Определить световой поток излучаемый солнцем

Определить световой поток излучаемый солнцем

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)

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

Определить световой поток излучаемый солнцем

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)

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

Измеряем яркость солнца и ламп для растений. Сравнение и выводы.

Вопрос насколько яркое солнце встал при разработке системы подсветки растений. Интересно же, насколько мощную лампу мы должны иметь и как близко светить для того, чтобы приблизиться максимально к солнечному свету.

Особенно это оказалось важно для пряных трав (особенно капризен базилик) — они без света просто не растут.

Итак, возьмем в руки люксометр с Али экспресс и дождемся солнечный день.

1. Измеряем тень подоконника. Получаем 6,5 тыс люменов. Это летнее яркое солнце, но в тени. Запомним.

А теперь немного «отойдем» от подоконника, буквально на 10-15 см. Получаем 4 тыс люменов. То есть яркость начинает существенно падать.

2. Выходим из тени. Вот оно, прямое солнце. Получаем 32 тыс люменов. Это тоже важная для нас цифра. Примем это за солнце.

PS. Я еще померил солнце на улице «прямо в лоб» люксометру. Получил около 90 тыс люксов (. ). Фотки, к сожалению, нет, но примите на веру.

Таким образом для себя я сделал такую условную шкалу

Солнце прямое: 30 тыс люксов и выше

Теперь перейдем к лампам освещения растений. Их великое множество. И пассивным и с активным охлаждением. Дешевые и дорогие. Красные и белые. Но в общем, сейчас нас интересует яркость лампы и как следствие мощность (за которую мы будем платить поставщику электричества)

Когда начинаешь светить на растения сразу встает несколько вопросов

1. Насколько яркая и мощная должна быть лампа.

2. Не будет ли растению слишком ярко

3. Сколько часов надо светить в сутки на растение

Чуть позже я прстараюсь ответить на все эти вопросы.

Попробовав кучу ламп, пока в моем рейтинге по тому, какую яркость можно получить за потребляемую мощность — матричные светодиодные лампы. Такую лампу мы и будем измерять.

Возьмем 30-ватную красную(на самом деле красно-сине-зеленую) лампу, сделанную специально для растений. Лампа яркая, сильно греется и без активного охлаждения очень горячая, поэтому к ней прикручен кулер.

Вот люксометр прямо под лампой. Что мы имеем ? 15 тыс люменов. Тоесть даже с такой лампой мы не имеем освещенность «солнца», мы имеем что-то между тенью и тусклым солнышком. Т.о. «пересветить» растение мы вряд ли можем — если оно категорически не боится солнца, то оно «ждет» яркости 30+ тыс люксов от солнца.

Отодвинемся от лампы на 20-30 см и получим уже 9 тыс люксов (то есть скорее тень, чем солнце), а если отодвинемся еще на 20 см, то получим 6-7 к люксов, то есть тень.

Вы резонно скажете, что у тебя батенька неполный спектр, поэтому у тебя яркость ламп низкая относительно белого солнца. Отвечу на это, что я взял белую лампу 50вт (такие для прожектора используются) и померил ее люксометром. Она ярче по люксометру не больше чем на 10-15%. У самой лампы около 30 тыс люменов (как будто и правда солнце), но при отдалении дампы от объекта она приближается к красной лампе по значениям.

Теперь ответим на заданные вопросы

1. Насколько яркая и мощная должна быть лампа.

Лампа должны быть не меньше 30вт, только такие лампы могут «эмулировать» солнце. Светить надо близко к растению.

2. Не будет ли растению слишком ярко

Не будет, солнце ярче всех ламп для растений

3. Сколько часов надо светить в сутки на растение

Это вопрос не этой статьи, но все равно по опыту растеневодов это надо делать не менее 12 часов при отсутствии естественного света. Я свечу 16 часов, но, возможно, это избыточно.

Конечно, встает вопрос не тупой замены солнцу, а досветки. И это отдельная тема исследования. Мы можем померить количество люксов, «упавших» на лампу и вечером добивать их из лампы. Люксы можно измерять цифровым датчиком, а управлять лампой через любую интернет розетку.

Источник