Onderzoek wijst uit: bij wisselend bewolkt weer ontvangen we soms intensere zonnestraling
1
Uit recent onderzoek is gebleken dat de zonnestraling die we aan het aardoppervlak opvangen soms méér is dan de straling bij onbewolkt weer. Vooral bij het overtrekken van kleine stapelwolken is dat het geval. In dit artikel leggen we uit hoe dit kan.
Cumulus wolken hebben een grote invloed op de inkomende zonnestraling.
Globale, directe en diffuse straling
Er zijn heel veel effecten die bepalen hoeveel van de “clear-sky” kortgolvige zonnestraling die de atmosfeer binnendringt uiteindelijk de grond bereikt. De samenstelling van de atmosfeer zélf doet er al toe: hoeveel en welke gassen (ook: waterdamp) komen voor, hangt er stof in de lucht, of zijn er veel zeezoutdeeltjes door een nabije storm.
En niet te vergeten de zonshoogte: bij een laagstaande zon is de weg die de straling moet afleggen door die soms heiige atmosfeer veel langer. Al deze processen verstrooien het zonlicht en dragen bij aan wat we diffuse straling (in het vakjargon DIF, ofwel diffuse horizontal irradiance) noemen. Veel straling kaatst er tenslotte terug vanaf het aardoppervlak, we noemen dat het albedo-effect; dit is het sterkst bij ijs en sneeuw.
Aan de grond meten we dus ook bij zonnig weer zelden 100% clear-sky straling. Ook niet als we de straling opvangen op een vlak dat loodrecht op de richting van de zon staat, zoals met zonnepanelen die op een bepaald moment precies “goed” op de zon liggen. Ook deze zogenoemde directe straling (de DNI, ofwel direct normal irradiance) haalt zelden de 100%.
In dit artikel hebben we het verder over de inkomende straling op een horizontaal vlak, het aardoppervlak. Deze straling heet ook wel globale straling (de GHI, ofwel global horizontal irradiance). Er geldt de volgende formule: GHI = DNI * sin(zonshoek) + DIF
In de winter, en in de vroege ochtend of late middag, is de zonshoek klein en is ook bij helder weer de directe instraling op het aardoppervlak niet groot. In de zomer is de zonshoek rond het middaguur in de Benelux wel 60 graden en dan is de bijdrage van de directe straling aan de GHI doorgaans veel groter dan die van de diffuse straling.
Als je heel precies kijkt, en ook heel frequent meet, dan blijkt echter dat de globale strraling soms toch aanzienlijk meer is dan de 100% clear-sky straling. En dat komt door een grote bijdrage aan de diffuse straling door wolken, en daarover gaat de rest van dit artikel.
- Ontdek hoe inkomende straling afhankelijk is van de positie van de zon.
- Verdere aanvulling: allerlei soorten wolken.
Vooral stralingstoename in de buurt van cumuluswolken
Wolken laten slechts een deel van de clear-sky straling door. Daarnaast reflecteren wolken de straling en dat gebeurt in alle richtingen. Wolken dragen dus ook bij aan de diffuse straling. Beide processen hangen af van de optische eigenschappen en de samenstelling van de wolk (een cirruswolk bestaat uit ijs en reflecteert veel meer dan een wolk die uit waterdruppeltjes bestaat).
De afbeeldingen bij dit artikel komen, op één na, allemaal uit de dissertatie van Wouter Mol (dank voor het delen!), die vrijdag 27 september cum laude promoveerde op zijn onderzoek naar de variatie van de inkomende zonnestraling door bewolking. Uit onderzoek van de stralingsmetingen van Cabauw die hij combineerde met satellietwolkendetectie vond hij eerder al dat het vooral bepaalde wolken zijn die voor stralingspieken zorgen. We zien dat in onderstaande figuur.
Bij wolkenclassificatie op basis van satellietbeelden blijkt, simpel samengevat, dat vooral cumulus regelmatig gedurende een aantal minuten extra straling genereert. Ook cirrus doet dat, maar omdat cirrus doorgaans ook straling doorlaat is het totale effect dan klein.
