सूर्यातप (या आने वाली सौर विकिरण) (Insolation (or Incoming Solar Radiation)
- सूर्यातप किसी ग्रह द्वारा प्राप्त सौर विकिरण की मात्रा है । पृथ्वी की सतह द्वारा लघु तरंगों के रूप में प्राप्त ऊर्जा को आने वाली सौर विकिरण या सूर्यातप कहा जाता है ।
- सूर्यातप पृथ्वी की सतह पर स्थिर नहीं है – यह पृथ्वी की वक्रता के कारण भूमध्य रेखा के पास केंद्रित है।
- सूर्यातप का कुछ भाग वायुमंडल से परावर्तित होकर वापस अंतरिक्ष में चला जाता है, जहाँ वह खो जाता है। शेष सूर्यातप वायुमंडल से होकर गुजर सकता है, जहां इसे पृथ्वी की सतह पर पहुंचने से पहले या बाद में परिवर्तित किया जा सकता है।
- सौर ऊर्जा का यह स्वागत और परिणामस्वरूप ऊर्जा का प्रवाह अंततः पृथ्वी की सतह और वायुमंडल को गर्म करता है।
पृथ्वी की सतह पर सूर्यातप की परिवर्तनशीलता (Variability of insolation at the surface of the earth)
पृथ्वी द्वारा प्राप्त सौर विकिरण (सूर्यात) की मात्रा और तीव्रता एक दिन, एक मौसम और एक वर्ष के दौरान अलग-अलग होती है। निम्नलिखित कारक हैं जो इन विविधताओं का कारण बनते हैं:
- पृथ्वी का अपनी धुरी पर घूमना।
- सूर्य की किरणों के झुकाव का कोण
- दिन की लम्बाई।
- वातावरण की पारदर्शिता, और
- इसके पहलू के संदर्भ में भूमि का विन्यास।
(सूर्यातप पहले तीन कारकों पर अधिक निर्भर करता है)
पृथ्वी की धुरी की झुकी हुई स्थिति को पृथ्वी की धुरी का झुकाव कहा जाता है। पृथ्वी की घूर्णन धुरी सूर्य के चारों ओर अपनी कक्षा के तल के साथ लगभग 66.5° का कोण बनाती है और यह विभिन्न स्थानों पर प्राप्त सूर्यातप की मात्रा को बहुत प्रभावित करती है।
सूर्यातप की मात्रा सूर्य की किरणों के झुकाव के कोण पर भी निर्भर करती है। अक्षांश जितना अधिक होगा, वे पृथ्वी की सतह से उतना ही कम कोण बनाएंगे, जिसके परिणामस्वरूप सूर्य की किरणें तिरछी होंगी। तिरछी किरणें ऊर्ध्वाधर किरणों की तुलना में अधिक क्षेत्र को कवर करती हैं। जब अधिक क्षेत्र कवर किया जाता है, तो ऊर्जा वितरित हो जाती है और प्रति क्षेत्र प्राप्त शुद्ध ऊर्जा कम हो जाती है। इसके अलावा, तिरछी किरणों को वायुमंडल की अधिक गहराई से गुजरना पड़ता है जिसके परिणामस्वरूप अधिक अवशोषण, प्रसार और प्रकीर्णन होता है।
पृथ्वी की सतह से टकराने से पहले, आने वाला सौर विकिरण वायुमंडल से होकर गुजरता है। शॉर्टवेव सौर विकिरण के लिए वातावरण काफी हद तक पारदर्शी है। वायुमंडल में मौजूद जलवाष्प, ओजोन और अन्य गैसें अधिकांश निकट-अवरक्त विकिरणों को अवशोषित करती हैं। क्षोभमंडल में छोटे निलंबित कण दृश्यमान स्पेक्ट्रम को अंतरिक्ष और पृथ्वी की सतह दोनों तरफ बिखेर देते हैं। आकाश का नीला रंग और उगते और डूबते सूरज का लाल रंग वायुमंडल में प्रकाश के प्रकीर्णन का परिणाम है।
दिन की अवधि स्थान-स्थान और मौसम-दर-मौसम अलग-अलग होती है। यह पृथ्वी की सतह पर प्राप्त सूर्यातप की मात्रा तय करता है।
