Солнечная постоянная — Solar constant
Солнечной постоянной ( G СК ) представляет собой плотность потока измерения среднего солнечного электромагнитного излучения (солнечной радиации) на единицу площади. Он измеряется на поверхности, перпендикулярной лучам, в одной астрономической единице (а.е.) от Солнца (примерно расстояние от Солнца до Земли).
Солнечная постоянная включает все типы солнечного излучения, а не только видимый свет (хотя по соглашению нейтрино , будучи электрически нейтральными, не излучают). Она измеряется с помощью спутника как 1.361 кило ватт на квадратный метр (кВт / м 2 ) при минимуме солнечной активности (время в 11-летнего солнечного цикла , когда число солнечных пятен минимальна) и приблизительно 0,1% больше (примерно 1,362 кВт / м 2 ) при солнечном максимуме .
Солнечная «постоянная» не является физической константой в современном научном смысле CODATA ; то есть это не похоже на постоянную Планка или скорость света, которые абсолютно постоянны в физике. Солнечная постоянная — это среднее значение переменной величины. За последние 400 лет он колебался менее чем на 0,2 процента. Миллиарды лет назад он был значительно ниже .
Эта константа используется при расчете радиационного давления , что помогает при расчете силы, действующей на солнечный парус .
СОДЕРЖАНИЕ
Расчет
Энергия солнечного излучения измеряется спутниками над атмосферой Земли , а затем корректируется с использованием закона обратных квадратов, чтобы вывести величину солнечного излучения в одной астрономической единице (а.е.) для оценки солнечной постоянной. Приведенное примерное среднее значение 1,3608 ± 0,0005 кВт / м 2 , что составляет 81,65 кДж / м 2 в минуту, эквивалентно примерно 1,951 калории в минуту на квадратный сантиметр, или 1,951 калорий в минуту.
Солнечная энергия почти, но не постоянна. Вариации полной солнечной радиации (TSI) были небольшими, и их трудно было точно обнаружить с помощью технологий, доступных до эры спутников (± 2% в 1954 г.). Общая солнечная энергия сейчас измеряется как изменяющаяся (за последние три 11-летних цикла солнечных пятен ) примерно на 0,1%; подробности см. в солнечной вариации .
Исторические измерения
В 1838 году Клод Пуйе сделал первую оценку солнечной постоянной. Используя очень простой пиргелиометр, который он разработал, он получил значение 1,228 кВт / м 2 , что близко к нынешней оценке.
В 1875 году Жюль Виоль возобновил работу Пуийе и предложил несколько большую оценку в 1,7 кВт / м 2, частично основанную на измерениях, которые он сделал на Монблане во Франции.
В 1884 году Сэмюэл Пирпонт Лэнгли попытался оценить солнечную постоянную на горе Уитни в Калифорнии. Сняв показания в разное время дня, он попытался скорректировать эффекты, связанные с атмосферным поглощением. Однако предложенное им окончательное значение, 2,903 кВт / м 2 , было слишком большим.
Между 1902 и 1957 годами измерения, проведенные Чарльзом Грили Эбботом и другими на различных высотных объектах, показали значения от 1,322 до 1,465 кВт / м 2 . Эббот показал, что одна из поправок Лэнгли была применена ошибочно. Результаты Эббота варьировались от 1,89 до 2,22 калорий (от 1,318 до 1,548 кВт / м 2 ), что, по-видимому, связано с Солнцем, а не атмосферой Земли.
В 1954 г. солнечная постоянная была оценена как 2,00 кал / мин / см 2 ± 2%. Текущие результаты примерно на 2,5 процента ниже.
Связь с другими измерениями
Солнечное излучение
Фактическое прямое солнечное излучение в верхней части атмосферы колеблется примерно на 6,9% в течение года (с 1,412 кВт / м 2 в начале января до 1,321 кВт / м 2 в начале июля) из-за различного расстояния Земли от Солнца, и обычно намного меньше, чем на 0,1% изо дня в день. Таким образом, для всей Земли (имеющей поперечное сечение 127 400 000 км 2 ) мощность составляет 1,730 × 10 17 Вт (или 173 000 тераватт ), плюс-минус 3,5% (половина годового диапазона приблизительно 6,9%). Солнечная постоянная не остается постоянной в течение длительных периодов времени (см. Солнечная вариация ), но в течение года солнечная постоянная изменяется намного меньше, чем солнечная освещенность, измеренная в верхней части атмосферы. Это связано с тем, что солнечная постоянная оценивается на фиксированном расстоянии в 1 астрономическую единицу (а.е.), в то время как солнечная освещенность будет зависеть от эксцентриситета орбиты Земли. Его расстояние до Солнца ежегодно колеблется от 147,1 · 10 6 км в перигелии до 152,1 · 10 6 км в афелии . Кроме того, несколько длительных (от десятков до сотен тысячелетий) циклов тонких изменений орбиты Земли ( циклы Миланковича ) влияют на солнечную освещенность и инсоляцию (но не на солнечную постоянную).
