thumb|right|250px|alt=rsds|Globalna porazdelitev vhodnega kratkovalovnega Sončevega sevanja v povprečju v letih 1981–2010 iz nabora podatkov CHELSA-BIOCLIM+ thumb|right|250px|Učinek ščita Zemljinega ozračja na Sončevo obsevanost. Zgornja slika je povprečna letna Sončeva obsevanost (ali osončenost) na vrhu Zemljinega ozračja (TOA); spodnja slika prikazuje letno osončenost, ki doseže zemeljsko površje po prehodu skozi ozračje. Obe sliki uporabljata isto barvno lestvico.
Sónčeva obsévanost je moč na enoto površine (površinska gostota moči), prejeta od Sonca v obliki elektromagnetnega valovanja (Sončevega sevanja) v obsegu valovne dolžine merilnega inštrumenta. Merska enota za Sončevo obsevanost (jakost sevanja) je vat na kvadratni meter (W/m2) v enotah SI.
Sončeva obsevanost se pogosto integrira v določenem časovnem obdobju, da se poroča o sevalni energiji, oddani v okoliško okolje (džul na kvadratni meter, J/m2) v tem časovnem obdobju. Ta integrirana Sončeva obsevanost se imenuje Sončeva izpostavljenost, osončenost, solarna insolacija ali insolacija.
Obsevanost se lahko meri v vesoljskemu prostoru ali na zemeljskem površju po absorpciji in sipanju v ozračju. Obsevanost v vesolju je funkcija razdalje do Sonca, Sončevega cikla in medcikličnih sprememb. Obsevanost na zemeljsko površje je dodatno odvisna od naklona merilne površine, višine Sonca nad obzorjem in razmer v ozračju. Sončeva obsevanost vpliva na metabolizem rastlin in vedenje živali.
Preučevanje in merjenje Sončevega sevanja imata več pomembnih uporab, vključno z napovedovanjem proizvodnje energije iz sončnih elektrarn, ogrevalnimi in hladilnimi obremenitvami stavb, podnebnim modeliranjem in napovedovanjem vremena, aplikacijami pasivnega dnevnega sevalnega hlajenja in potovanjem v vesolje.
Vrste sevanja
thumb|right|250px|Globalni zemljevid globalne vodoravne osončenosti (GHI) thumb|right|250px|Globalni zemljevid neposredne normalne obsevanosti (DNI)
Obstaja več izmerjenih vrst Sončeve obsevanosti.
skupna Sončeva obsevanost (total solar irradiance (TSI)) je mera sončne moči za vse valovne dolžine na enoto površine, ki vpadajo v zgornje ozračje Zemlje. Meri se pravokotno na vhodno sončno svetlobo. Solarna konstanta je običajna mera srednje vrednosti TSI na razdalji ene astronomske enote (a.e.). neposredna normalna obsevanost (direct normal irradiance (DNI)) ali žarkovno sevanje (beam radiation) se meri na zemeljskem površju na dani lokaciji s površinskim elementom, ki je pravokoten na smer Sonca. Izključuje difuzno Sončevo sevanje (sevanje, ki ga komponente v ozračju razpršijo ali odbijejo). Neposredna obsevanost je enaka nezemeljski obsevanosti nad ozračjem, zmanjšana za izgube v ozračju zaradi absorpcije in sipanja. Izgube so odvisne od časa dneva (dolžina svetlobne poti skozi ozračje glede na solarni višinski kot), oblačnosti, vsebnosti vlage in drugih vsebin. Obsevanost nad ozračjem se spreminja tudi glede na letni čas (ker se razdalja do Sonca spreminja), čeprav je ta učinek na splošno manj pomemben v primerjavi z učinkom izgub na DNI. difuzna vodoravna obsevanost (diffuse horizontal irradiance (DHI)), ali difuzno sevanje neba (diffuse sky radiation) je sevanje na zemeljskem površju zaradi svetlobe, ki jo razprši ozračje. Meri se na vodoravni površini s sevanjem, ki prihaja iz vseh točk na nebu, razen cirkumsolarnega sevanja (sevanje, ki prihaja s Sončeve ploskve). V odsotnosti ozračja DHI skoraj ne bi bilo. globalna vodoravna obsevanost (global horizontal irradiance (GHI)) je skupna obsevanost s Sonca na vodoravnem zemeljskem površju. Je vsota neposredne normalne obsevanosti (po upoštevanju solarnega zenitnega kota ) in difuzne vodoravne obsevanosti:
globalna nagnjena obsevanost (global tilted irradiance (GTI)) je skupno sevanje, prejeto na površini z definiranim nagibom in azimutom, fiksno ali s sledenjem Soncu. GTI je mogoče izmeriti ali modelirati iz GHI, DNI, DHI. Pogosto je referenca za fotovoltaične elektrarne, fotovoltaični moduli pa se montirajo na fiksne ali sledilne konstrukcije. globalna normalna obsevanost (global normal irradiance (GNI)) je skupna obsevanost s Sonca na zemeljskem površju na dani lokaciji s površinskim elementom pravokotnim na Sonce.
