Интенсивность падающего света солнца

Интенсивность падающего света солнца

Интенсивность солнечного излучения на поверхности Земли

Интенсивность солнечного излучения у земной поверхности в основном зависит от двух факторов: угла наклона лучей к плоскости поверхности в данной точке и длины пути лучей в атмосфере. Оба эти фактора зависят от высоты Солнца h.

Рис. 9. Интенсивность солнечной радиации на наклонной поверхности

Если через I обозначить интенсивность излучения, падающего на горизонтальную поверхность под углом i к ее нормали, как показано на рис. 9, то интенсивность облучения этой поверхности определяется произведением I*cos i. Наклон любой поверхности, например склона горы или крыши дома, можно задать через направление нормали к ней (то есть так же, как мы определили кажущееся положение Солнца) путем задания высоты ψ и азимута ξ. Эти углы показаны на рис. 10. Нам не следует глубоко вникать в подробности расчета интенсивности излучения, падающего на такие наклонные поверхности, однако следует хотя бы в общих чертах описать метод подобных расчетов. В результате соответствующих тригонометрических преобразований мы получаем уравнение, позволяющее определить угол i между направлением солнечных лучей и нормалью к освещаемой поверхности:

Рис. 10. Угловые координаты нормали к наклонной поверхности

Из уравнения видно, что для поверхности, нормаль к которой лежит в той же вертикальной плоскости, что и Солнце (то есть ξ = A), угол i = h — ψ. Поскольку толщина атмосферы Земли много меньше ее радиуса, при вертикальном падении лучей длина пройденного ими пути в атмосфере почти обратно пропорциональна sin h (рис. 11). Кривизну Земли необходимо учитывать только при очень малой высоте Солнца. Такое упрощение очень удобно. Для измерения длины пути солнечных лучей в атмосфере метеорологи пользуются специальной единицей, называемой воздушной массой. Единице воздушной массы соответствует путь, пройденный лучами при вертикальном падении. Тогда для любой высоты Солнца h воздушная масса равна 1/sin h. Такое допущение вполне оправдано, поскольку рассеяние и поглощение солнечного излучения при этом пропорциональны длине пути лучей, измеренной в воздушных массах.

Рис. 11. Ход солнечных лучей в атмосфере

Например, если угол h принимает значения 42, 30 и 0°, то воздушная масса соответственно равна 1,5; 3. В период зимнего солнцестояния в Северной Европе или центральной Канаде максимальное значение высоты Солнца не превышает 15°, следовательно, величина воздушной массы равна 4, поэтому даже в полдень фактический путь солнечных лучей в атмосфере в 4 раза превышает их путь при вертикальном падении.

Уменьшение интенсивности и видоизменение спектрального распределения солнечной энергии, обусловленные поглощением и рассеянием в атмосфере, зависят от длины воздушного пути, или воздушной массы, довольно сложным образом. На рис. 12 приблизительно показана такая зависимость для безоблачной атмосферы. Как мы уже говорили, на интенсивность солнечного излучения существенно влияют рассеяние и избирательное поглощение молекулами водяного пара и углекислого газа. Площадь, ограничиваемая этими кривыми, представляет собой интенсивность I, то есть полную энергию, поступающую в единицу времени на единицу поверхности, обращенную непосредственно к Солнцу. Значениям высоты Солнца 90, 30, 20 и 12° (воздушная масса соответственно 1, 2, 3 и 5) при безоблачной атмосфере соответствуют интенсивности около 900, 750, 600 и 400 Вт /_{м 2} . Интенсивности для других, промежуточных значений высоты с учетом соответствующих величин воздушной массы можно получить путем интерполяции. (Заметим, что, поскольку интенсивность есть скорость прохождения энергии солнечных лучей через единицу перпендикулярной им поверхности, то она соответствует мощности и оценивается в единицах удельной мощности Вт /_{м 2} .)

Рис. 12. Влияние атмосферы на распределение энергии солнечной радиации

В зависимости от местоположения, а также от времени суток и сезона распределение энергии по длинам волн может несколько отличаться от приведенного выше: для длин волн менее 0,35 мкм в среднем лишь на один процент и для видимой и инфракрасной областей спектра — до 50%.

