Aurinko on maapallon ilmastojärjestelmän ensisijainen energianlähde.

Auringon energia ohjaa ilmastojärjestelmää

Aurinko lämmittää planeettaa, ohjaa hydrologista kiertoa ja mahdollistaa elämän maapallolla. Maan pinnalle tulevan auringonvalon määrään vaikuttavat pinnan heijastuskyky, auringon kulma, auringon teho ja Maan kiertoradan sykliset vaihtelut auringon ympäri.

Aurinkoenergian perustiedettä ja sen merkitystä maapallon ilmastolle yläkoululaiset voivat ymmärtää, mutta maapallon energiataseen monimutkaisuus on edelleen aktiivisen tieteellisen tutkimuksen kohteena. Näin ollen tämä aihe on sekä alkeellinen että monimutkainen.

Tämä periaate liittyy energialukutaidon periaatteeseen 2: Maapallon fysikaaliset prosessit ovat seurausta maapallon järjestelmän läpi kulkevasta energiavirrasta.

Näytä oppilaille ilmastojärjestelmän perusmekaniikka

Aurinkosäteilyn roolin ymmärtäminen maapallon ilmastojärjestelmässä voi auttaa meitä ymmärtämään tärkeitä käsitteitä, kuten:

vuodenaikojen syyt.

×

Tässä kuvassa näkyy maapallon akselin kallistus, joka aiheuttaa vuodenajat. (Huomautus: etäisyys ja halkaisija EIVÄT ole mittakaavassa.)

Vuodenajat johtuvat Maan akselin kallistuksesta. Akselin kallistuminen tarkoittaa, että maapallon pohjois- ja eteläosat eivät saa yhtä paljon auringon säteilyä (energiaa pinta-alayksikköä kohti). Kun eteläinen pallonpuolisko on kallistunut aurinkoa kohti, eteläisellä pallonpuoliskolla on kesä ja pohjoisella pallonpuoliskolla talvi. (Periaate 1c)

Syyt jääkausien esiintymiseen.

Jääkaudet johtuivat muutoksista maapallon pinnalle tulevan auringonsäteilyn jakautumisessa. Maan kiertorata ei ole vakio. Maan kiertoradan vaihtelut aiheuttavat sen, että mihin tahansa Maan pinnan pisteeseen saapuva auringonsäteily muuttuu. (Periaate 1d)

Miten auringon lähettämän energian määrä (auringon luminositeetti) muuttuu ajan myötä.

Auringon teho ei ole vakio. Sen luminositeetti (auringon lähettämä kokonaisenergia) on kasvanut geologisen ajan kuluessa ja vaihtelee hieman lyhyemmillä aikaskaaloilla.

Miksi viimeaikainen ilmaston lämpeneminen ei ole johtunut auringon energiatuoton lisääntymisestä.

Auringon energiantuotto ei ole muuttunut riittävästi viime vuosikymmeninä, jotta se voisi selittää lämpötilojen nousun, joka on havaittu tänä aikana. (Periaate 1e)

Useimmat ihmisten käyttämät energiamuodot ovat peräisin aurinkoenergiasta.

Monet ihmisten käyttämät energiamuodot ovat viime kädessä peräisin auringon säteilystä, kuten ruoka, hiilivedyt (kuten öljy ja maakaasu), tuulienergia, vesivoima ja tietysti aurinkoenergia.

Auttaen oppilaita ymmärtämään näitä ajatuksia

×

Tämässä kuviossa on esitetty 1 000 000-vuotinen näkemys maapallon kiertoradan vaihteluista (joita nimitetään Milankovitsin sykleiksi) ja siitä johtuvasta vaikutuksesta auringon säteilyyn. Alimmainen käyrä osoittaa viimeaikaisten jääkausien syklit.

Useimmissa luonnontieteiden opetusohjelmissa ja -standardeissa käsitellään Auringon roolia maapallon järjestelmän energianlähteenä, mutta usein hajanaisesti. Vuodenaikoja ja niiden merkitystä kausittaisten säämallien ja eläinten muuttoliikkeen taustalla saatetaan opettaa peruskoulussa, eikä niihin sitten palata moneen vuoteen, jos lainkaan.

Lisäksi kaikenikäisten opiskelijoiden, myös korkeakouluopiskelijoiden ja aikuisten, on vaikea ymmärtää, mistä vuodenajat johtuvat. Aksiaalisen kallistuksen lisäksi ihmisten mentaalisiin malleihin vaikuttavat muun muassa uskomus siitä, että maapallo kiertää aurinkoa pitkänomaisella elliptisellä radalla, epäselvyys maapallon suhteellisesta koosta, liikkeestä ja etäisyydestä auringosta, valon kulkeutumisesta, maapallon kiertoradan pituudesta auringon ympäri ja jopa kiertoajasta. Yksi strategia tämän yleisen väärinkäsityksen lieventämiseksi on varmistaa, että ”vuodenaikojen syitä” käsitellään riittävästi yläkoulussa, jolloin oppilailla on riittävä geometrinen ja fysiikan tausta käsitteiden ymmärtämiseksi (McCaffrey & Buhr, 2008).

×

Maapallon vastaanottaman aurinkoenergian määrä on noudattanut Auringon luonnollista 11-vuotista sykliä, joka koostuu pienistä nousuista ja laskuista ilman, että nettokasvu olisi ollut havaittavissa 1950-luvulta lähtien. Samana aikana maapallon lämpötila on noussut selvästi. Siksi on erittäin epätodennäköistä, että aurinko olisi aiheuttanut viimeisen puolen vuosisadan aikana havaitun maapallon lämpötilan lämpenemisen. Kuva NASA:lta.