पृथ्वी की सतह पर प्राप्त सौर विकिरण की मात्रा उष्ण कटिबंध में अधिक (लगभग 320 वाट/वर्ग मीटर) और ध्रुवों में सबसे कम (70 वाट/वर्ग मीटर) होती है। उपोष्णकटिबंधीय रेगिस्तानों में अधिकतम सूर्यातप प्राप्त होता है क्योंकि वातावरण अधिक पारदर्शी (कम से कम बादल) होता है। एक ही अक्षांश पर, महासागरों की तुलना में महाद्वीपों पर सूर्यातप अधिक होता है।
स्थलीय विकिरण, वायुमंडल का ताप और शीतलन (Terrestrial Radiation, Heating and Cooling of the Atmosphere)
- स्थलीय विकिरण – पृथ्वी द्वारा प्राप्त सौर विकिरण लघु तरंग रूपों में होता है और यह इसकी सतह को गर्म करता है। पृथ्वी एक विकिरण पिंड के रूप में कार्य करती है और वायुमंडल में लंबी तरंगों के रूप में ऊर्जा विकीर्ण करती है। इस प्रक्रिया को स्थलीय विकिरण कहा जाता है और ये लंबी तरंग विकिरण नीचे से वातावरण को गर्म करते हैं। बदले में वातावरण विकिरण करता है और अंतरिक्ष में गर्मी पहुंचाता है। इससे पृथ्वी की सतह पर तापमान स्थिर बना रहता है, क्योंकि सूर्य से प्राप्त ऊष्मा की मात्रा अंतरिक्ष में स्थानांतरित हो जाती है।
- वायुमंडल का ताप और शीतलन (चालन, संवहन और संवहन):
- स्थलीय विकिरण निचले वायुमंडल को गर्म करता है जो सीधे पृथ्वी की सतह के संपर्क में होता है। इस प्रक्रिया को चालन कहा जाता है जिसमें गर्म से ठंडे पिंड की ओर ऊर्जा का प्रवाह होता है और स्थानांतरण तब तक जारी रहता है जब तक दोनों पिंडों का तापमान समान न हो जाए।
- जैसे-जैसे वायुमंडल की निचली परत गर्म होती है, यह धाराओं के रूप में लंबवत ऊपर उठती है और वायुमंडल की गर्मी को संचारित करती है। वायुमंडल के इस ऊर्ध्वाधर तापन को संवहन कहा जाता है और यह केवल क्षोभमंडल तक ही सीमित है।
- वायु की क्षैतिज गति के माध्यम से ऊष्मा के स्थानांतरण को संवहन कहा जाता है। भारत में गर्मियों के दौरान, स्थानीय हवाओं को लू कहा जाता है जो संवहन प्रक्रिया का परिणाम है। संवहन की तुलना में संवहन अपेक्षाकृत अधिक महत्वपूर्ण है। मध्य अक्षांश में, अधिकांश दैनिक (दिन और रात) परिवर्तन अकेले संवहन का परिणाम होते हैं।
पृथ्वी का ताप बजट (Heat Budget of the Earth)
पृथ्वी की सतह अपना तापमान बनाए रखती है, ऐसा इसलिए है क्योंकि सूर्यातप के रूप में पृथ्वी द्वारा प्राप्त ऊष्मा की मात्रा स्थलीय विकिरण के माध्यम से पृथ्वी द्वारा खोई गई ऊष्मा की मात्रा के बराबर होती है।
जब 100% सौर विकिरण पृथ्वी के वायुमंडल में पहुँचता है, तो लगभग 35% पृथ्वी की सतह तक पहुँचने से पहले ही वापस अंतरिक्ष में परावर्तित हो जाता है। परावर्तित मात्रा को पृथ्वी का एल्बिडो कहा जाता है। ऊर्जा की यह मात्रा न तो पृथ्वी को और न ही वायुमंडल को गर्म करती है।
- शेष 65% ऊर्जा में से 14% वायुमंडल द्वारा अवशोषित होती है और शेष, 51% पृथ्वी की सतह द्वारा (34% प्रत्यक्ष सौर विकिरण के माध्यम से और 17% बिखरे हुए विकिरण से)।
- पृथ्वी द्वारा प्राप्त ऊर्जा का 51% भाग स्थलीय विकिरण के रूप में वापस उत्सर्जित होता है।
- 17% सीधे अंतरिक्ष में वापस विकिरणित हो जाता है और शेष 34% वायुमंडल द्वारा अवशोषित हो जाता है (6% सीधे वायुमंडल द्वारा अवशोषित होता है, 9% संवहन के माध्यम से और 19% संक्षेपण की गुप्त गर्मी के माध्यम से)।