В действительности полная энергия падающего излучения превышает указанные значения, поскольку она включает не только прямую составляющую, но и рассеянную. В последнюю, в частности, входит та часть излучения, которая рассеивается различными компонентами атмосферы, но тем не менее попадает на поверхность Земли (см. рис. 5). Рассеянное излучение, которое иногда называют небесным светом, составляет значительную долю полной энергии (при низких высотах Солнца она может достигать половины ее). Поскольку интенсивность рассеянного излучения трудно оценить с большой точностью, в разных работах часто даются существенно отличающиеся ее значения. Для ориентировочных расчетов воспользуемся некоторыми приближенными значениями интенсивности, взятыми для прежних значений воздушной массы, а именно 1, 2, 3, 5. Величины рассеянной составляющей интенсивности излучения на горизонтальной поверхности при этих условиях соответственно равны 110, 90, 70 и 50 Вт /_{м 2} . При необходимости эти значения интерполируются. В случае наклонных поверхностей мы не будем пытаться точно учитывать изменение рассеянной составляющей в зависимости от наклона. Мы воспользуемся ее значениями, полученными для горизонтальной поверхности, и умножим их на некий коэффициент, величина которого линейно уменьшается в зависимости от наклона от 1,0 для горизонтальной поверхности до 0,5 — для вертикальной. (При вертикальной поверхности можно «наблюдать» лишь половину неба.) Энергетический спектр рассеянной составляющей излучения несколько сдвинут в сторону более коротких волн по сравнению со спектром прямой составляющей, поскольку именно в области коротких волн рассеяние излучения в атмосфере максимально.

Источник

Солнечный свет — Sunlight

Солнечный свет — это часть электромагнитного излучения, испускаемого Солнцем , в частности инфракрасного , видимого и ультрафиолетового света. На Земле солнечный свет рассеивается и фильтруется через атмосферу Земли и проявляется как дневной свет, когда Солнце находится над горизонтом . Когда прямое солнечное излучение не блокируется облаками , оно воспринимается как солнечный свет , сочетание яркого света и лучистого тепла . Когда они блокируются облаками или отражаются от других объектов , солнечный свет рассеивается . Источники указывают «в среднем по всей Земле» «164 Вт на квадратный метр за 24 часа в сутки».

Ультрафиолетовое излучение солнечного света имеет как положительные, так и отрицательные последствия для здоровья, поскольку оно является необходимым условием для синтеза витамина D ₃ и мутагена .

Солнечному свету требуется около 8,3 минуты, чтобы достичь Земли от поверхности Солнца. Фотону, стартующему в центре Солнца и меняющему направление каждый раз, когда он сталкивается с заряженной частицей , потребуется от 10 000 до 170 000 лет, чтобы добраться до поверхности.

Солнечный свет является ключевым фактором фотосинтеза , процесса, используемого растениями и другими автотрофными организмами для преобразования световой энергии , обычно исходящей от Солнца, в химическую энергию, которая может использоваться для синтеза углеводов и для подпитки жизнедеятельности организмов.

СОДЕРЖАНИЕ

Измерение

Исследователи могут измерить интенсивность солнечного света с помощью регистратора солнечного света , пиранометра или пиргелиометра . Для того, чтобы рассчитать количество солнечного света , достигающего земли, как эксцентричность в земной эллиптической орбите и затухание на атмосферу Земли, должны быть приняты во внимание. Внеземная солнечная освещенность ( E _ext ), скорректированная с учетом эллиптической орбиты с использованием номера дня в году (dn), в хорошем приближении дается формулой

E е Икс т знак равно E s c ⋅ ( 1 + 0,033412 ⋅ потому что ⁡ ( 2 π d п — 3 365 ) ) , <\ displaystyle E _ <\ rm > = E _ <\ rm > \ cdot \ left (1 + 0,033412 \ cdot \ cos \ left (2 \ pi <\ frac <<\ rm >) — 3> <365>> \ right) \ right),>

где 1 января dn = 1; dn = 32 1 февраля; 1 марта dn = 59 (кроме високосных, где dn = 60) и т. д. В этой формуле используется dn – 3, потому что в наше время перигелий Земли , наиболее близкое приближение к Солнцу и, следовательно, максимальное значение E _ext происходит примерно 3 января каждого года. Значение 0,033412 определяется с учетом того, что отношение между квадратом перигелия (0,98328989 AU) и афелием (1,01671033 AU) в квадрате должно быть приблизительно 0,935338.