Sitkeä harhaluulo on, että ilmaston viimeaikainen lämpeneminen johtuu pikemminkin Auringon tulevan energian muutoksista kuin kasvihuonepäästöjen lisääntymisestä. Tähän voidaan puuttua tarkastelemalla auringon säteilytehoa koskevia tietoja ja vertaamalla niitä maailmanlaajuisiin lämpötilamittauksiin. Tiedot osoittavat selvästi, että auringon säteilyteho ei korreloi maapallon lämpötilan kanssa.

Erinomaisia selityksiä tähän löytyy Skeptical Science -sivustolta: Sun and Climate: Moving in Opposite Directions ja Bloombergin grafiikalla: What’s Really Warming the World? Tämä mukaansatempaava kuvaaja on tehty NASAn tiedoilla ja mallituloksilla.

Tuo nämä ajatukset luokkahuoneeseesi

Aurinkosäteily on perustavanlaatuinen energia, joka ohjaa ilmastojärjestelmäämme, ja lähes kaikki maapallon ilmastolliset ja biologiset prosessit ovat riippuvaisia auringon panoksesta. Auringon energia on välttämätöntä monille maapallon prosesseille, kuten pinnan lämpenemiselle, haihtumiselle, fotosynteesille ja ilmakehän kiertokululle. Näin ollen sen tutkiminen, miten aurinko ruokkii maapallon eri prosesseja, voi olla osa monenlaisia luonnontieteiden kursseja. Monia tähän periaatteeseen liittyviä luonnontieteellisiä käsitteitä voidaan käsitellä kannustamalla kausittaisiin havaintoihin, osallistumalla yhdessä oppilaiden kanssa kansalaistutkimusohjelmiin (kuten GLOBE) ja palaamalla säännöllisesti perusasioihin siitä, miten aurinkoenergian määrä ja voimakkuus vaikuttavat maapallon ilmastoon.

Tapoja, joilla Auringon energia vaikuttaa ilmastojärjestelmään, voidaan opettaa hyvin perustasolta ylöspäin kaikkein kehittyneimpien tieteellisten lähestymistapojen kautta.

Integroivat ratkaisut – Auringon säteilyyn liittyviä luonnontieteellisiä käsitteitä voidaan laajentaa niin, että ne kattavat myös aurinkoenergiatekniikan ja -teknologian, mukaan lukien aurinkouunit, passiivisen aurinkosuunnittelun, aurinkolämpöenergian ja aurinkosähkön. Tämä voi auttaa lisäämään tietoisuutta vaihtoehdoista fossiilisten polttoaineiden käytölle ja luoda keskustelufoorumin, jossa voidaan keskustella ilmastonmuutoksen ratkaisuista, jotka yhteiskuntamme voi ottaa käyttöön.

Opetusmateriaalit CLEAN-kokoelmasta

×

Tämässä kuviossa näkyy, miten valkoiset jäänpinnat heijastavat auringonvaloa, kun taas tummemmat valtamerenvedet imevät auringonvaloa. Tätä kutsutaan albedoksi eli heijastavuudeksi.

Keskikoulu

• Globeja ja muita fysikaalisia malleja voidaan käyttää osoittamaan maapallon akselin kallistusta ja sitä, miten se vaikuttaa auringonvalon jakaantumiseen eri vuodenaikoina, kuten esimerkiksi kuvassa My Angle on Cooling: Effects of Distance and Inclination.
• Introduction to Earth’s Climate – Tämä oppitunti on johdatus maapallon ilmastoon, ja siinä käsitellään keskeisiä periaatteita maapallon ainutlaatuisesta ilmastosta, ilmakehästä sekä alueellisista ja ajallisista ilmastoeroista.
• Feeling adventuresome? Amazing Albedo on käytännönläheinen aktiviteetti, jossa mitataan eriväristen pintojen lämpötilaa.

Lukio

• Ilmasto: A Balancing Act -sovelluksen avulla oppilaat voivat säätää parametreja, jotka vaikuttavat maapallon energiatasapainoon: saapuva auringonsäteily, albedo-vaikutus, kasvihuoneilmiö ja lähtevä säteily.
• Opiskelijat voivat oppia, miten kiertoradan syklit ja jääkaudet korreloivat hyvin keskenään Milankovitšin syklit-ilmastosovelluksen avulla.
• Tämän Seasons Interactive -visualisointityökalun avulla voidaan tutkia avoimesti sitä, miten auringon säteily vaihtelee sijainnin ja vuodenaikojen mukaan.
• Auringon vaikutuksesta: Climate Change -video kansallisilta akatemioilta voi auttaa vahvistamaan näyttöä siitä, että auringon aktiivisuus ei aiheuta ilmaston lämpenemistä.

College

• Earth’s Heat Budget (Maan lämpöbudjetti) on käytännönläheinen laboratorioaktiviteetti, jossa tutkitaan etäisyyden ja kulman vaikutusta auringon säteilyn tuloon, albedoa, maan ja veden lämpökapasiteettia sekä sitä, miten nämä aiheuttavat vuodenajat.
• Auringon liikkeet -laboratoriossa käytetään animoitua simulaattoria, jonka avulla oppilaat voivat manipuloida muuttujia ymmärtääkseen auringon näennäistä liikettä taivaalla.
• Observe changes in Earth’s orbit that contribute to climate change – This animated visualization of Milankovitch cycles can set the stage for the advanced discussion of climate forcings.
• Kvantitatiivista lähestymistapaa voidaan käyttää tämän yksinkertaisen STELLA-mallin vaiheittaisen esittelyn avulla: Modeling Earth’s Energy Balance.
• Modeling Early Earth Climate with GEEBITT auttaa oppilaita tutustumaan paremmin fysikaalisiin prosesseihin, jotka tekivät maapallon varhaisesta ilmastosta niin erilaisen kuin nykyisestä.