Угол падения света солнца

КАК ПО-ВАШЕМУ?

Разминка. Вопрос 1: Когда на земле теплее Р когда солнце низко над горизонтом (видимой линией, где земля граничит с небом) Р или когда оно высоко над головой? Запишите свои ответы ниже.

Разминка. Вопрос 2: Может ли быть, чтобы в один и тот же день, но в разное время угол падения солнечных лучей совпадал? Запишите ниже свои мысли.

Разминка. Вопрос 3: Одинаков ли угол падения солнечных лучей по всей земле в одно время (например, сегодня в полдень)? (Поднимается ли солнце повсюду, где бы его ни наблюдали, над горизонтом на одну и ту же высоту?) Запишите ниже, что вы об этом думаете.

ЭКСПЕРИМЕНТ

1. Нарежьте лист бумагиР полосы будут изображать лучи солнца.

2. Держите ее в разных положениях по отношению к горизонту.

3. В каждом положении подсчитайте, сколько ЗлучейИ падает на исследовательский участок.

ЧТЕНИЕ

Что влияет на угол падения солнечных лучей?

Этот угол зависит от многих факторов. Прежде всего, он зависит от времени суток. Утром и вечером солнце стоит низко над землей, поэтому и угол падения его лучей утром и вечером меньше всего. Примерно в полдень солнце стоит особенно высоко в небе, и угол падения его лучей больше всего в полдень. Это время называется астрономический полдень .

Угол падения солнечных лучей зависит еще и от времени года. Зимой этот угол меньше, чем летом. (Зимой солнце появляется на небе только ненадолго. Земля вращается с одинаковой скоростью независимо от времени года, поэтому солнце зимой не успевает подняться в небо так же высоко как летом.)

Угол падения солнечных лучей зависит от широты. На Северном и Южном полюсах Солнце вообще никогда не бывает в зените (т.е., высоко над головой) и угол никогда не достигает 90 градусов. Чем ближе вы находитесь к экватору, тем больше угол падения солнечных лучей в астрономический полдень.*

ВТОРОЙ ДЕНЬ

Делаем клинометр и работаем с ним

Что такое клинометр?

Это прибор, с помощью которого измеряют углы наклона. Нам он понадобится для измерения угла между горизонтом и объектом.

Вам понадобится:

Ксерокопия транспортира (шкалы для измерения углов)

Булавки (или что-то острое, чтобы проделать маленькие дырочки)

Куски веревки длиной 20 см

Изготовление

1. Наклейте бумажный транспортир вдоль края картонной папки так, чтобы края листа и папки совпадали.
2. Вырежьте внешние очертания транспортира. Аккуратно удалите все неровности.
3. Булавкой проделайте в транспортире дырочку в центре его прямой стороны.
4. Приклейте соломинку вдоль прямой стороны транспортира так, чтобы концы соломинки торчали с обеих сторон транспортира.
5. Просуньте веревку сквозь дырочку и завяжите узел Р достаточно большой, чтобы веревка не ЗубежалаИ назад. Отрегулируйте узел и веревку так, чтобы веревка свободно качалась над шкалой вашего транспортира.
6. Привяжите грузик к свободному концу веревки.
7. Убедитесь, что веревка с грузиком свободно качается. Если ей что-то мешает, попробуйте слегка наклонить клинометр, пока веревка не начнет качаться свободно.

Методики измерения

1. Измерения света, температуры угла падения солнечных лучей нужно производить одновременно на исследовательском участке, на высоте примерно двух (2) метров над поверхностью земли. Для этого все три группы должны заранее подобрать подходящее место на участке. Группа ЗУгла падения солнечных лучейИ должна убедиться, что на выбранном для совместных измерений месте солнце не загораживают деревья или постройки.

. Осторожно: Ни в коем случае нельзя смотреть прямо на Солнце!

1. Пока один член группы держит измерительную палочку, второй должен поднять клинометр на один (1) метр над землей. Третий член группы должен держать чистый лист бумаги позади клинометра. НАПОМИНАЕМ, не смотрите прямо на солнце!
2. Направьте клинометр на солнце и держите бумаги сзади прибора так, чтобы соломинка клинометра отбрасывала тень на бумагу. Крепко держите клинометр таким образом, чтобы соломинка отбросила на бумагу темную, однородную, круглую тень и чтобы солнечный свет сфокусировался в этом кружке. Убедитесь, что веревка качается свободно и ей ничто не мешает.

1. Пусть каждый из членов группы сделает хотя бы по одному измерению одним из клинометров. Запишите в свои дневники каждое измерение, а также время и дату, когда оно было сделано.
2. Чтобы получить окончательный результат, вычислите среднее арифметическое из всех показаний. Если у вас сильные расхождения, обсудите полученные результаты. Возможно, разница объясняется тем, что сами клинометры получились разными? Или дело было в том, что вы по-разному проводили измерения?
3. Проверьте окончательный результат. Помните, когда угол падения солнечных лучей равен нулю, соломинка лежит параллельно поверхности земли. Когда угол равен 90 градусам, соломинка смотрит вертикально вверх.
4. Передайте свои результаты в базу данных ГЛ.

Источник

УГЛЫ ПАДЕНИЯ СОЛНЕЧНЫХ ЛУЧЕЙ И ЗАТЕНЕНИЕ

Положение Солнца на небосводе постоянно меняется. Летом Солнце выше на небе, чем зимой; зимой оно поднимается к югу от направления строго на восток, а летом — к северу от этого направления Графически это можно представить наброском пути Солнца по небосводу в течение года; цифры в кружках ука­зывают время дня. Чтобы предусмотреть наиболее эффективное условие затенения, необходимо определить положение Солнца. Например, чтобы определить размеры затеняющего устройства, препятствующего попаданию прямых солнечных лучей в окно между 10 и 14 ч, требуется знать угол поступления солнечного света (угол падения). Другая ситуация, нуждающаяся в такой информации, описывается в разделе «Солнечная радиация».

Положение Солнца на небе определяется двумя угловыми измерениями: высотой и азимутом Солнца. Высота Солнца а из­меряется от горизонтали; солнечный азимут |3 измеряется от на­правления прямо на юг (рис. 6.23). Эти углы можно вычислить или взять из заранее составленных таблиц или номограмм.

Расчет зависит от трех переменных: широты L, склонения 6 и часового угла Я. Широту можно узнать из любой хорошей карты. Склонение или мера того, насколько на север или на юг от экватора переместилось Солнце, меняется месяц от месяца (рис. 6.24). Часовой угол зависит от местного солнечного времени: Я = 0,25 (количество минут от местного солнечного полдня). Солнечное время (время, показываемое непосредственно солнеч­ными часами) отсчитывается от солнечного полдня, когда Солн­це находится в наивысшей точке небосвода. Из-за изменения ско­рости движения Земли по орбите в разное время года долгота суток (измеряемая от солнечного полдня до следующего солнеч­ного полдня) несколько отличается от долготы суток по среднему солнечному времени (измеряемому обычными часами). При вы­числении местного солнечного времени эта разница принимается во внимание наряду с поправкой на долготу, если наблюдатель не стоит на меридиане поясного времени своего часового пояса.

Для корректировки местного поясного времени (воспользуй­тесь точными часами) по местному солнечному времени необ­ходимо выполнить несколько операций:

1) если действует декретное время, то вычтите 1 ч;

2) определите меридиан данного пункта. Определите мериди­ан поясного времени для этого пункта (75° для восточного пояс­ного времени, 90° для центрального поясного времени, 150° для поясного времени Аляска — Гавайи). Умножьте разности между меридианами на 4 мин/град. Если данный пункт находится к вос­току от поясного меридиана, то добавьте поправочные минуты к поясному времени; если он находится к западу, то вычтите их;

3) добавьте уравнение времени (рис 6.25) для интересующей

Рис 6 23 Положение Солн­ца на небосводе [8(

вас даты к скорректированному поясному времени. Это будет местное солнечное время.

В качестве примера эту процедуру можно выполнить для оп­ределения местного солнечного времени в г. Абилин, шт. Техас, 1 декабря в 13 ч 30 мин (центральное поясное время). Посколь­ку это не декретное время, поправки не требуется. На карте най­дем, что Абилин находится на 100° з. д. Так как меридиан для центрального поясного времени проходит через 90° з. д. то Аби­лин отстоит на 10° от него: 10°Х4 мин/град = 40 мин, а посколь­ку Абилин находится к западу от поясного меридиана, мы выч­тем 40 мин из местного времени: 13 ч 30 мин—40 мин = 12 ч 50 м. Из уравнения времени для 1 декабря находим, что требуется до­бавить около 11 мин: 12 ч 50 м + 11 = 13 ч 01 м местного солнеч­ного времени, или 61 мин от местного солнечного полдня.

Отсюда часовой угол Я определяется как описано выше. Зная широту, склонение и часовой угол, определяем высоту Солнца и его азимут:

высота Солнца a = cosLcos6cos# + sinLsin6;

азимут Солнца |J = cos6sii^//cosa.

