Какая часть солнечного излучения попадает на Землю?
На Землю попадает немногим менее половины миллиардной части солнечного излучения, но именно его энергия обеспечивает благоприятные условия жизни на нашей планете. Хотя земной шар имеет раскаленное ядро, однако тепло, которое каждый квадратный метр поверхности Земли получает из ее недр, в 25 000 раз меньше тепла, получаемого от Солнца. Если вспомнить, что от нашего светила нас отделяет около 150 миллионов километров, а его излучение ослабляется пропорционально квадрату расстояния, то можно только поразиться тому, как велика мощность термоядерного реактора под названием Солнце.
Читайте также
Какая часть объема атома приходится на его ядро?
Какая часть объема атома приходится на его ядро? Размер атома определяется радиусом наиболее удаленной от ядра электронной орбиты, порядок величины этого радиуса в метрах выражается дробью с единицей в числителе и единицей с 10 нулями в знаменателе. Порядок величины
Какая часть трудов Д. И. Менделеева посвящена собственно химии?
Какая часть трудов Д. И. Менделеева посвящена собственно химии? В представлении большинства людей Дмитрий Иванович Менделеев (1834–1907) – великий химик. Однако из всего количества его трудов собственно химии посвящено лишь 9 процентов. С гораздо большим основанием
Какая часть армии Наполеона унесла ноги из России?
Какая часть армии Наполеона унесла ноги из России? 24 июня 1812 года французский император Наполеон во главе 610-тысячной армии без предварительного объявления войны перешел реку Неман и вторгся на территорию Российской империи. Через 5 месяцев, 28 ноября того же года,
Какая часть Европы самая ветреная?
Какая часть Европы самая ветреная? Самой ветреной частью Европы считают территорию Шотландии. Именно поэтому там сосредоточена четверть всех европейских ресурсов
Какая часть всей земной воды содержится в атмосфере?
Какая часть всей земной воды содержится в атмосфере? В атмосфере содержится всего лишь около 0,0001 всей земной воды. Много это или мало? Если собрать воедино всю атмосферную воду, ее объем составил бы 15 тысяч кубических
Какая часть населения России проживает на европейской территории страны?
Какая часть населения России проживает на европейской территории страны? На европейской территории России (17 процентов всей территории РФ) проживают 74 процента населения страны. Средняя плотность населения в Центральном федеральном округе составляет 58,4 человека на
Какая часть наследственной информации отражает индивидуальность человека?
Какая часть наследственной информации отражает индивидуальность человека? 99,9 процента всей наследственной информации у всех людей одинаковы. Такие сугубо индивидуальные признаки, как цвет кожи, глаз и волос, черты лица, отпечатки пальцев, темперамент, способности и
Какая часть тела самая твердая?
Какая часть тела самая твердая? (Спрашивает Эйми Фрэнсис, Лонкестон-Саут, Тасмания, Австралия)Зубы. А если точнее – зубная эмаль. Зубы состоят из трех различных твердых тканей – дентина, цемента и эмали. Непосредственно под эмалью находится дентин. Благодаря высокому
Какая часть мозга отвечает за сновидения?
Какая часть мозга отвечает за сновидения? Сновидения, вероятно, самое интересное, что происходит с людьми во сне. Целью исследований, проведенных докторами Томасом Балкином и Алленом Брауном6, было точно установить место (или места) в головном мозге, где во время
Какая часть нашего тела эволюционирует быстрее всего?
Какая часть нашего тела эволюционирует быстрее всего? Нос.В прошлом невозможно было узнать, как эволюционировали наши органы чувств, ведь мягкие части тела человека в ископаемом виде не сохранились. Но после генетического анализа, выполненного в университете Корнуолла,
Какая часть Европы самая ветреная?
Какая часть Европы самая ветреная? Самой ветреной частью Европы считают территорию Шотландии. Именно поэтому там сосредоточена четверть всех европейских ресурсов
Количество энергии получаемое от Солнца
Солнечная постоянная, представляет собой то количество электромагнитного излучения, которое доходит от Солнца на расстоянии 1 астрономической единицы (среднее расстояние от Земли до нашей звезды) и попадает перпендикулярно на определенную область. Измеренная спутниками, солнечная постоянная равна 1,366 киловатт на квадратный метр. Наша звезда испускает электромагнитное излучение по всему спектру, от радиоволн до инфракрасного, от видимого света до рентгеновских лучей.
