كم يبلغ إجمالي الطاقة الشمسية التي يقوم الغلاف الجوي والمحيطات والكتل الأرضية بامتصاصها؟
يستقبل كوكب الأرض 174 بيتا واط من الإشعاعات الشمسية القادمة إليه (الإشعاع الشمسي) عند طبقة الغلاف الجوي العليا.[1] وينعكس ما يقرب من 30% من هذه الإشعاعات عائدة إلى الفضاء بينما تُمتص النسبة الباقية بواسطة السحب والمحيطات والكتل الأرضية. ينتشر معظم طيف الضوء الشمسي الموجود على سطح الأرض عبر المدى المرئي وبالقرب من مدى الأشعة تحت الحمراء بالإضافة إلى انتشار جزء صغير منه بالقرب من مدى الأشعة فوق البنفسجية.[2] تمتص مسطحات اليابسة والمحيطات والغلاف الجوي الإشعاعات الشمسية، ويؤدي ذلك إلى ارتفاع درجة حرارتها. يرتفع الهواء الساخن الذي يحتوي على بخار الماء الصاعد من المحيطات مسبباً دوران الهواء الجوي أو انتقال الحرارة بخاصية الحمل في اتجاه رأسي. وعندما يرتفع الهواء إلى قمم المرتفعات، حيث تنخفض درجة الحرارة، يتكثف بخار الماء في صورة سحب تمطر على سطح الأرض، ومن ثم تتم دورة الماء في الكون. تزيد الحرارة الكامنة لعملية تكثف الماء من انتقال الحرارة بخاصية الحمل، مما يؤدي إلى حدوث بعض الظواهر الجوية، مثل الرياح والأعاصير والأعاصير المضادة.[3] وتعمل أطياف ضوء الشمس التي تمتصها المحيطات وتحتفظ بها الكتل الأرضية على أن تصبح درجة حرارة سطح الأرض في المتوسط 14 درجة مئوية.[4] ومن خلال عملية التمثيل الضوئي الذي تقوم به النباتات الخضراء، يتم تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية، مما يؤدي إلى إنتاج الطعام والأخشاب والكتل الحيوية التي يُستخرج منها الوقود الحفري.
عند مرور أشعة الشمس عبر الغلاف الجوي فإنها تتعرض لإنخفاض في قيمتها نتيجة لإمتصاص جزء منها أثناء مرورها في طبقات الجو المختلفة.
الموجات ذات الأطوال الموجية القصيرة جدا مثل أشعة X و أشعة جاما, يتم إمتصاصها في طبقة الأيونوسفير عند ارتفاعات عالية جدا.
أما الموجات الأطول نسبيا في المنطقة فوق البنفسجية يتم إمتصاصها بواسطة طبقة الأوزون علي ارتفاع يتراوح من 15 إلي 40 كيلومتر فوق سطح الأرض.
في طبقات الجو الأقرب يتم إمتصاص بعض من حزم الموجات تحت الحمراء بواسطة بخار الماء و غاز ثاني أكسيد الكربون. الأشعة التي تصل إلي سطح الأرض تقع بشكل أساسي في مدي الأطوال الموجية من 0.29 إلي 2.5 ميكرومتر, علاوة علي ذلك فإن جزء من الأشعة يتعرض للتشتت و الإعتراض من الهواء الجاف و بخار الماء و جزيئات الغبار العالقة.
و كنتيجة لإمتصاص الغلاف الجوي لجزء من الأشعة و تشتت الجزء الاخر فإن الطاقة المحملة في الأشعة تنخفض قيمتها قبل أن تصل إلي سطح الأرض, و تعتمد درجة النقص في الأشعة علي طول مسارها في الغلاف الجوي و كذلك طبيعة الغلاف الجوي في هذا المسار, و يتم التعبير عن طول المسار في الغلاف الجوي بما يعرف بكتلة الهواء و يرمز لها m و قيمتها تكون أقل ما يمكن علي سطح الأرض عندما تكون الشمس في الاتجاه الرأسي مباشرة أي أن زاوية السمت Z = 0, و عند ذلك تكون قيمة m تساوي 1.
عندما تميل الشمس فإن مسار الشعاع سيزيد بالمقارنة بالوضع الرأسي و في هذه الحالة تزيد قيمة m عن الواحد, و بشكل عام يمكن حساب قيمة كتلة الهواء m من العلاقة التالية: