Энергетическая освещенность от солнца

Световая отдача. Солнца и еще много интересного о самом большом источнике света, тепла и нашей жизни (положение во Вселенной, геометрические параметры, физические процессы, энергетические и светотехнические характеристики)

(По материалам публикации проф. докт. П. Маркса из журнала «Licht») – [Prof. Dr.-Ing. Peter Marx, MX-Electronic / Die Lichtausbeute der Sonne. «LICHT», 2012, № 7-8, S. 76-77 ].

Со́лнечные пя́тна — тёмные области на Солнце, температура которых понижена примерно на 1500 К по сравнению с окружающими участками фотосферы.
Протуберанцы — плотные конденсации относительно холодного (по сравнению с солнечной короной) вещества, которые поднимаются и удерживаются над поверхностью Солнца магнитным полем.
Температура фотосферы Солнца около 5800 K, причем к основанию хромосферы она падает примерно до 4800 K

Солнце – ближайшая к Земле звезда Вселенной, относящаяся к разряду «жёлтых карликов».

Это раскалённая газовая сфера – 73% от массы и 92 % от объема составляет водород, 25% от массы и 7 % от объёма – гелий. Другие компоненты с малой концентрацией – железо, никель, кислород, азот, кремний, магний, углерод, неон, кальций, хром.

Энергетический спектр излучения Солнца

Цветовая температура излучения Солнца – 5081 К

в видимой части оптического диапазона (λ = 380-780 нм) Солнце излучает 45% от её общей энергии,
на долю ультрафиолетового излучения (λ ≤ 380 нм) приходится 9%,
в инфракрасной части спектра (λ≥ 780 нм) излучается примерно 46% от общей энергии излучения.

Физически Солнце можно рассматривать как Планковский излучатель (абс. чёрное тело) с температурой наружной поверхности 5773 К и удельной плотностью мощности излучения с единицы излучающей площади 6,35 кВт/cм 2 .

Вне атмосферы Земли общая мощность излучения Солнца составляет 1340 Вт/м 2 – эта величина называется солнечной постоянной (С cоnst )

Масса Солнца – 1,99·10 30 кг (99,866% от массы всей солнечной системы)

Диаметр Солнца – D_c= 1,392·10 6 км , экваториальный радиус – 6,95·10 5 км.

Угловой размер Солнца (c Земли) – 32‘

Яркость Солнца: L_c = 1,9·10 9 кд/м 2 (вне земной атмосферы) и 1,5·10 9 кд/м 2 (при измерении с Земли) – тысяча пятьсот мегакандел ! (Сильнейший слепящий источник !)

Площадь проекции поверхности Солнца относительно взгляда c Земли:

S_c.пр.= π (D_c/2) 2 =3,14 (6,957·10 8 м) 2 = 1,52·10 18 м 2

Сила света Солнца: I_c = L_c·S_c.пр.= 1,5·10 9 ·(1,52·10 18 ) = 2,887·10 27 кд = 2,28·10 21 Мкд

Суммарный световой поток Солнца: Ф_с= 4 π · I_c = 12,56 · 2,887·10 27 = 3,63·10 28 лм

Освещённость от прямого излучения Солнца:

Е_с= I_c : (l _сз) 2 =2,887·10 27 /(1,496·10 11 ) 2 ≈ 125 000лк. (l_сз – расстояние Солнце-Земля)

Сочетание сверхвысоких давлений и температур (15·10 6 К) в центре активного ядра Солнца обусловливает постоянное протекание термоядерных реакций – преобразование водорода в гелий. Ежесекундно 657·10 6 т водорода преобразуется в 653·10 6 т гелия (таким образом, Солнце до некоторой степени можно считать самоконтролируемой водородной бомбой!). Уже в течение 4 млрд. лет каждую секунду Солнце излучает энергию, равную примерно 10 18 Вт · с (это эквивалентно мощности 400 млн. шт. водородных бомб . ). На современном уровне знаний, по данным учёных, до конца термоядерных реакций H→ He на Солнце пройдёт ещё 4,5-5 млрд. лет. Таким образом, полный «срок службы» источника нашей жизни – приблизительно равен 10 млрд. лет !

Большой интерес представляет оценка световой отдачи Солнца. Ниже приведены 2 основных расчётных метода.

Возникающая при реакции в ядре Солнца разность масс равна:

∆m = 657·10 6 т — 653·10 6 т = 4,3·10 6 т.

Это эквивалентная энергия излучения Солнца, которую оно каждую секунду посылает в мировое пространство.