Если бы мы могли сложить всю энергию этого излучения, то получили бы общее излучение Солнца.
Солнечная постоянная
Она является количеством излучения, которое попадает на область перпендикулярную к Солнцу. Фактически лучи, которые мы видим у поверхности Земли, являются малой долей от этой постоянной. Это потому, что атмосфера планеты блокирует некоторые длины волн.
В зависимости от вашего местоположения на планете, количество получаемого света разнится. Солнце излучает в 2 миллиарда раза больше энергии, получаемой на Земле.
Количество Солнечной радиации, получаемой Землей, также изменяется в зависимости от ее точки на орбите. Так как Земля имеет слегка эллиптическую орбиту, на ближайшей точке ее орбиты, количество получаемой энергии равно 1,413 кВт/м2. В ее наиболее удаленной точке, величина Солнечной радиации только 1,321 кВт/м2.
Оценка энергии солнечного излучения
Интенсивность солнечного света, которая достигает земли меняется в зависимости от времени суток, года, местоположения и погодных условий. Общее количество энергии, подсчитанное за день или за год, называется иррадиацией (или еще по-другому «приход солнечной радиации») и показывает, насколько мощным было солнечное излучение. Иррадиация измеряется в Вт*ч/м² в день, или другой период.
Интенсивность солнечного излучения в свободном пространстве на удалении, равном среднему расстоянию между Землей и Солнцем, называется солнечной постоянной. Ее величина — 1353 Вт/м². При прохождении через атмосферу солнечный свет ослабляется в основном из-за поглощения инфракрасного излучения парами воды, ультрафиолетового излучения — озоном и рассеяния излучения частицами атмосферной пыли и аэрозолями. Показатель атмосферного влияния на интенсивность солнечного излучения, доходящего до земной поверхности, называется «воздушной массой» (АМ). АМ определяется как секанс угла между Солнцем и зенитом.
На рис.1 показано спектральное распределение интенсивности солнечного излучения в различных условиях. Верхняя кривая (АМ0) соответствует солнечному спектру за пределами земной атмосферы (например, на борту космического корабля), т.е. при нулевой воздушной массе. Она аппроксимируется распределением интенсивности излучения абсолютно черного тела при температуре 5800 К. Кривые АМ1 и АМ2 иллюстрируют спектральное распределение солнечного излучения на поверхности Земли, когда Солнце в зените и при угле между Солнцем и зенитом 60°, соответственно. При этом полная мощность излучения — соответственно порядка 925 и 691 Вт/м². Средняя интенсивность излучения на Земле примерно совпадает с интенсивностью излучения при АМ=1,5 (Солнце — под углом 45° к горизонту) [1].
Около поверхности Земли можно принять среднюю величину интенсивности солнечной радиации 635 Вт/м². В очень ясный солнечный день эта величина колеблется от 950 Вт/м² до 1220 Вт/м². Среднее значение — примерно 1000 Вт/м² [860 ккал/(м²ч)]. Пример: Интенсивность полного излучения в Цюрихе (47°30′ с. ш., 400 м над уровнем моря) на поверхности, перпендикулярной излучению:1 мая 12 ч 00 мин 1080 Вт/м²;21 декабря 12 ч 00 мин 930 Вт/м².
Для упрощения вычисления по приходу солнечной энергии, его обычно выражают в часах солнечного сияния с интенсивностью 1000 Вт/м². Т.е. 1 час соответствует приходу солнечной радиации в 1000 Вт*ч/м². Это примерно соответствует периоду, когда солнце светит летом в середине солнечного безоблачного дня на поверхность, перпендикулярную солнечным лучам.
Приход солнечной радиации меняется в течение дня и от места к месту, особенно в горных районах. Иррадиация меняется в среднем от 1000 кВт*ч/м² в год для северо-европейских стран, до 2000-2500 кВт*ч/м² в год для пустынь. Погодные условия и склонение солнца (которое зависит от широты местности), также приводит к различиям в приходе солнечной радиации.