Merske enote
Enota SI za obsevanost je vat na kvadratni meter (W/m2 = Wm−2). Enota za obsevanost, ki se v industriji sončne moči velikokrat uporablja, je kilovatna ura na kvadratni meter (kWh/m2).
Alternativna enota za obsevanost je langley. En langley je ena termokemična kalorija na kvadratni centimeter ali 41.840J/m2.
Obsevanost na vrhu ozračja
thumb|right|250px|Sferni trikotnik za uporabo sfernega kosinusnega izreka za izračun solarnega zenitnega kota za opazovalca na zemljepisni širini in zemljepisni dolžini iz poznavanja časovnega kota in Sončeve deklinacije . ( je zemljepisna širina subsolarne točke, pa relativna zemljepisna dolžina subsolarne točke).
Povprečno letno Sončevo sevanje, ki pride v vrh Zemljinega ozračja, je približno 1361W/m2 (solarna konstanta ). To predstavlja moč na enoto površine Sončeve obsevanosti čez sferno površino, ki obdaja Sonce s polmerom, ki je enak razdalji do Zemlje (1a.e.). To pomeni, da približno krožni disk Zemlje, gledano s Sonca, ves čas prejema približno stabilnih 1361W/m2. Ploščina tega krožnega diska je , pri čemer je Zemljin polmer. Ker je Zemlja približno sferasta, ima celotno površino , kar pomeni, da se Sončevo sevanje, ki prihaja v vrh ozračja, povprečno na celotno zemeljsko površje, preprosto deli s štiri, da se dobi 340W/m2. Z drugimi besedami, v povprečju leta in dneva prejme Zemljino ozračje od Sonca 340W/m2. Ta vrednost je pomembna pri sevalnem siljenju.
Izpeljava
Porazdelitev Sončevega sevanja na vrhu ozračja je določena s sfernostjo Zemlje in parametri tira. To velja za kateri koli enosmerni žarek, ki vpada v vrtečo se sfero. Osončenost je bistvenega pomena za numerično napovedovanje vremena ter za razumevanje letnih časov in podnebnih sprememb. Uporaba v ledenih dobah je znana kot Milankovićevi cikli.
Porazdelitev temelji na osnovni identiteti sferne trigonometrije, sfernem kosinusnem izreku:
kjer so , in dolžine stranic sfernega trikotnika v radianih. je kot v oglišču nasproti stranice z dolžino . Pri izračunu solarnega zenitnega kota za sferni kosinusni izrek velja naslednje:
Ta enačba se lahko izpelje iz splošnejše formule:
kjer je kot od vodoravnice in azimutni kot.
thumb|right|250px|, teoretična dnevna povprečna obsevanost na vrhu ozračja, kjer je polarni kot Zemljinega tira, ob pomladnem enakonočju in ob poletnem Sončevem obratu. je zemljepisna širina. Izračun je privzel razmere za leto 2000. Solarna konstanta , nagib vrtilne osi , dolžina prisončja , izsrednost tira . Konturne označbe (zeleno) so v enotah Wm−2.
Razdaljo Zemlje od Sonca se lahko označi z , srednjo razdaljo pa z , približno 1 astronomsko enoto (a.e.). Solarna konstanta je označena z . Solarna gostota toka (insolacija) na ravnino, ki se dotika Zemljine sfere, vendar nad glavnino ozračja (nadmorska višina 100km ali več), je:
Povprečje na dan je povprečje na en vrtljaj ali časovni kot, ki teče od do :
Naj je časovni kot, ko postane pozitivna. To se lahko zgodi ob Sončevem vzhodu, ko je , ali za kot rešitvi enačbe:
ali:
Če je , Sonce ne zaide in je že vzšlo pri , tako da je . Če je , Sonce ne vzide in je .
Razmerje je čez dan skoraj konstantno in se ga lahko postavi ven iz integrala:
Tako je:
Naj je konvencionalni polarni kot, ki opisuje planetni tir. Naj je ob pomladnem enakonočju. Deklinacija kot funkcija lege na tiru je:
kjer je nagib vrtilne osi. (Pravilna formula za poljubni nagib vrtilne osi je .)