Высоту и азимут Солнца можно определить на 21-й день каж­дого месяца и на каждый час дня при помощи диаграмм пути движения Солнца. Для каждой широты требуется разная диаг­рамма, хотя интерполяция между графиками достаточно точна. Здесь приводится восемь диаграмм, которые годятся для сред­них широт (рис. 6.26, II).

При помощи этих диаграмм можно, например, определить высоту и азимут Солнца на 16 ч 00 м 21 апреля в Нью-Йорке (40° с. ш.). Найдите диаграмму для 40° с. ш. (рис. 6.30) и заметь­те линию апреля, жирную линию, проходящую слева направо под номером IV (апрель — четвертый месяц). Затем найдите линию 16 ч, жирную линию, проходящую сверху вниз под номером 4. Пересечение этих линий указывает на положение Солнца. Высо­та Солнца указывается концентрическими окружностями; в этом случае она равна 30°. Солнечный азимут указан радиальными линиями, в этом случае 5 = 80°ИК Когда необходимы более точ­ные указания на положение Солнца, можно воспользоваться

таблицами. Однако они не столь понятны, как диаграммы п>ти движения Солнца.

Информация по солнечным углам прежде всего нужна для определения углов затенения для окон и поверхностей коллекто­ров как для защиты поверхности от избыточных солнечных лучей, так и для обеспечения того, чтобы поверхность не затенялась от полезного поступления солнечной энергии.

Существует два основных способа затенения: горизонтальны­ми и вертикальными препятствиями на поверхности. Горизон­тальные препятствия преграждают путь свету сверху (см. таб­лицу). Степень затенения определяется относительной геомет-

Рис. 6.35. Радиальная теневая маска і[8]

З — вертикальная рической формой препятствия и поверх­ности: чем шире козырек (или навес), тем больше зона тени; чем выше козырек, тем меньше зона тени. Вертикальные препятствия преграждают путь свету сбоку (см. рис. 6.12). Как с горизон­тальными препятствиями, геометрия угла затенения обусловли­вает пропорциональные размеры и близость препятствия к по­верхности. На рисунках эти препятствия представлены в виде искусственных затеняющих устройств, но это также могут быть деревья, горы или здания.

Для любого условия затенения можно построить теневую маску, чтобы отобразить количество и эффективность затенения данной поверхности. Горизонтально вытянутое препятствие даст сегментную теневую маску, где величина а, указанная маской, соответствует углу а затеняющего устройства. Вертикальное препятствие даст радиальную теневую маску с углом р, соответ­ствующим такому же углу затеняющего устройства. Для сочета­ний вертикальных и затеняющих элементов можно построить комбинированную маску (см. рис. 6.13).

Теневые маски строят и считывают при помощи транспортира теневой маски (см. рис. 6.14). Нижняя половина транспортира используется для изучения сегментных эффектов затенения гори-

Рис. 6.37. Транспортир теневой маски [8]

зонтальных препятствий. Верхняя половина, повернутая стрел­кой 0° на юг, относится к радиальному эффекту затенения верти­кальных препятствий.

Теневые маски можно также читать при помощи диаграмм пути движения Солнца. Если маску наложить на соответствую­щую диаграмму, то будут указаны те периоды года, когда по­верхность затенена. Например (см. рис. 6.15), если теневая мас­ка для горизонтального препятствия (а = 60°) наложена на диа­грамму движения Солнца для 40° с. ш., то поверхность зате­няется препятствием примерно с 21 марта по 21 сентября. Этот процесс соотнесения геометрии затенения с годичным движе­нием Солнца может также работать и по обратной схеме. Если мы определим время в году, когда требуется затенение, и нане­сем это время на диаграмму движения Солнца, то найдем тене­вую маску препятствия, необходимого для создания тени. Нало­жив транспортир затенения поверх этой маски, мы сможем прочесть необходимые углы (а и (3). С этими углами можно рас­считать размеры препятствий.

Рис. 6 38 Теневая маска в сочетании с диаграммой движения Солнца для 40° с. ш.

Диаграммы движения Солнца, теневые маски и транспортир теневой маски являются весьма удобными средствами исследова­ния и создания довольно сложной геометрии солнечных углов. С их помощью проектировщик может максимально использовать свет и тепло (и их отсутствие), предоставляемые природой.

Дальнейшую информацию смотрите в библиографии по «Про — актироваиию для прямой солнечной радиации», в частности книгу Аладара и Виктора Олгиэея «Контроль солнечного излучения и затенение».