В России, вопреки распространённому мнению, очень много мест, где выгодно преобразовывать солнечную энергию в электроэнергию при помощи солнечных батарей. Ниже приведена карта ресурсов солнечной энергии в России. Как видим, на большей части России можно успешно использовать солнечные батареи в сезонном режиме, а в районах с числом часов солнечного сияния более 2000 часов/год — круглый год. Естественно, в зимний период выработка энергии солнечными панелями существенно снижается, но все равно стоимость электроэнергии от солнечной электростанции остается существенно ниже, чем от дизельного или бензинового генератора.
Особенно выгодно применение солнечных батарей там, где нет централизованных электрических сетей и энергообеспечение обеспечивается за счет дизель-генераторов. А таких районов в России очень много.
Более того, даже там, где сети есть, использование работающих параллельно с сетью солнечных батарей позволяет значительно снизить расходы на электроэнергию. При существующей тенденции на повышении тарифов естественных энергетических монополий России, установки солнечных батарей становится умным вложением денег.
Получаемая Землей солнечная энергия и широтное распределение климатических зон
Солнце излучает равномерно 10 26 ккал/с. Основная часть энергии излучения Солнца приходится на непрерывный спектр электромагнитного излучения Солнца. Это спектр черного тела с температурой t = 6000 °С. Источником излучения Солнца как черного тела является внешняя оболочка Солнца, которая называется фотосферой («поверхность Солнца»).
Напомним, что источником излучения на Солнце является реакция термоядерного синтеза. Плотные околоядерные области Солнца задают режим лучистого переноса. По мере уменьшения плотности в недрах Солнца образуется слой конвективного переноса. Важно отметить, что конвективные движения с учетом свойств ионизированной материи отвечают за образование магнитных полей и токов в недрах и на поверхности Солнца. Эти электромагнитные явления отвечают за выброс из Солнца потоков элементарных заряженных частиц. Таким образом, к Земле от Солнца поступают электромагнитное излучение в широком диапазоне волн (от радиодиапазона до гамма-излучения) и потоки элементарных заряженных частиц. Электромагнитное излучение определяет все атмосферные процессы на Земле. Потоки частиц высоких энергий возмущают магнитосферу Земли и могут влиять на атмосферные процессы и служить источником экологических катастроф и кризисов.
Когда солнечные лучи достигнут Земли, находящейся на расстоянии 1,5 • 10 13 см (150 млн км) от Солнца, они распределятся равномерно на поверхности Земли, составляющей 3-Ю 27 см 2 (так как
Земля вращается). Таким образом, 1 см 2 площади земной поверхности, перпендикулярный солнечным лучам, получает 0,033 ккал/с.
Кроме того, вследствие сферической формы Земли среднее количество солнечной энергии уменьшается от экватора к полюсам. Для простоты расчета допустим, что ось Земли перпендикулярна плоскости орбиты Земли (рис. 3.4).
R — радиус Земли
Рис. 3.4. Среднее количество солнечной энергии от экватора к полюсам
5 — площадь сантиметровой широты
Вся площадь сантиметровой широты будет равна 1 • 2nR cos (р (см 2 ).
Вся радиация, получаемая полосой за секунду, равна 0,833 costp 27? х х cos
Средняя величина солнечной радиации на площадку 1 см 2 составляет- 0,33 cos (р-27? cos (р/ (2тг7? cos ср) = 0,01 coscp (см
Количество тепла на экваторе: 0,01 ккал/(см 2 — с); 2 с) и на экватор — 0,01 ккал/(см 2 -с).
Из-за наличия слабой эллиптичности орбиты количество тепла, получаемое зимой в северном полушарии, несколько меньше, чем в южном. Изменение среднегодовой температуры как функции широты представлено на рис. 3.6.
