Insolacja a kąt padania promieni słonecznych

Co się właśnie stało?

Słońce opadło niżej nad horyzont, więc kąt zenitalny wzrósł. Ta sama wiązka — ta sama porcja energii — rozlała się na szerszą plamkę gruntu, więc na każdy metr kwadratowy przypada jej mniej.

Kąt zenitalny i wysokość Słońca:

— $\varphi$ to szerokość geograficzna, $\delta$ deklinacja Słońca (zależna od dnia roku, od $-23.5^{\circ}$ do $+23.5^{\circ}$), $z$ kąt zenitalny w górowaniu, a $h$ wysokość Słońca nad horyzontem.

Insolacja zależy od kąta padania:

Insolacja (dopływ energii na 1 m²) jest największa, gdy Słońce świeci prosto w zenit ($z = 0,\; \cos 0 = 1$), i spada wraz ze wzrostem kąta zenitalnego. Przy $z \ge 90^{\circ}$ Słońce chowa się pod horyzont — noc polarna, $I = 0$.

Dlaczego równik jest cieplejszy niż bieguny?

W okolicach równika Słońce w południe stoi wysoko (mały $z$), więc promienie padają niemal pionowo i grzeją intensywnie. Na biegunach nawet w dzień polarny Słońce ledwie wznosi się nad horyzont — kąt padania jest bardzo mały, energia rozkłada się na ogromną powierzchnię i mimo długiego dnia jest zimno. Tak powstają strefy oświetlenia Ziemi: międzyzwrotnikowa, umiarkowane i podbiegunowe.

Po co Ci to na maturze:

Zadania o oświetleniu Ziemi, strefach klimatycznych i górowaniu Słońca sprowadzają się do $z = |\varphi - \delta|$ i $h = 90^{\circ} - z$. Chwyt: policz kąt zenitalny, a insolację oceniaj przez $\cos z$ — im mniejszy kąt, tym silniejsze nasłonecznienie.

Zapamiętaj: im wyżej Słońce (mniejszy kąt zenitalny), tym więcej energii na 1 m² — $I \propto \cos z$, a maksimum wypada w zenicie.