Постоянная солнечной освещенности ( E _sc ) равна 128 × 10 3 люкс . Прямая нормальная освещенность ( E _dn ), скорректированная с учетом ослабляющих эффектов атмосферы, определяется по формуле:

E d п знак равно E е Икс т е — c м , <\ displaystyle E _ <\ rm > = E _ <\ rm > \, e ^ <- cm>,>

где с представляет собой атмосферное исчезновение и м является относительной оптической воздушной массой . Атмосферное вымирание привело к снижению количества люксов примерно до 100 000 люкс.

Общее количество энергии, полученной на уровне земли от Солнца в зените, зависит от расстояния до Солнца и, следовательно, от времени года. Это примерно на 3,3% выше среднего в январе и на 3,3% ниже в июле (см. Ниже). Если внеземное солнечное излучение составляет 1367 Вт на квадратный метр (значение, когда расстояние Земля-Солнце составляет 1 астрономическую единицу ), то прямой солнечный свет на поверхности Земли, когда Солнце находится в зените, составляет около 1050 Вт / м 2 , но общее количество (прямое и косвенное из атмосферы), падающее на землю, составляет около 1120 Вт / м 2 . Что касается энергии, солнечный свет на поверхности Земли составляет от 52 до 55 процентов инфракрасного (выше 700 нм ), от 42 до 43 процентов видимого (от 400 до 700 нм) и от 3 до 5 процентов ультрафиолетового (ниже 400 нм). В верхней части атмосферы солнечный свет примерно на 30% интенсивнее, имеет около 8% ультрафиолета (УФ), причем большая часть дополнительного ультрафиолета состоит из биологически разрушающего коротковолнового ультрафиолета.

Прямой солнечный свет имеет световую отдачу около 93 люмен на ватт лучистого потока . Умножение показателя 1050 ватт на квадратный метр на 93 люмена на ватт показывает, что яркий солнечный свет обеспечивает освещенность приблизительно 98 000 люкс ( люмен на квадратный метр) на перпендикулярной поверхности на уровне моря. Освещенность горизонтальной поверхности будет значительно меньше, если Солнце находится не очень высоко в небе. В среднем за день наибольшее количество солнечного света на горизонтальной поверхности приходится на январь на Южном полюсе (см. Инсоляцию ).

Разделив энергетическую яркость 1050 Вт / м 2 на размер солнечного диска в стерадианах, мы получим среднюю яркость 15,4 МВт на квадратный метр на стерадиан. (Однако яркость в центре солнечного диска несколько выше, чем в среднем по всему диску из-за потемнения к краю .) Умножение этого на π дает верхний предел освещенности, которую можно сфокусировать на поверхности с помощью зеркал: 48,5 МВт / м 2 .

Состав и мощность

Спектр солнечного излучения Солнца близок к спектру черного тела с температурой около 5.800 K . Солнце испускает электромагнитное излучение в большей части электромагнитного спектра . Хотя Солнце производит гамма-лучи в результате процесса ядерного синтеза , внутреннее поглощение и термализация преобразуют эти фотоны сверхвысокой энергии в фотоны более низкой энергии, прежде чем они достигнут поверхности Солнца и испускаются в космос. В результате Солнце не испускает гамма-лучи в результате этого процесса, но оно испускает гамма-лучи от солнечных вспышек . Солнце также излучает рентгеновские лучи , ультрафиолет , видимый свет , инфракрасный свет и даже радиоволны ; единственная прямая подпись ядерного процесса — испускание нейтрино .

