ما هو الاشعاع الشمسي ؟

المركز العربي للمناخ – المهندس احمد العربيد

لإشعاع الشمسي هو الطاقة التي تنبعث من الشمس على شكل ضوء وحرارة وأشكال أخرى من الإشعاع الكهرومغناطيسي. يعتبر هذا الإشعاع المصدر الرئيسي للطاقة على الأرض وهو ضروري للحياة كما نعرفها. يمكن تقسيم الإشعاع الشمسي إلى ثلاثة مكونات رئيسية:

1. الضوء المرئي: هذا هو الجزء من الطيف الشمسي الذي يمكن للعين البشرية رؤيته. يتراوح طوله الموجي بين حوالي 400 نانومتر (اللون البنفسجي) و700 نانومتر (اللون الأحمر).
2. الأشعة فوق البنفسجية (UV): هذا النوع من الإشعاع يحتوي على طاقة أعلى من الضوء المرئي ويمكن أن يكون ضارًا للكائنات الحية. يتم تصنيف الأشعة فوق البنفسجية إلى ثلاث فئات: UV-A و UV-B و UV-C، حيث تكون UV-C الأكثر طاقة والأكثر ضررًا، لكنها تُمتص بالكامل تقريبًا بواسطة الغلاف الجوي للأرض ولا تصل إلى السطح.
3. الأشعة تحت الحمراء (IR): هذا النوع من الإشعاع يحتوي على طاقة أقل من الضوء المرئي ويمكن الشعور به كحرارة. يتم امتصاص جزء كبير من هذه الأشعة بواسطة الغلاف الجوي، مما يساهم في تدفئة الأرض.

الإشعاع الشمسي يمكن أن يختلف بناءً على عدة عوامل، مثل:

• زاوية الشمس: تتغير كمية الإشعاع الشمسي التي تصل إلى سطح الأرض اعتمادًا على زاوية سقوط أشعة الشمس. في الزاوية العمودية تكون الكمية الأكبر، بينما تكون الكمية أقل عندما تكون الشمس منخفضة في الأفق.
• الموقع الجغرافي: المناطق القريبة من خط الاستواء تتلقى كميات أكبر من الإشعاع الشمسي مقارنة بالمناطق القطبية.
• الوقت من السنة: نتيجة لميلان محور الأرض، تتغير كمية الإشعاع الشمسي الموسمية، مما يؤدي إلى تغيرات في الفصول.
• الظروف الجوية: السحب والغيوم والأمطار يمكن أن تقلل من كمية الإشعاع الشمسي التي تصل إلى سطح الأرض.

الطاقة الشمسية المتاحة يمكن استخدامها في توليد الكهرباء عبر تقنيات مثل الألواح الشمسية أو تركيز الطاقة الشمسية، مما يجعلها مصدرًا مهمًا للطاقة المتجددة

قياس الإشعاع الشمسي

يتم قياس الإشعاع الشمسي باستخدام أدوات معينة، ومن أبرزها:

1. البيرومتر: يقيس الطاقة الحرارية الناتجة عن الإشعاع الشمسي.
2. البيرهيليومتر: يقيس شدة الإشعاع الشمسي المباشر.
3. البيروجرافي: يسجل شدة الإشعاع الشمسي خلال فترة زمنية معينة، مما يساعد في دراسة التغيرات اليومية والموسمية للإشعاع الشمسي.

استخدامات الإشعاع الشمسي

1. الطاقة الشمسية:
   • الخلايا الشمسية (الفوتوفولتية): تقوم بتحويل ضوء الشمس مباشرة إلى كهرباء باستخدام مواد شبه موصلة مثل السيليكون. تستخدم في المنازل، والمرافق العامة، والأقمار الصناعية.
   • نظم الطاقة الشمسية الحرارية: تستخدم لجمع وتركيز ضوء الشمس لتسخين سائل يمكن استخدامه في توليد الكهرباء أو في التطبيقات الصناعية الأخرى. تشمل هذه الأنظمة المجمعات الشمسية المسطحة، والمجمعات الشمسيّة بالأنابيب المفرغة، والأبراج الشمسية.
2. التسخين الشمسي:
   • تسخين المياه: استخدام المجمعات الشمسية لتسخين المياه للاستخدام المنزلي أو الصناعي.
   • تدفئة المباني: تصميم المباني بحيث يتم استغلال الإشعاع الشمسي في التدفئة بشكل طبيعي، مثل استخدام النوافذ الكبيرة في الواجهات الجنوبية.
3. الزراعة والطاقة الحيوية:
   • البيوت الزجاجية: استغلال ضوء الشمس لزراعة النباتات في بيئات محكمة التحكم.
   • الطاقة الحيوية: استخدام النباتات التي تعتمد على ضوء الشمس في عملية التمثيل الضوئي لإنتاج الوقود الحيوي.

التأثيرات البيئية

1. التغير المناخي:
   • يعتمد المناخ بشكل أساسي على توزيع وكمية الإشعاع الشمسي. التغيرات في الإشعاع الشمسي يمكن أن تؤثر على درجات الحرارة العالمية والأنماط المناخية.
   • أنشطة مثل إزالة الغابات وتغير استخدام الأراضي يمكن أن تؤثر على كيفية انعكاس وامتصاص الإشعاع الشمسي، مما يؤثر بدوره على التوازن الحراري للكوكب.
2. الصحة العامة:
   • الأشعة فوق البنفسجية UV-B تلعب دورًا هامًا في إنتاج فيتامين D في جسم الإنسان، لكن التعرض المفرط لها يمكن أن يسبب سرطان الجلد وأمراض العيون.
   • الأشعة فوق البنفسجية UV-C التي لا تصل إلى الأرض بسبب الغلاف الجوي العلوي، تعتبر مدمرة للغاية للحياة البيولوجية ويمكن أن تُستخدم في التعقيم.

التطبيقات المستقبلية

1. التكنولوجيا الفضائية:
   • استخدام الألواح الشمسية في الفضاء لتوليد الكهرباء للأقمار الصناعية والمركبات الفضائية.
   • مشاريع مستقبلية لتجميع الطاقة الشمسية في الفضاء وإرسالها إلى الأرض باستخدام موجات الميكروويف أو الليزر.
2. الابتكارات الهندسية:
   • تطوير مواد جديدة ومحسنة للخلايا الشمسية تزيد من كفاءتها وتقلل من تكلفتها.
   • استخدام تقنيات النانو لتحسين امتصاص وتحويل الإشعاع الشمسي.
3. التصميم المستدام:
   • دمج تقنيات الطاقة الشمسية في التصميم المعماري لتحقيق الاستدامة وتوفير الطاقة في المباني.
   • تطوير مدن ذكية تعتمد بشكل كبير على الطاقة الشمسية لتلبية احتياجاتها من الكهرباء والتدفئة.

الإشعاع الشمسي له دور حيوي في حياتنا اليومية واقتصادنا، وتستمر التقنيات في التطور لتحسين استغلال هذه الطاقة النظيفة والمتجددة.