Рис. 3.6. Изменение среднегодовой температуры как функция широты
Таким образом, радиационный режим нашей планеты с учетом ее движений отличается от простой картины, основанной на падающей солнечной энергии. Кроме того, климат связан с механизмами перераспределения солнечной энергии, явлениями отражения, поглощения, рассеивания в атмосферу. Все эти перераспределенные потоки солнечной энергии приводят к характерным движениям в атмосфере (планетарные ветровые движения, а также циклоны, планетарные океанические течения, возникновение воздушных и океанических течений).
В целом после всех преобразований и движений Земля наблюдается из космоса как черное тело с температурой 300 К, в отличие от Солнца, у которого наблюдается температура 6000 К.
Общая картина переизлучения солнечной энергии на нашей планете показывает, что происходит трансформация из световой области излучения в инфракрасную. Большая часть электромагнитной энергии отражается обратно в космос. На Земле остается небольшая доля энергии. Она затрачивается в основном на создание приемлемых для биосферы климатических условий, необходимых для существования белковой жизни. (Имеются в виду физические и химические условия существования сложных органических молекул.) Эти условия располагаются в узком диапазоне давлений, температур, влажности. При выходе параметров из этого диапазона вышеуказанные условия исчезают, в результате чего исчезают организмы. Эти условия создаются в результате взаимодействий сложной термодинамической системы «атмосфера — океан — суша». (Это можно уподобить естественной тепловой машине, у которой есть нагреватель, холодильник, движение рабочего тела. Если рассматривать климат как тепловую машину, эти компоненты тепловой машины «воплощаются» в конвективные ячейки в атмосфере и океане. И лишь ничтожная часть солнечной энергии поступает на упорядоченное движение сложных биохимических молекул — фотосинтез.)
Для примера, распределение солнечной энергии на Луне таково, что 7 % солнечной энергии отражается, 93 % поглощается породами; далее происходит переизлучение в инфракрасном диапазоне.
Наличие различных компонентов в атмосфере, состоящей из смеси газов, облаков и пыли, приводит к ряду принципиально важных эффектов. Это происходит из-за того, что некоторые из составляющих атмосферу компонентов поглощают инфракрасные и ультрафиолетовые спектры света.
Первый эффект состоит в том, что существует так называемый озоновый слой, который защищает биосферу от разрушения. Озоновый слой возникает, потому что кислород атмосферы взаимодействует с ультрафиолетовым излучением, образуя молекулу озона, которая сильно поглощает ультрафиолетовый свет — это происходит на высоте 20 км, где есть слой озона. Ультрафиолетовые лучи обладают большой энергией, которая разрушает биосферу. Но эта энергия задерживается озоновым слоем.
Второй эффект (называемый парниковым) состоит в том, что воздух содержит углекислый газ — 0,03 % и водяной пар (парниковые газы). Эти составляющие сильно поглощают инфракрасную радиацию, что создает парниковый эффект и улучшает температурный режим биосферы. Но все хорошо в меру. Если бы плотность парниковых газов была велика, то энергии поглощалось бы слишком много и температура повысилась бы до 600 °С, что и произошло на Венере. Но и другая крайность плоха. Если бы этих газов не было и атмосфера состояла бы из азота и аргона, то она была бы прозрачна для инфракрасной радиации. И тогда отраженная инфракрасная радиация могла бы пройти обратно без изменения через атмосферу и температурный режим на нашей планете был бы холоднее (как на Марсе).
Кроме того, наличие водяных паров приводит к образованию облаков, которые поглощают и рассеивают солнечный свет, нарушая тем самым баланс поступления энергии; вместе с тем облака служат теплоизолирующим слоем. Поэтому в зависимости от физических свойств облачности она может приводить как к понижению температуры на поверхности Земли, так и к ее повышению. Все это показывает, как радиационные процессы в атмосфере влияют на наш климат.
Если исходное излучение принять за 100 %, то:
- • 35 % отражается в космос;
- • 65 % поглощается Землей; из них атмосфера поглощает 18%, поверхность Земли (суша, океан) — 47 %.
Фактически все 65 % излучаются обратно в ИК-диапазоне в безвоздушное пространство.