Хотя солнечная корона является источником экстремального ультрафиолетового и рентгеновского излучения, эти лучи составляют лишь очень небольшую часть выходной мощности Солнца (см. Спектр справа). Спектр почти всего солнечного электромагнитного излучения, падающего на атмосферу Земли, составляет от 100 нм до примерно 1 мм (1000000 нм). Эту полосу значительной мощности излучения можно разделить на пять областей в порядке возрастания длин волн :

• Ультрафиолетовый C или (UVC) диапазон, который охватывает диапазон от 100 до 280 нм. Термин ультрафиолетовый относится к тому факту, что излучение имеет более высокую частоту, чем фиолетовый свет (и, следовательно, также невидимо для человеческого глаза ). Из-за поглощения атмосферой очень мало достигает поверхности Земли. Этот спектр излучения обладает бактерицидными свойствами , как и в бактерицидных лампах .
• Ультрафиолетовый диапазон B или (UVB) составляет от 280 до 315 нм. Он также сильно поглощается атмосферой Земли и вместе с УФ-излучением вызывает фотохимическую реакцию, приводящую к образованию озонового слоя . Он напрямую повреждает ДНК и вызывает солнечный ожог . В дополнение к этому краткосрочному эффекту он ускоряет старение кожи и значительно способствует развитию рака кожи, но также необходим для синтеза витамина D в коже млекопитающих.
• Ультрафиолетовый диапазон A или (UVA) составляет от 315 до 400 нм. Когда-то считалось , что эта повязка менее повреждает ДНК , и поэтому она используется в косметическом искусственном солярии ( солярии и солярии ) и ПУВА терапии псориаза . Однако теперь известно, что УФА вызывает значительные повреждения ДНК косвенными путями (образование свободных радикалов и активных форм кислорода ) и может вызывать рак.
• Видимый диапазон или световой диапазон от 380 до 700 нм. Как следует из названия, этот диапазон виден невооруженным глазом. Это также самый сильный выходной диапазон всего спектра солнечного излучения.
• Инфракрасный диапазон от 700 до 1 000 000 нм (1 мм ). Он составляет важную часть электромагнитного излучения, достигающего Земли. Ученые делят инфракрасный диапазон на три типа в зависимости от длины волны:
  • Инфракрасный-A: от 700 до 1400 нм
  • Инфракрасный-B: от 1400 до 3000 нм
  • Инфракрасный-C: от 3000 нм до 1 мм.

Опубликованные таблицы

Таблицы прямого солнечного излучения на различных склонах от 0 до 60 градусов северной широты в калориях на квадратный сантиметр, выпущенные в 1972 году и опубликованные Тихоокеанской Северо-западной экспериментальной станцией по лесам и ареалам лесной службы Министерства сельского хозяйства США, Портленд, Орегон, США. появляются в сети.

Солнечная постоянная

Солнечной постоянной является мерой плотности потока , является количество поступающего солнечного электромагнитного излучения на единицу площади , которое было бы падает на плоскости , перпендикулярной к лучам, на расстоянии одной астрономической единицы (АС) (примерно среднее расстояние от Солнце к Земле). «Солнечная постоянная» включает все виды солнечного излучения, а не только видимый свет . Предполагалось, что его среднее значение составляет приблизительно 1366 Вт / м 2 , незначительно варьируя в зависимости от солнечной активности , но недавние повторные калибровки соответствующих спутниковых наблюдений показывают, что значение, близкое к 1361 Вт / м 2, является более реалистичным.

Общее солнечное излучение (TSI) и спектральное солнечное излучение (SSI) на Земле

С 1978 года в ходе серии частично совпадающих спутниковых экспериментов НАСА и ЕКА было измерено общее солнечное излучение (TSI) — количество солнечной радиации, полученной в верхней части земной атмосферы — как 1,365 киловатт на квадратный метр (кВт / м 2 ). Наблюдения TSI продолжаются спутниковыми экспериментами ACRIMSAT / ACRIM3, SOHO / VIRGO и SORCE / TIM. Наблюдения показали изменение TSI во многих временных масштабах, включая солнечный магнитный цикл и множество более коротких периодических циклов. TSI обеспечивает энергию, которая управляет климатом Земли, поэтому продолжение базы данных временных рядов TSI имеет решающее значение для понимания роли солнечной изменчивости в изменении климата.

С 2003 года монитор спектральной освещенности (SIM) SORCE отслеживает спектральную солнечную освещенность (SSI) — спектральное распределение TSI. Данные показывают, что SSI на длине волны УФ (ультрафиолета) менее четко и, вероятно, более сложно соответствует климатическим реакциям Земли, чем предполагалось ранее, что способствует широкому развитию новых исследований в области «связи Солнца и стратосферы, тропосферы, биосферы и т. Д. океан и климат Земли «.