Знаменитая формула Альберта Эйнштейна:

ε = m·c 2 (m – масса, с – скорость света)

Тогда мощность Солнца определится как:

Р_с= ∆m·c 2 /cек = 4,3·10 9 кг· (300·10 3 км/c) 2 /cек = 3,87·10 26 Вт

Световая отдача Солнца:

η_с = Ф_с / Р_с = 3,63·10 28 лм / 3,87·10 26 Вт = 93,78 лм/Вт

Световая отдача Солнца может быть также определена по интенсивности спектральной облучённости Е_еλ вне земной атмосферы в видимом диапазоне оптического спектра (λ= 380-780 нм).

Е = 683(лм/Вт) · Σ Е_еλ· V(λ) ∆λ , где Е_еλ – в Вт /(м 2 · нм), ∆λ = 10 нм, пределы суммирования: нижний — λ=380 нм, верхний — λ=780 нм

Тогда Е = 683 лм/Вт · 181,81 Вт /м 2 = 124 176 лк

и с учётом солнечной постоянной Сcоnst=1340 Вт /м 2 световая отдача Солнца:

η_{с =} 124 176 лм·м -2 /1340 Вт · м -2 = 92,7 лм/Вт.

А теперь «вернёмся на Землю».

Важный вывод для авторов учебников, пособий, консультантов, а также для всех интересующихся светотехникой: наше «старое доброе» Солнышко по световой отдаче ( ≈ 93 лм/Вт) примерно эквивалентно линейным люминесцентным лампам Т16 (Т5) и значительно уступает современным светодиодам и целому ряду газоразрядных ламп высокого давления. Лампы накаливания общего назначения из-за очень низкой световой отдачи (не более 13 лм/ Вт) уходят в прошлое. Они, тем не менее, верно прослужили человечеству почти 130 лет. Многие дизайнеры и архитекторы субъективно отнеслись к запрету ламп накаливания весьма отрицательно.

Интересно, что до настоящего времени на улицах столицы Германии функционирует примерно 40 000 газовых фонарей cо световой отдачей их горелок – 2 лм/Вт (!). Магистрат Берлина принял решение заменить это ностальгическое наследие XIX в. на современные типы светодиодных светильников со световой отдачей не менее 100 лм/Вт.

Источник

Энергетическая освещенность от солнца

Солнце – ближайшая к Земле звезда Вселенной, относящаяся к разряду «жёлтых карликов».

Энергетический спектр излучения Солнца

Цветовая температура излучения Солнца – 5081 К

в видимой части оптического диапазона (λ = 380-780 нм) Солнце излучает 45% от её общей энергии,
на долю ультрафиолетового излучения (λ ≤ 380 нм) приходится 9%,
в инфракрасной части спектра (λ≥ 780 нм) излучается примерно 46% от общей энергии излучения.

Масса Солнца – 1,99·10 30 кг (99,866% от массы всей солнечной системы)

Диаметр Солнца – D_c= 1,392·10 6 км , экваториальный радиус – 6,95·10 5 км.

Угловой размер Солнца (c Земли) – 32‘

Площадь проекции поверхности Солнца относительно взгляда c Земли:

S_c.пр.= π (D_c/2) 2 =3,14 (6,957·10 8 м) 2 = 1,52·10 18 м 2

Сила света Солнца: I_c = L_c·S_c.пр.= 1,5·10 9 ·(1,52·10 18 ) = 2,887·10 27 кд = 2,28·10 21 Мкд

Суммарный световой поток Солнца: Ф_с= 4 π · I_c = 12,56 · 2,887·10 27 = 3,63·10 28 лм

Освещённость от прямого излучения Солнца:

Е_с= I_c : (l _сз) 2 =2,887·10 27 /(1,496·10 11 ) 2 ≈ 125 000лк. (l_сз – расстояние Солнце-Земля)

Большой интерес представляет оценка световой отдачи Солнца. Ниже приведены 2 основных расчётных метода.

Возникающая при реакции в ядре Солнца разность масс равна:

∆m = 657·10 6 т — 653·10 6 т = 4,3·10 6 т.

Это эквивалентная энергия излучения Солнца, которую оно каждую секунду посылает в мировое пространство.

Знаменитая формула Альберта Эйнштейна:

ε = m·c 2 (m – масса, с – скорость света)

Тогда мощность Солнца определится как:

Р_с= ∆m·c 2 /cек = 4,3·10 9 кг· (300·10 3 км/c) 2 /cек = 3,87·10 26 Вт

Световая отдача Солнца:

η_с = Ф_с / Р_с = 3,63·10 28 лм / 3,87·10 26 Вт = 93,78 лм/Вт

Тогда Е = 683 лм/Вт · 181,81 Вт /м 2 = 124 176 лк

и с учётом солнечной постоянной Сcоnst=1340 Вт /м 2 световая отдача Солнца:

η_{с =} 124 176 лм·м -2 /1340 Вт · м -2 = 92,7 лм/Вт.