Земля получает общее количество излучения, определяемое ее поперечным сечением (π · R E 2 ), но при вращении эта энергия распределяется по всей площади поверхности (4 · π · R E 2 ). Следовательно, среднее приходящее солнечное излучение с учетом угла, под которым падают лучи, и того факта, что в любой момент половина планеты не получает солнечного излучения, составляет одну четвертую солнечной постоянной (приблизительно 340 Вт / м 2 ). Количество, достигающее поверхности Земли (в виде инсоляции ), дополнительно уменьшается из-за ослабления в атмосфере, которое варьируется. В любой момент количество солнечной радиации, получаемой в определенном месте на поверхности Земли, зависит от состояния атмосферы, широты местоположения и времени суток.
Видимая величина
Солнечная постоянная включает все длины волн солнечного электромагнитного излучения, а не только видимый свет (см. Электромагнитный спектр ). Это положительно коррелирует с видимой величиной Солнца, которая составляет -26,8. Солнечная постоянная и величина Солнца — это два метода описания видимой яркости Солнца, хотя величина основана только на визуальных данных Солнца.
Общее излучение Солнца
Угловой диаметр Земли , как видно из Солнца составляет около 1/11700 радиан (около 18 угловых секунд ), то есть телесный угол Земли , как видно из Солнца составляет примерно 1/175000000 из стерадиан . Таким образом, Солнце излучает примерно в 2,2 миллиарда раз больше излучения, чем улавливает Земля, другими словами, примерно 3,846 × 10 26 Вт.
Прошлые изменения солнечной освещенности
Космические наблюдения солнечной радиации начались в 1978 году. Эти измерения показывают, что солнечная постоянная непостоянна. Он меняется в зависимости от 11-летнего солнечного цикла 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 показывают, что солнечное излучение меняется с отчетливой периодичностью. Эти циклы следующие: 11 лет (цикл Швабе), 88 лет (цикл Глейсберга), 208 лет (цикл ДеВриза) и 1000 лет (цикл Эдди).
В течение миллиардов лет Солнце постепенно расширяется и излучает больше энергии из-за большей площади поверхности. Нерешенный вопрос о том, как объяснить явные геологические свидетельства наличия жидкой воды на Земле миллиарды лет назад, в то время, когда светимость Солнца составляла всего 70% от его нынешнего значения, известен как парадокс слабого молодого Солнца .
Вариации из-за атмосферных условий
Не более 75% солнечной энергии действительно достигает поверхности Земли, поскольку даже при безоблачном небе она частично отражается и поглощается атмосферой. Даже легкие перистые облака уменьшают это значение до 50%, более сильные перистые облака — до 40%. Таким образом, солнечная энергия, поступающая на поверхность, когда солнце находится прямо над головой, может варьироваться от 550 Вт / м 2 при перистых облаках до 1025 Вт / м 2 при ясном небе.
Источник
Солнечная постоянная
Солнечные постоянная Е 0 является внеземной облученностью ( интенсивность ) в среднем в течение многих лет , который ударяет землю от солнца на среднем расстоянии от земли к солнцу без влияния атмосферы перпендикулярна к направлению излучения. Термин «константа» используется условно, хотя он не является естественной константой .
Оглавление
Создание и сезонные колебания
В 2015 году солнечная постоянная была определена МАС по новым результатам измерений.
Э. 0 знак равно 1361 W. м 2 <\ displaystyle E_ <0>= 1361 \ mathrm <\ frac 
(Резолюция B3) и с тех пор выполняется в CODATA .
Из-за эксцентриситета орбиты расстояние между Землей и Солнцем колеблется от 147,1 до 152,1 миллиона километров каждый год. При этом освещенность за пределами атмосферы колеблется от 1325 до 1420 Вт / м². Таким образом, в перигелии это значение примерно на 3,4 процента выше, а в афелии примерно на 3,3 процента ниже среднегодового значения.
В ясную погоду три четверти излучаемой солнечной энергии поступает на уровень моря, поскольку часть ее отражается и поглощается атмосферой. Таким образом, солнечная энергия, поступающая на землю, падает примерно до 1000 Вт / м² даже в ясную погоду. Даже легкие перистые облака позволяют этому значению упасть примерно до половины исходного значения и, следовательно, ниже 700 Вт / м².
Среднее значение солнечной постоянной было установлено в 1982 году Всемирной метеорологической организацией в Женеве:
Э. 0 знак равно 1367 W. м 2 знак равно 1367 J м 2 s знак равно 1367 k грамм s 3-й <\ Displaystyle E_ <0>= 1367 \ \ mathrm <\ frac >>> .
Колебания и длительное увеличение
Сила излучения самого солнца почти постоянна. Одиннадцатилетний цикл солнечных пятен также вызывает колебания — как в видимом спектре, так и в общей радиации — менее чем на 0,1 процента.
