Определение уровня солнечной радиации

Цель работы: оценить поток энергии излучения от Солнца на поверхность Земли (для г.Пензы).

Приборы и принадлежности: люксметр.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ ОПЫТА

Планета Земля, третья планета Солнечной системы, получает, как и другие планеты, энергию от центрального светила – Солнца. И практически все процессы, происходившие и происходящие в настоящее время на поверхности Земли, поддерживаются постоянно поступающим излучением. Более того, человечество научилось использовать и ранее полученную от Солнца «законсервированную» в виде угля, нефти, газа – останки органического вещества, образовавшегося на Земле миллионы лет назад только за счёт фотосинтеза растений.

В данной лабораторной работе предстоит оценить количество поступающей в виде излучения от Солнца энергии в единицу времени на единицу площади поверхности Земли в нашем регионе С_рег. Эту характеристику принято называть солнечной радиацией.

Поступающее излучение представляет собой поток электромагнитных волн в очень широком диапазоне длин – от рентгеновского (λ_{р -} долей нанометра) до радиодиапазона (λ_рд – метов и более). Большая часть мощности излучения, примерно 80 %, приходится на участок длин волн от λ = 390 нанометров до λ = 750 нанометров. Этот диапазон называют видимым, именно волны этого диапазона человек воспринимает своим зрением, и именно для этого диапазона разработаны и используются на практике приборы – люксметры, которые измеряют мощность светового потока. Поэтому в этой работе с помощью люксметра мы и будем оценивать полную мощность излучения Солнца, приходящуюся на один квадратный метр земной поверхности.

График всего падающего на Землю из космоса от Солнца излучения представлен на рис.5.1.

 Рис.5.1. Спектр солнечного излучения: верхняя кривая – спектр солнечного излучения; жирная линия – спектр солнечного излучения, наблюдаемый на уровне моря; заштрихованные участки – поглощение света в атмосфере; серый участок – видимая часть спектра. 

Падающее излучение, прежде чем достигнуть поверхности Земли (материков, океанов). проходит через атмосферу. С проходящим излучением в атмосфере происходят преобразования:

часть излучения (самые короткие и длинные волны) сильно поглощается;

 часть всего диапазона отражается в космос (эту часть в астрономии принято называть альбедо);

часть рассеивается атмосферой, создавая тот голубой цвет неба, видимый нами с поверхности земли и космонавтами из космоса (преобладающий цвет планеты Земля);

 часть поглощается и отражается в космос облачным покровом планеты.

 В результате исследований учёных и анализа прохождения излучения Солнца через атмосферу было выявлено, что до поверхности земли доходит только примерно 44% всей падающей на Землю энергии излучения (Рис. 5.2)

 

Рис 5.2. Баланс солнечной радиации на Земле (в %)

Е получ. = Е альбедо плюс Е тепловое излучение

В свою очередь, часть дошедшего до поверхности земли излучения опять отражается в космос (в основном в видимом диапазоне), поглощается земной поверхностью, нагревая её, и от которой нагреваются и нижние слои атмосферы. Из-за разной степени нагрева атмосферы на разных территориях, происходит интенсивное её перемешивание. Таким образом, можно утверждать, что энергия ветра, бурь, штормов, ураганов получена ими за счёт излучения Солнца, дошедшего до земной поверхности.

 И это ещё не всё, учёные-физики установили, что нагретая излучением Солнца поверхность земли не только нагревает атмосферу за счёт теплопередачи ей полученной от Солнца теплоты, но и создаёт особое тепловое излучение в другом диапазоне волн с длиной волны λ = 10 микрон. Это излучение поглощается в основном молекулами углекислого газа и метана, содержащихся в нижних слоях атмосферы, и дополнительно нагревает воздух примерно на 60 градусов, и за счёт этого процесса поддерживает температуру в среднем на всей Земле у её поверхности около 15 градусов по Цельсию. На рисунке 5.2 показано распределение по мощности основных компонентов излучения, как падающего на Землю, так и уносящего его в космос.

Можно отметить, что на высоте 8 – 10 км., на которой летают самолёты, практически постоянно в любое время года, даже над экватором, температура воздуха не поднимается выше минус 50 градусов.