А теперь «вернёмся на Землю».

Источник

Способ определения значений энергетической освещенности земной поверхности ультрафиолетовым излучением солнца

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗНАЧЕНИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ОСВЕЩЕННОСТИ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ СОЛНЦА

В работе изложен способ определения средних значений энергетической освещенности земной поверхности ультрафиолетовым излучением Солнца. Способ основан на расчете значений энергетической освещенности в ультрафиолетовом диапазоне по известным данным об освещенности земной поверхности в видимом диапазоне. Данные, рассчитанные с помощью предложенного способа, удовлетворительно согласуются с данными, полученными опытным путем.

Ключевые слова: ультрафиолетовое излучение, энергетическая освещённость, видимый диапазон.

Разработка оптико-электронных системы наблюдения (визуализации изображений), использующей в качестве рабочего спектрального диапазона участок ультрафиолетовой области излучения, требует наличия информации о предельных (усредненных) значениях энергетических характеристик излучения естественных источников в этой области.

Ультрафиолетовое излучение занимает область спектра оптического диапазона с длинами волн 10 — 400 нм.

Электромагнитный спектр ультрафиолетового излучения может быть по-разному поделен на диапазоны[1]:

— стандарт ISO по определению солнечного излучения (ISO-DIS-21348) разделяет его на ближний ультрафиолет (NUV: 300 — 400 нм), средний ультрафиолет (MUV: 200 — 300 нм), вакуумный диапазон, состоящий из дальнего ультрафиолета (FUV: 122 — 200 нм) и экстремального ультрафиолета (EUV, XUV: 10 — 122 нм);

— по биологическому воздействию на живые организмы, он разделяется на ближний ультрафиолет, (УФ-A лучи) (UVA:315 — 400 нм), средний ультрафиолет (УФ-B лучи) (UVB: 280 — 315 нм), дальний ультрафиолет, (УФ-C лучи) (UVC: 100 — 280 нм).

Практически единственным мощным естественным источником ультрафиолетового излучения является Солнце [2]. При этом доля ультрафиолетового излучения у земной поверхности составляет 1 — 3,5 % (в основном его часть с длиной волны больше 290 нм – ближний ультрафиолет, тогда как значительная его часть (коротковолновая), поглощается атмосферой в диапазоне высот 30 — 200 км от поверхности Земли) от всего дошедшего до Земли солнечного излучения в оптическом диапазоне.

Характерными особенностями рассматриваемой области спектра являются:

— относительно высокая прозрачность для нее облачности;

— отсутствие излучения собственных источников природных объектов на земной поверхности;

— наличие в приземном слое атмосферы в основном, нисходящего потока излучения (ближнего и, в меньшей мере, среднего ультрафиолета), которое обусловливается прямым и рассеянным верхними слоями атмосферы излучением Солнца.

Пределы изменения параметров внешней облученности (энергетической освещенности) района земной поверхности, где осуществляется наблюдение, зависят от следующих факторов:

— географических координат (в том числе и от высоты над уровнем моря);

— концентрации атмосферного озона;

— от высоты стояния Солнца над горизонтом в момент наблюдения;

— от атмосферного рассеивания, определяемого состоянием атмосферы и облачного покрова;

— от коэффициента отражения ультрафиолетового излучения от подстилающей поверхности.

Анализ открытых источников информации показал, что в них отсутствует систематизированные данные о пределах изменения параметров энергетической освещенности (облученности) ультрафиолетовым излучением земной (горизонтальной) поверхности, аналогичные приведенным в [3] значениям освещенности для горизонтальной поверхности для видимого диапазона (таблица 1).

Пределы изменения параметров внешней освещённости полностью зависят от единственного мощного природного источника светового излучения – Солнца.

Динамика изменения освещенности, прежде всего, носит суточный характер и зависит от высоты Солнца над горизонтом.

В свою очередь, на суточный характер изменения пределов освещённости (как правило, верхнего предела) накладываются такие факторы, как годовое изменение высоты стояния Солнца над горизонтом и географические координаты места наблюдения.

В ночное время на освещенность земной поверхности оказывают влияние [3]:

— солнечный свет, отраженный от Луны;

— свечение верхних слоев воздуха;

— свет земных огней, рассеянный в атмосфере или отраженный облаками (зарево).

Многочисленные измерения показывают, что свет полной Луны в 465000 раз слабее солнечного, следовательно, в полнолуние и яркость неба, и освещенность любого предмета, и яркость ландшафта во столько же раз меньше, чем днем, когда Солнце занимает на небе то место, на котором ночью была Луна.

Таблица 1 – Значения освещенности для горизонтальной поверхности Evвд, Лк

Источник