Интенсивность в Солнечной системе

Различные тела Солнечной системы получают свет, интенсивность которого обратно пропорциональна квадрату их расстояния от Солнца.

Таблица, в которой сравнивается количество солнечной радиации, получаемой каждой планетой Солнечной системы в верхней части ее атмосферы:

Фактическая яркость солнечного света, который будет наблюдаться на поверхности, также зависит от присутствия и состава атмосферы . Например, плотная атмосфера Венеры отражает более 60% получаемого ею солнечного света. Фактическая освещенность поверхности составляет около 14 000 люкс, что сравнимо с земной «днем в пасмурных облаках».

Солнечный свет на Марсе был бы более или менее похож на дневной свет на Земле в слегка пасмурный день, и, как видно на снимках, сделанных марсоходами, имеется достаточно рассеянного излучения неба, чтобы тени не казались особенно темными. Таким образом, он будет давать восприятие и «ощущения» очень похоже на дневной свет Земли. Спектр на поверхности немного краснее, чем на Земле, из-за рассеяния красноватой пылью в атмосфере Марса.

Для сравнения, солнечный свет на Сатурне немного ярче солнечного света Земли на среднем закате или восходе солнца ( сравнительную таблицу см. В дневном свете ). Даже на Плутоне солнечный свет по-прежнему будет достаточно ярким, чтобы почти соответствовать средней гостиной. Чтобы увидеть солнечный свет на Земле тусклым, как полная луна , необходимо расстояние около 500 а.е. (

69 световых часов ); только несколько объектов в Солнечной системе были обнаружены, которые, как известно, вращаются по орбите дальше такого расстояния, среди них 90377 Седна и (87269) 2000 OO 67 .

Освещение поверхности

Спектр освещения поверхности зависит от высоты Солнца из-за атмосферных эффектов, при этом синий спектральный компонент преобладает в сумерках до и после восхода и заката, соответственно, а красный — во время восхода и захода солнца. Эти эффекты очевидны при фотографии с естественным освещением, где основным источником освещения является солнечный свет, опосредованный атмосферой.

Хотя цвет неба обычно определяется рассеянием Рэлея , исключение случается на закате и в сумерках. «Предпочтительное поглощение солнечного света озоном на длинных трассах горизонта придает зенитному небу голубизну, когда солнце приближается к горизонту».

См. Более подробную информацию в разделе » Рассеянное излучение неба»

Спектральный состав солнечного света у поверхности Земли

Можно сказать , что Солнце освещает , что является мерой света в определенном диапазоне чувствительности. Многие животные (в том числе люди) имеют диапазон чувствительности приблизительно 400–700 нм, и при оптимальных условиях поглощение и рассеяние атмосферой Земли создает освещение, которое приближается к источнику равной энергии для большей части этого диапазона. Например, полезный диапазон для цветового зрения человека составляет приблизительно 450–650 нм. Помимо эффектов, возникающих на закате и восходе солнца, спектральный состав изменяется в первую очередь в зависимости от того, как прямой солнечный свет может освещать. Когда освещение непрямое, рэлеевское рассеяние в верхних слоях атмосферы приводит к преобладанию синей длины волны. Водяной пар в нижних слоях атмосферы вызывает дальнейшее рассеяние, а частицы озона, пыли и воды также поглощают волны определенной длины.

Вариации солнечной освещенности

Сезонная и орбитальная вариация

На Земле солнечное излучение изменяется в зависимости от угла наклона Солнца над горизонтом , с большей продолжительностью солнечного света на высоких широтах летом и с отсутствием солнечного света зимой вблизи соответствующего полюса. Когда прямое излучение не блокируется облаками, оно воспринимается как солнечный свет . Нагревание земли (и других объектов) зависит от поглощения электромагнитного излучения в виде тепла .