При этом отраженное излучение носит тепловой (инфракрасный) характер. Лишь ничтожные доли процента солнечной энергии высокого качества (свободной энергии) «используются» напрямую биосферой. Эта свободная (упорядоченная) энергия, усвоенная биосферой с помощью явления фотосинтеза в молекулах хлорофилла, используется биосферой для организации всех форм белковой жизни на Земле. Вся остальная часть свободной энергии при переизлучении превращается в тепловую энергию отраженного инфракрасного излучения и «используется» для образования упорядоченных конвективных движений в атмосфере и океане (тепловая машина Земли). Перенос тепла от земной поверхности в атмосферу происходит тремя путями:
- • 1-я часть — переносится тепловым излучением;
- • 2-я часть — переносится нагреванием воздуха, который входит в контакт с сушей (конъюнктивные ячейки, планетарные ветры);
• 3-я часть — испарение воды (важный климатологический процесс).
Водяные пары, поднимаясь в атмосферу, конденсируются в различные виды облаков и различные осадки (дождь, снег, град). Поглощенная атмосферой инфракрасная радиация, теплота и конденсация водяных паров задерживают потерю тепла земной поверхностью, что и создает для биосферы климатический режим.
Обратимся к примеру с Луной и Марсом. Там нет препятствия для выхода лучевой энергии, поэтому средняя температура поверхности Луны ниже, чем поверхности Земли. Поверхность Луны быстрее остывает в течение лунной ночи, чем Земля, которая ночью частично покрыта облаками.
На Земле в центре континентов, удаленном от источника влаги, частично наблюдается эффект, связанный с испарением воды (резко континентальный климат). Кроме того, океан является большим резервуаром тепла по сравнению с сушей. Он хранит большее количество тепла, чем суша. Океан, таким образом, оказывает «согревающее» влияние на сушу. Особенно это заметно при сезонных изменениях температуры. Таким образом, океан радикально ослабляет годовые колебания температуры.
Широтное изменение радиационного баланса
При рассмотрении среднего глобального «бюджета энергии» Земли было показано, что количество приходящего солнечного излучения понижается от экватора к полюсам. Но реальная картина (температурный климат) принципиально отличается от геометрической зависимости. Это связано с механизмами поглощения и конвекции энергии приходящей и уходящей радиации.
Появилась возможность для переноса тепла в горизонтальную плоскость за счет ветров и течений (ветер и течения есть проявление конвективных движений). Таким образом, на Земле, как в более сложной системе, воздушные и океанические течения могут переносить тепло. При этом в этой системе существуют естественные обратные связи. Из-за этого избыток тепла будет поглощаться вблизи экватора и выделяться вблизи полюсов. Разумеется, согласно закону термодинамики среднее глобальное поглощение должно полностью уравновеситься уходящей радиацией. Следовательно, для сохранения энергетического баланса Земли должен быть перенос тепла в направлении полюса. 1/3 тепла переносится океаническим течением, 2/3 — атмосферой. Так как Земля является открытой неравновесной термодинамической системой, возможно локальное усложнение этой системы, которое приводит к образованию естественной тепловой машины, что выражается в пространственном переносе тепла в направлении к полюсам. Это создает условие для образования следующего уровня иерархии сложных систем. Однако образование этих сложных систем связано с возможной их неустойчивостью. А неустойчивость приводит к уникальности и непредсказуемости. Все это свидетельствует о том, что при некоторой стабильности атмоферных процессов существует и «уязвимость» климатических явлений в случае усиления парникового эффекта или появления озоновых дыр.
Итак, различный широтный радиационный нагрев Земли приводит в действие «тепловую машину» атмосферы. Напомним, что усвоенная биосферой свободная энергия (с помощью явления фотосинтеза в молекулах хлорофилла) является источником почти всех форм органической жизни на Земле. Климат Земли зависит не только от широты. Годовые амплитуды изменения температуры над материками больше, чем над океанами. Поступающая солнечная радиация взаимодействует с атмосферой, облаками и поверхностью Земли. Энергия переносится от экватора по направлению к полюсу ветрами и океаническими течениями, которые обусловлены переносом солнечной радиации в атмосфере Земли. Вода играет важную роль в энергетическом балансе Земли.