Konvencionalna dolžina prisončja je definirana relativno na pomladno enakonočje, tako da za eliptični tir velja:
ali:
Z znanimi vrednostmi , in iz astrodinamičnih preračunov in () iz konsenza opazovanj ali teorije se lahko izračuna za poljubno širino in azimutni kot . Zaradi eliptičnega tira in kot posledica drugega Keplerjevega zakona ne napreduje enakomerno s časom. Ne glede na to je točno ob pomladnem enakonočju, točno ob poletnem Sončevem obratu, točno ob jesenskem enakonočju in točno ob zimskem Sončevem obratu.
Poenostavljena enačba za obsevanost na dani dan je:
kjer je zaporedna številka dneva v letu.
Sprememba
Skupna Sončeva obsevanost (TSI) se počasi spreminja v desetletnem in daljšem časovnem obdobju. Sprememba med 21. Sončevim ciklom je bila približno 0,1 % (od vrha do vrha). V nasprotju s starejšimi rekonstrukcijami najnovejše rekonstrukcije TSI kažejo na povečanje le za približno 0,05 % do 0,1 % med Maunderjevim minimumom iz 17. stoletja in sedanjostjo. Ultravijolična obsevanost (EUV) se spreminja za približno 1,5 odstotka od Sončevih maksimumov do minimumov za valovne dolžine od 200 do 300nm. Vendar pa je študija posrednikov ocenila, da se je UV povečala za 3,0 % od Maunderjevega minimuma.
thumb|right|250px|Spremembe Zemljinega tira, ki povzročajo spremembe v toku Sončeve energije na visoki zemljepisni širini, in opazovani ledeniški cikli.
Nekatere razlike v osončenosti niso posledica Sončevih sprememb, ampak prej posledica gibanja Zemlje med njenim prisončjem in odsončjem ali sprememb porazdelitve sevanja po zemljepisni širini. Te tirne spremembe ali Milankovićevi cikli so v dolgih obdobjih povzročile spremembe sevalnosti do 25 % (krajevno; globalne povprečne spremembe so veliko manjše). Najnovejši pomemben dogodek je bil nagib vrtilne osi 24° med borealnim poletjem blizu holocenskega podnebnega optimuma. Pridobivanje časovne vrste za za določen letni čas in določeno zemljepisno širino je uporabna aplikacija v teoriji Milankovićevih ciklov. Na primer, ob poletnem Sončevem obratu je deklinacija enaka nagibu vrtilne osi . Razdalja do Sonca je:
Za ta izračun poletnega Sončevega obrata je vloga eliptičnega tira v celoti vključena v pomemben produkt , precesijski indeks, katerega sprememba prevladuje nad spremembami osončenosti na 65° severno, ko je izsrednost velika. Naslednjih 100.000 let, ko so spremembe v izsrednosti relativno majhne, prevladujejo spremembe v nagibu vrtilne osi.
Merjenje
Vesoljski zapis TSI obsega meritve več kot desetih radiometrov in zajema tri Sončeve cikle. Vsi sodobni satelitski inštrumenti TSI uporabljajo električno nadomestno radiometrijo z aktivno votlino. Ta tehnika meri električno ogrevanje, ki je potrebno za vzdrževanje absorpcijske zatemnjene votline v toplotnem ravnovesju z vpadno sončno svetlobo, ki gre skozi natančno zaslonko umerjenega območja. Zaslonka se modulira preko zaklopa. Za zaznavanje dolgoročnih sprememb Sončeve obsevanosti so potrebne merilne negotovosti točnosti <0,01%, ker so pričakovane spremembe v območju 0,05–0,15W/m2 na stoletje.
Medčasovno umerjanje
V orbiti se radiometrična umerjanja odmikajo zaradi razlogov, vključno s Sončevo degradacijo votline, elektronsko degradacijo grelnika, površinsko degradacijo natančne odprtine ter različnimi površinskimi emisijami in temperaturami, ki spreminjajo toplotno ozadje. Ta umerjanja zahtevajo kompenzacijo, da se ohranijo dosledne meritve.
Iz različnih razlogov se viri ne strinjajo vedno. Vrednosti TSI satelita Solar Radiation and Climate Experiment/Total Irradiance Measurement (SORCE/TIM) so nižje od prejšnjih meritev Earth Radiometer Budget Experiment (ERBE) na satelitu Earth Radiation Budget Satellite (ERBS), inštumenta Variability of solar IRradiance and Gravity Oscillations (VIRGO) na plovilu Solar and Heliospheric Observatory (SOHO) in inštrumentov ACRIM na satelitu Solar Maximum Mission (SMM), orbitalnem oservatoriju Upper Atmosphere Research Satellite (UARS) in satelitu Active Cavity Radiometer Irradiance Monitor Satellite (ACRIMSAT). Zemeljska umerjanja pred izstrelitvijo so se zanašale na meritve na ravni komponent in ne na sistemski ravni, saj tedanji standardi obsevanosti niso imeli dovolj absolutnih točnosti.