Количество радиации, перехватываемой планетным телом, обратно пропорционально квадрату расстояния между звездой и планетой. Земли орбиты и наклонение изменение с течением времени ( в течение тысяч лет), иногда образуя почти идеальный круг, а в других протянув к эксцентриситета орбиты 5% ( в настоящее время 1,67%). По мере изменения эксцентриситета орбиты среднее расстояние от Солнца ( большая полуось существенно не меняется, поэтому полная инсоляция в течение года остается почти постоянной из-за второго закона Кеплера ,

2 А р 2 d т знак равно d θ , <\ displaystyle <\ tfrac <2A>>> dt = d \ theta,>

где — инвариант «площадной скорости». То есть интегрирование по орбитальному периоду (также инвариантное) является постоянным. А <\ displaystyle A>

∫ 0 Т 2 А р 2 d т знак равно ∫ 0 2 π d θ знак равно c о п s т а п т . <\ displaystyle \ int _ <0>^ <\ tfrac <2A>>> dt = \ int _ <0>^ <2 \ pi>d \ theta = \ mathrm .>

Если мы примем мощность солнечного излучения P как постоянную во времени и солнечное излучение, заданное законом обратных квадратов , мы также получим среднюю инсоляцию как константу.

Но сезонное и широтное распределение и интенсивность солнечного излучения, получаемого на поверхности Земли, действительно различаются. Влияние угла Солнца на климат приводит к изменению солнечной энергии летом и зимой. Например, на широте 65 градусов это значение может отличаться более чем на 25% в результате изменения орбиты Земли. Поскольку изменения зимой и летом имеют тенденцию компенсироваться, изменение среднегодовой инсоляции в любом данном месте близко к нулю, но перераспределение энергии между летом и зимой сильно влияет на интенсивность сезонных циклов. Такие изменения, связанные с перераспределением солнечной энергии, считаются вероятной причиной наступления и исчезновения недавних ледниковых периодов (см. Циклы Миланковича ).

Изменение солнечной интенсивности

Космические наблюдения солнечной радиации начались в 1978 году. Эти измерения показывают, что солнечная постоянная непостоянна. Он варьируется во многих временных масштабах, включая 11-летний солнечный цикл солнечных пятен. Если вернуться в прошлое, нужно полагаться на реконструкцию освещенности с использованием солнечных пятен за последние 400 лет или космогенных радионуклидов за последние 10 000 лет. Такие реконструкции были сделаны. Эти исследования показывают, что в дополнение к изменению солнечной освещенности в зависимости от солнечного цикла (цикл (Швабе)), солнечная активность изменяется с более длинными циклами, такими как предлагаемый 88-летний ( цикл Глейсберга ), 208-летний ( цикл ДеВриза ) и 1000 год ( вихревой цикл ).

Жизнь на Земле

Существование почти всей жизни на Земле поддерживается солнечным светом. Большинство автотрофов , таких как растения, используют энергию солнечного света в сочетании с углекислым газом и водой для производства простых сахаров — процесс, известный как фотосинтез . Эти сахара затем используются в качестве строительных блоков и в других синтетических путях, которые позволяют организму расти.

Гетеротрофы , такие как животные, косвенно используют солнечный свет, потребляя продукты автотрофов, либо потребляя автотрофов, либо потребляя их продукты, либо потребляя других гетеротрофов. Сахара и другие молекулярные компоненты, производимые автотрофами, затем расщепляются, высвобождая накопленную солнечную энергию и давая гетеротрофу энергию, необходимую для выживания. Этот процесс известен как клеточное дыхание .

В доисторические времена люди начали расширять этот процесс, применяя растительные и животные материалы для других целей. Они использовали шкуры животных для тепла, например, или деревянное оружие для охоты. Эти навыки позволили людям собирать больше солнечного света, чем это было возможно только за счет гликолиза, и человеческое население начало расти.

Во время неолитической революции одомашнивание растений и животных еще больше увеличило доступ человека к солнечной энергии. Поля, предназначенные для выращивания сельскохозяйственных культур, были обогащены несъедобным растительным материалом, обеспечивающим сахар и питательные вещества для будущих урожаев. Животные, которые раньше давали людям только мясо и инструменты после того, как их убивали, теперь использовались для работы на протяжении всей их жизни, питаясь травами, несъедобными для человека. Ископаемое топливо — это остатки древней растительной и животной материи, образовавшиеся с использованием энергии солнечного света, а затем оставшиеся на Земле в течение миллионов лет.

Культурные аспекты

Эффект солнечного света имеет отношение к живописи , что подтверждается, например, работами Эдуарда Мане и Клода Моне над пейзажами и пейзажами.

Источник