- वायुमंडल द्वारा अवशोषित कुल 48% (सूर्यताप से 14% और स्थलीय विकिरण से 34%) भी वापस अंतरिक्ष में विकिरणित हो जाता है।
- इस प्रकार, वायुमंडल और पृथ्वी से वापस लौटने वाला कुल विकिरण क्रमशः 48+17=65% है जो सूर्य से प्राप्त कुल 65% को संतुलित करता है।
- इसे पृथ्वी का ताप संतुलन या ताप बजट कहा जाता है, और यह बताता है कि पृथ्वी ऊष्मा के भारी हस्तांतरण के बावजूद अपना तापमान कैसे बनाए रखती है।
पृथ्वी की सतह पर शुद्ध ताप बजट में भिन्नता (Variation in the Net Heat Budget at the Surface of the Earth)
- सतह पर प्राप्त सूर्यातप स्थान-स्थान पर अलग-अलग होता है, पृथ्वी के कुछ भाग में विकिरण संतुलन अधिशेष होता है जबकि दूसरे भाग में कमी होती है।
- 40°N और 40°S के बीच शुद्ध विकिरण संतुलन अधिशेष है और ध्रुवों के पास के क्षेत्र घाटे में हैं। उष्ण कटिबंध से अतिरिक्त ऊष्मा ऊर्जा ध्रुवों की ओर पुनर्वितरित हो जाती है, और परिणामस्वरूप, अतिरिक्त ऊष्मा के संचय के कारण उष्ण कटिबंध उत्तरोत्तर गर्म नहीं होते हैं और न ही अधिक कमी के कारण ऊंचाई वाले स्थान स्थायी रूप से जम जाते हैं।
तापमान वितरण को नियंत्रित करने वाले कारक (Factors Controlling Temperature Distribution)
किसी भी स्थान का तापमान निम्नलिखित कारकों से प्रभावित होता है:
- स्थान का अक्षांश – किसी स्थान का तापमान प्राप्त सौर विकिरण पर निर्भर करता है। सूर्यातप अक्षांश के अनुसार बदलता रहता है, इसलिए तापमान भी तदनुसार बदलता रहता है। सौर विकिरण भूमध्य रेखा के साथ लंबवत रूप से गुजरते हैं। भूमध्य रेखा से ध्रुवों की ओर आपतन कोण घटता जाता है। सौर विकिरण से गर्म होने वाला क्षेत्र ध्रुवों की ओर बढ़ता है, इसलिए भूमध्य रेखा से ध्रुवों की ओर तापमान घटता है।
- स्थान की ऊंचाई – स्थलीय विकिरण नीचे से वातावरण को गर्म करता है। इसलिए, समुद्र तल के पास के स्थानों का तापमान अधिक ऊंचाई वाले स्थानों की तुलना में अधिक होता है। सामान्यतः ऊँचाई बढ़ने के साथ तापमान घटता जाता है। क्षोभमंडल के तापमान में ऊर्ध्वाधर कमी को “सामान्य ह्रास दर” या “ऊर्ध्वाधर तापमान प्रवणता” कहा जाता है। प्रति किमी चढ़ाई पर तापमान 6.5°C की दर से कम हो जाता है।
- समुद्र से दूरी – समुद्र के सापेक्ष किसी स्थान की स्थिति भी उस स्थान के तापमान को प्रभावित करती है। समुद्र के तापमान में परिवर्तन स्थल की तुलना में कम होता है क्योंकि स्थल गर्म होता है और जल्दी ठंडा हो जाता है, जबकि समुद्र धीरे-धीरे गर्म होता है और धीरे-धीरे गर्मी भी खोता है। समुद्र के पास के स्थान समुद्र और ज़मीन की हवाओं के मध्यम प्रभाव में आते हैं जो तापमान को नियंत्रित करते हैं।
- वायुराशियाँ और महासागरीय धाराएँ – जो स्थान गर्म वायुराशियों के प्रभाव में आते हैं, वहाँ तापमान अधिक होता है और जो स्थान ठंडी वायुराशियों के प्रभाव में आते हैं, वहाँ तापमान कम होता है। तट पर स्थित स्थान जहाँ गर्म समुद्री धाराएँ बहती हैं, तट पर स्थित स्थानों जहाँ ठंडी धाराएँ बहती हैं, की तुलना में अधिक तापमान का अनुभव होता है।