en voor de visuele perceptie bij mens en dier.
Figuur. Het zichtbare spectrum
Infrarood stralen Infrarode straling heeft een golflengte tussen ongeveer 780 nm en 1mm, dus tussen het zichtbare licht en de microgolven Deze straling is onzichtbaar voor het menselijke oog, maar op de huid waarneembaar door de warmtewerking.
Radiogolven Radiogolven hebben nog een grotere golflengte. Deze regio van het spectrum wordt gebruikt voor radiocommunicatie, televisie en radar. Radiogolven worden opgedeeld in uhf, vhf, televisie, radar, microgolf, milimetergolven,…
Zoals uit onderstaande figuur blijkt, bereiken niet alle zonnestralen het aardoppervlak. De absorptie van elektromagnetische straling is door de aardse atmosfeer zo groot dat de atmosfeer effectief ondoordringbaar is voor elektromagnetische straling. Slechts een deel van de UV-straling, het zichtbaar licht en een deel van de IR-straling wordt doorgelaten in het zogenaamde infrarode en optische venster in het frequentiebereik.
Figuur. Slechts de helft van de zonnestralen bereikt het aardoppervlak
Zonlicht, wet van Planck, zonneconstante Ongeveer 99% van de elektromagnetische straling afkomstig van de Zon, bevindt zich in het gebied UV-zichtbaar licht-IR. De piek in het spectrum van de zonnestraling ligt bij een golflengte van ongeveer 500 nm, in het blauwgroene golflengtegebied van het zichtbare licht. Dit wordt voorgesteld in onderstaande figuur.
Figuur. Curve van Planck
De Zon wordt beschouwd als een zwart lichaam. In de fysica is een zwart lichaam een voorwerp dat alle licht dat erop valt absorbeert, en niet reflecteert. Een zwart lichaam zendt zelf ook straling uit. Welke straling een voorwerp uitzendt, hangt af van zijn temperatuur. Daarom spreekt men van thermische straling. Hoe heter het materiaal, des te kleiner de golflengten waarmee het energie uitstraalt. De Zon, met aan het oppervlak een temperatuur van 5700 K, zendt vooral straling uit met een korte golflengte. Men spreekt daarom van kortgolvige straling. De Zon gedraagt zich echter als een nietideale zwarte straler. Er wordt meer straling uitgezonden dan men zou verwachten in het X-stralen en UV-gebied en in het radiogolven gebied. Het spectrum van een zwart lichaam werd voor het eerst berekend door Max Planck. De wet van Planck beschrijft de hoeveelheid straling van een zwart lichaam met temperatuur T:
met
h = constante van Planck, c = lichtsnelheid, k = constante van Boltzman, = frequentie
Van deze formule kunnen worden afgeleid de Wet van Wien en de Wet van Stefan-Boltzmann. Wet van Wien Alle lichamen zenden straling uit. De golflengte daarvan is afhankelijk van de temperatuur, volgens de Wet van Wien. Dit is een proefondervindelijk opgestelde wet, die zegt dat de golflengte waarbij een lichaam het meeste energie onder vorm van elektromagnetische straling uitstraalt omgekeerd evenredig is met de absolute temperatuur T (in kelvin K) van dat lichaam: Golflengte = constante van Wien / T De constante van Wien bedraag 2.9 mm K. Hoewel Wien zijn wet uit proeven afleidde, volgt ze rechtstreeks uit de Wet van Planck. We kunnen berekenen welke golflengte de Zon het meest uitzendt, als je weet dat de oppervlaktetemperatuur ongeveer 5780 K bedraagt: 2.9 mm K /5780 K = 501 nm. Dit is groen licht.
Wet van Stefan-Boltzmann Deze wet geeft de totale uitgezonden straling aan, per oppervlakte-eenheid. E= σ T4 Met σ = constante van Stefan-Boltzmann = 5.67 10-8J/sm²K4 Met deze gegevens kunnen we een schatting maken van de energie-output van de Zon: E = 6.32 104 W/m², of 3.86 1026 W voor de gehele Zon.
De energiehoeveelheid van de zonnestraling die de aardatmosfeer bereikt wijzigt praktisch niet over lange periodes. Men spreekt van de zonneconstante; de hoeveelheid energie per eenheid van tijd en oppervlak aan de buitenrand van onze aardse atmosfeer op een oppervlak normaal op de stralingsrichting en op gemiddelde afstand zon-aarde gemeten. Zij bedraagt 1,4 103 W/m².