За миллиарды лет с образования Земли до настоящего времени температура поверхности Земли (и, разумеется, нижних слоёв атмосферы) стабилизировалась и претерпевает только сезонные изменения. Это постоянство средней температуры с физической точки зрения говорит о том, что сумма потоков энергии отражённого солнечного излучения и собственно своего теплового излучения Земли в космос равны энергии падающего от Солнца на Землю.

Как это ни странно, но на температуру поверхности Земли практически не влияют раскалённые недра нашей планеты (более 2500 градусов Цельсия), расположенные на глубине всего 30 – 50 километров, по сравнению с влиянием Солнца, находящегося в миллионы!! раз дальше и имеющего температуру 6000 градусов, превышающую температуру глубин земного шара всего в два с небольшим раза. И самое удивительное, на первый взгляд, является то, что от раскалённых недр нас отделяет, казалось, теплопроводящая твердая оболочка Земли – мантия, тогда как от Солнца нас на таком громадном расстоянии до него разделяет практически вакуум космического пространства.

То, что до поверхности доходит примерно только 44 % энергии излучения Солнца – является некоторой усреднённой величиной для всей Земли. Очевидно, что доля энергии излучения Солнца, дошедшей до поверхности Земли, зависит:

 от места (региона) на земном шаре (чем дальше от экватора, тем меньше энергии),

 от высоты Солнца над горизонтом (угла между горизонтом и направлением на Солнце), которое, в свою очередь, зависит от времени года и суток.

 Последнее означает, что максимум дошедшей энергии для любого региона в нашем северном полушарии (без учёта поглощающих свойств облачного покрова) достигается в полдень 22 июня, а минимум в – в полдень 22 декабря.

Наш Пензенский регион (г. Пенза) находится на параллели 53го градуса северной широты. Ось вращения Земли наклонена к плоскости орбиты Земли, по которой она перемещается вокруг Солнца в своём годовом перемещении, под углом в 23,5 градуса. Точное время максимума дневной активности Солнца соответствует максимуму дневной высоты его над горизонтом при его положении точно на юге.

Необходимо учесть, что чем меньше высота Солнца над горизонтом, тем свету приходится проходить больший путь в атмосфере, следовательно, дополнительно увеличивается поглощение света атмосферой, и до поверхности доходит энергии меньше чем в экваториальных областях.

Идея работы. Целью работы является оценка энергии (точнее – мощности) излучения Солнца, прошедшего через атмосферу и достигшей поверхности Земли. Такой оценкой может служить физическая величина, определяемая как значение мощности падающего излучения, выражаемая в Ваттах, приходящейся на единицу площади в один квадратный метр горизонтальной поверхности.

[ C ] = [Вт/м²].                                  (5.1)

Ещё в 19 веке после открытия австрийскими учёными Стефаном и Больцманом законов теплового излучения, теоретически было подсчитано, что плотность мощности излучения Солнца, падающего на площадку в 1 квадратный метр, расположенной за пределами атмосферы вблизи Земли, составляет 1360 Вт/м² . Эта величина была названа «Солнечной постоянной Земли а», и её значение подтверждено позднее измерениями с помощью спутников (а = 1360 Вт/м²).

Большая часть всей мощности излучения от Солнца, дошедшей до поверхности земли, приходится на видимый диапазон (0,38 мкм <  λ < 0,76 мкм.

   В оптике для измерения мощности светового потока используют прибор – люксметр. Таким образом, появляется возможность достичь цели работы с помощью люксметра.

   Примечание. Люксметр измеряет освещённость Е в люксах. Люкс – мощность светового потока в Люменах, падающего на один квадратный метр. Один Люмен равен 0, 016 Вт. Таким образом, при работе с люксметром его показания освещённости в люксах можно пересчитывать в мощность в Ватах видимого светового потока, падающего перпендикулярно на поверхность в Вт/м² вдоль нормали к ней , умножив его показания на множитель  0,016, т. е.