Vorm en dikte van de wolk doen ertoe
De metingen van Cabauw zijn niet gedetailleerd genoeg om precies te achterhalen wat er gebeurt met de instraling op het moment dat de schaduw van een wolk overtrekt. Wouter heeft daarom ook zelf metingen gedaan met een hoge resolutie netwerk van speciale stralingsmeters. Met de data uit dit netwerk kon hij de effecten van wolken op inkomende straling op een schaal van 50 meter en een tijdschaal van seconden onderzoeken.
Gaan we naar de detailresultaten van dit hoge resolutie meetnet, dan vinden we méér bijzonderheden. Die hangen sterk samen met de optische dikte van de wolk, zie figuur.
Een doorschijnende wolk laat veel straling ongehinderd passeren, er is onder de wolk alleen sprake van wat extra diffuse straling, de directe straling blijft dominant. Is dezelfde wolk dikker, dan absorbeert de wolk de straling grotendeels, en is er onder de wolk alleen nog sprake van diffuse straling in alle richtingen. Wanneer de wolk sterk verticaal ontwikkeld is, zoals een buienwolk, dan is er ook sprake van reflectie naar opzij.
Tenslotte is het albedo van het aardoppervlak van belang. Als er sneeuw ligt, weerkaatst de sneeuw veel van de straling. Bij helder weer is dat een directe reflectie omhoog. Bij bewolkt weer reflecteert de straling weer tegen de onderkant van de wolk waardoor het minder donker is.
Het samenspel van alle wolkensoorten
Nu is er zelden één soort wolken, en ook veranderen wolken snel in de tijd. Hierdoor is het uiteindelijke effect van wolken op de straling zeer complex, zoals we in onderstaand samenvattend plaatje zien.
Het meetveld met een instrument op elke 50m liet ook duidelijk zien hoe snel de straling kan variëren en hoe alle effecten ook kunnen samenwerken. Vooral bij een veld schapenwolken (altocumulus) was dat duidelijk. Altocumulus is gemiddeld deels doorschijnend, maar de kleine wolkenribbels die met de hoogtewind snel passeren zorgen voor een snelle wisseling van de straling onder de wolk. De reflectie aan de wittige randen van de wolk draagt bij aan een stralingspiek die wel 40% hoger kan liggen dan de clear-sky straling!
Een actueel voorbeeld
We sluiten af met een voorbeeld van het meetveld van Wageningen Universiteit. Afgelopen zaterdag, 28 september, was een dag met felle opklaringen en flinke stapelwolken. Ook passeerde er rond 12UTC een echte buienwolk. In de meetreeks zien we hoe sterk de 1-minuutstraling varieert die dag! Op zonnige momenten is de diffuse straling klein en volgt de GHI (oranje) de directe straling loodrecht op de zon (DNI).
In de diepe schaduw van een wolk is de GHI gelijk aan de diffuse straling. Aan de rand van wolken is er soms én direct zonlicht én een verhoogde diffuse straling, waardoor rond 12UTC zelfs gemiddeld over 1 minuut de GHI groter is dan de DNI.
Kunnen we wolken ooit zo precies verwachten?
Zonnepanelen reageren heel snel op wisselingen in de instraling. Uit het onderzoek van Wouter zien we dat de straling door het overtrekken van wolken binnen seconden kan veranderen van slechts 20% clear-sky naar wel 120% clear-sky. Voor de beheerders van ons elektriciteitsnet is dat erg lastig.
Fysische weermodellen kunnen wolken nooit zo precies verwachten, alleen al voor de analyse van de uitgangstoestand is de kwaliteit en dichtheid van (wolk)waarnemingen absoluut ontoereikend. Een ultra-korte termijn lokale verwachting van wolkensoort en wolkdikte, bijvoorbeeld met behulp van talloze wolkencamera’s en AI-patroon herkenning, kan mogelijk uitkomst bieden, maar zover zijn we nog niet!