В УФ-диапазоне ниже 170 нм излучение может изменяться в 2 раза. В рентгеновском диапазоне от 0,2 до 3 нм выход излучения может быть увеличен до двух порядков, т.е. ЧАС. в 100 раз. В случае солнечных вспышек в рентгеновском диапазоне от 0,1 до 0,8 нм возможны изменения более чем на пять порядков величины (то есть в более чем 100 000 раз: A1 до> X17 по состоянию на 4 ноября 2003 г.).
Среднесрочные возмущения земной орбиты, которые также влияют на освещенность Земли, описываются циклами Миланковича .
В долгосрочной перспективе, в результате естественного развития как звезды главной последовательности, выход солнечной радиации увеличивается примерно на один процент каждые 100 миллионов лет. Вскоре после создания его светимость составляла всего около 70 процентов от текущего значения. При оценке климата в ранней истории Земли этот аспект должен быть принят во внимание, тогда как он не играл никакой роли со времен истории человечества.
Угловая зависимость
Выход на квадратный метр всегда относится к площади, перпендикулярной излучению. Если солнце расположено не перпендикулярно облучаемой поверхности, мощность излучения по отношению к облучаемой площади составляет:
Э. 0 ⋅ грех ( α ) <\ Displaystyle E_ <0>\ cdot \ sin (\ alpha)> , где — угол между направлением падения излучения и поверхностью. α <\ Displaystyle \ альфа \! \;>
Больше фактов
Мощность излучения солнца, постоянно светящего на Землю, может быть рассчитана как произведение солнечной постоянной ( E 0 = 1361 Вт / м 2 ) на площадь земного контура . Контур Земли представляет собой примерно круг со (средним) радиусом Земли R 0 = 6 371 км. Полная мощность излучения Солнца, поступающего на Землю, соответственно составляет около 174 петаватт (ПВт):
Э. 0 ⋅ π Р. 0 2 знак равно 173 , 55 ⋅ 10 15-е W. <\ Displaystyle E_ <0>\ cdot \ pi R_ <0>^ <2>= 173 <,>55 \ cdot 10 ^ <15>\, \ mathrm
Общая поверхность Земли в четыре раза больше площади земного контура. Земля постоянно посылает тепловое излучение со всей поверхности в космос с четвертью солнечной постоянной ( E 0 = 1361 Вт / м 2 ) . Температура поверхности Земли изменилась таким образом, что здесь есть равновесие. 340 W. м 2 <\ displaystyle 340 <\ mathrm <\ frac
Для сравнения, мировая потребность человечества в энергии составляла 140 ПВтч в 2010 году (166 ПВтч или 14,282 ГТЭ или 600 ЭДж в 2018 году по данным МЭА). Таким образом, Солнце излучает на Землю чуть больше энергии за один час, чем текущая годовая мировая потребность человечества в энергии.
Атмосфера Земли и ее климат влияют на глобальную радиацию на поверхности Земли. Геометрический эффект описывает воздушную массу ( масса воздуха ).
Чтобы исключить влияние атмосферы, измерения солнечной постоянной в космосе производятся с 1978 года. Спутник SOHO , запущенный в 1995 году , непрерывно наблюдает за Солнцем с помощью радиометра Virgo. Измерения координируются Королевским метеорологическим институтом Бельгии .
Сияющая сила солнца
Из солнечной постоянной ( E 0 = 1361 Вт / м 2 ) может быть мощность излучения Φ вычислить солнце, реагируя с поверхностью A этого шара- оболочки, умноженной на солнце, радиус центрального Эрдаба составляет r = 149,6 x 10 9 м имеет:
Φ знак равно Э. 0 А. знак равно Э. 0 ⋅ 4-й π р 2 знак равно 3,828 ⋅ 10 26 W. <\ Displaystyle \ Phi = E_ <0>A = E_ <0>\ times 4 \ pi r ^ <2>= 3 <,>828 \ times 10 ^ <26>\, \ mathrm
Величину лучистой мощности Солнца также можно оценить с помощью закона Стефана-Больцмана и, наоборот, можно оценить солнечную постоянную.
Освещенность солнца в Германии
| Погодные условия | летом | зима |
|---|---|---|
| в основном чистое небо | до 1000 Вт / м² | до 500 Вт / м² |
| от легкой до средней облачности | до 600 Вт / м² | до 300 Вт / м² |
| тяжелый облачный покров или облачный туман | до 300 Вт / м² | до 150 Вт / м² |
Имеется в виду солнечная радиация, падающая на один квадратный метр поверхности вблизи земли, когда солнце находится на пике около полудня ( обратите внимание на летнее время !), А поверхность ориентирована под прямым углом к падающей радиации.
Солнечные постоянные планет
В следующей таблице приведены солнечные постоянные для планет и некоторых других небесных тел Солнечной системы:
Источник