 С [Вт/м²] = 0,016 Люкс.                                  (5.2)

       Этот поток энергии, падая под углом h на горизонтальную поверхность земли, приходится на большую площадь, и тогда, в соответствии с законами оптики изакона сохранения энергии, на один квадратный метр (см. введение)поверхности земли будет приходиться мощность излучения

С_рег = Е х 0.016 х Cos (90- h)                                    (5.3)

       Где Е – освещённость, измеренная люксметром, а h – высота Солнца над горизонтом.

      Перед проведением измерений необходимо ознакомиться с описанием люксметра и инструкцией по пользованию прибором. По законам оптики освещённость реальной поверхности Е_пов находят с помощью люксметра, расположив вблизи от неё датчик люксметра и направив его светочувствительную площадку в сторону источника света (в работе – в сторону Солнца), и умножив его показания на косинус угла между нормалью к поверхности и направлением на источник света.

Ход работы

Желательно проводить измерения в середине дня, лучшее время между двенадцатью и тринадцатью часами.

Для определения С_рег   необходимо выйти из помещения школы, найти на территории рядом со школой наиболее открытую с южной стороны площадку, по возможности не заслонённую деревьями, другими зданиями и произвести несколько (не менее 5-7) измерений освещённости Е₁, Е₂,….Е_н.. Найти среднее значение освещённости Е_ср. м по нему определить С_рег

Вопросы и задания для собеседования

1. Подсчитайте высоту солнца в полдень 22 июня, 22 марта (22 сентября), 22 декабря по данным, приведённым во введении.

2. Принимая, что падающее на Землю солнечное излучение не зависит от времени года (т.е. солнечная постоянная а является действительно постоянной величиной), подсчитайте: сколько процентов составляет полученный Вами результат от падающей мощности излучения.

3. Оцените, какая доля падающего излучения поглощается атмосферой.

4. Учитывая реальную высоту Солнца на момент измерения, подсчитайте теоретически значение солнечной радиации региона на 22 июня и 22 декабря.

Библиографический список

1. Бакулин П.И., Кононович Э.В., Мороз В.И. Курс общей астрономии. Учебник. – М., URSS,2011.

2. Дагаев М.М. Астрономия. Учебник для педагогических вузов. - М., Наука, 2003.

3. Гинзбург В.Л. Современная астрофизика. - М., Наука, 2010.

4. Дагаев М.М. Сборник задач по астрономии (пособие для вузов). – М., 2004.

5. Воронцов, Вельяминов Б.А. Сборник задач по астрономии для средней школы. – М., 2001

6. Дагаев М.М. Лабораторный практикум по курсу общей астрономии. – М., Высшая школа. 2005.

7. Зельдович Я.Б., Новиков И.Л. Теория тяготения и эволюция звезд. – М., 1971.

8. Шама Д. Современная космология. Перевод с английского, М., 1973.

9. Астрономический календарь. Постоянная часть. – М., Наука, 2009 – 704с.

10. Астрономический календарь. Переменная часть. Ежегодник., 2009 – 367с.

11. Данлоп С. Азбука звездного неба (перевод с английского). – М., Мир, 1990 – 238 с.

12. Пановкин Б.Н. Радиоастрономия. – М., Знание, 2003 – 64 с.

13. Амбарцумян Б.А. Загадки Вселенной. – М., Педагогика, 2003 – 106 с.

14. Астрономия, космонавтика. – М., Просвещение, 2004 – 152 с.

 

 

 

Содержание

лабораторная работа №1 Основные элементы небесной сферы……………………………………………………………………………4

лабораторная работа №2 ИЗУЧЕНИЕ ПОДВИЖНОЙ КАРТЫ ЗВЕЗДНОГО НЕБА……………………………………………………………..9

лабораторная работа №3 определение характеристик малого телескопа……………………………………………………… 14

лабораторная работа №4 Изучение физической природы Солнца. Наблюдение и исследование солнечной активности ………………………………………………………………….23

лабораторная работа №5 Определение уровня солнечной радиации….………………………………………………………………….21

Библиографический список…………………………………………..24

 

Для заметок

 

 

 

Учебное издание

Казаков Алексей Юрьевич