Источник

Введение

Солнце – источник всего на Земле: света, тепла, жизни. Только солнечный свет дарил людям тепло до того, как они научились добывать огонь, – солнечная энергетика была первой, освоенной человеческим сообществом. Недаром само это сообщество возникло, как утверждают палеонтологи, под жарким солнцем экватора, в Центральной Африке. По-видимому, энергетика Солнца станет самой приемлемой и в будущие эпохи благодаря своей естественности (дается-то даром), неисчерпаемости и экологической чистоте. Почему же до сих пор она оставалась в тени? Почему в течение тысячелетий человек предпочитал согревать себя и готовить пищу, сжигая дрова, уголь, нефть, создавая хитроумные сооружения на быстрых реках и продувных ветрах, добывая (в последнее время) опасный радиоактивный уран? Потому что для технически неразвитого общества, прикованного к земной поверхности, солнечные энергостанции были бы маломощными, громоздкими, зависящими от погоды – практически неконкурентными. Только фантасты чутьем угадывали их будущий неизбежный взлет.

С выходом в космос, созданием орбитальных станций и бурным развитием электроники (в первую очередь полупроводников) ситуация резко изменилась. Сейчас солнечная энергетика – не далекая мечта, а каждодневная реальность, занимающая все больше места в деятельности научных институтов и промышленных организаций.

Солнечная энергия неисчерпаема – при бесконечном росте наших технических возможностей.

Наибольшая плотность потока солнечного излучения, приходящегося на Землю, составляет примерно 1 кВт/м 2 в диапазоне длин волн 0.3-2.5 мкм. Это излучение называется коротковолновым и включает видимый спектр. Для населенных районов в зависимости от места, времени суток и погоды потоки солнечной энергии, достигающие Земли, меняются от 3 до 30 МДж/ м 2 в день. Солнечное излучение характеризуется энергией фотонов в максимуме распределения порядка 2 эВ, определенной по температуре поверхности Солнца около 6000 К. Это энергетический поток от доступного источника гораздо более высокой температуры, чем у традиционных технических источников. Излучение распространяется со скоростью 3х10 8 м/с и достигает земной атмосферы примерно за 8 минут. Тепловая энергия его может быть использована с помощью стандартных технических устройств (например: паровых турбин) и методами, разработанными на основе фотохимических и фотофизических взаимодействий. Потоки энергии излучения, связывающие атмосферу с поверхностью Земли, также порядка 1 кВт/м 2 , но они перекрывают другой спектральный диапазон – от 5 до 25 мкм, называемый длинноволновым с максимумом около 10 мкм. По спектру коротко- и длинноволновое излучения расположены друг от друга достаточно далеко и могут быть легко различимы.

1 Угол падения Солнца и зенитный угол

Солнце – звезда Солнечной системы, которая является для планеты Земля источником громадного количества тепла и ослепительного света. Несмотря на то, что Солнце находится от нас на значительном расстоянии и до нас доходит лишь небольшая часть его излучения, этого вполне достаточно для развития жизни на Земле. Наша планета вращается вокруг Солнца по орбите. Если с космического корабля наблюдать Землю в течение года, то можно заметить, что Солнце всегда освещает только какую-либо одну половину Земли, следовательно, там будет день, а на противоположной половине в это время будет ночь. Земная поверхность получает тепло только днем.

Наша Земля нагревается неравномерно. Неравномерный нагрев Земли объясняется ее шарообразной формой, поэтому угол падения солнечного луча в разных районах различен, а значит, различные участки Земли получают различное количество тепла. На экваторе солнечные лучи падают отвесно, и они сильно нагревают Землю. Чем дальше от экватора, тем угол падения луча становится меньше, а следовательно, и меньшее количества тепла получают эти территории. Один и тот же по мощности пучок солнечного излучения обогревает у экватора гораздо меньшую площадь, так как он падает отвесно. Кроме того, лучи, падающие под меньшим углом, чем на экваторе,пронизывая атмосферу, проходят в ней больший путь, вследствие чего часть солнечных лучей рассеивается в тропосфере и не доходит до земной поверхности. Все это свидетельствует о том, что при удалении от экватора к северу или к югу уменьшается температура воздуха, так как уменьшается угол падения солнечного луча.

На степень нагрева земной поверхности влияет также и то, что земная ось наклонена к плоскости орбиты, по которой Земля совершает полный оборот вокруг Солнца, под углом 66,5° и все время направлена северным концом в сторону Полярной звезды.

Представим себе, что Земля, двигаясь вокруг Солнца, имеет земную ось, перпендикулярную плоскости орбиты вращения. Тогда бы поверхность на разных широтах получала бы неизменное в течение года количество тепла, угол падения солнечного луча был все время постоянным, всегда день был бы равен ночи, не происходило бы смены времен года. На экваторе эти условия мало отличались бы от нынешних. Существенное влияние на нагрев земной поверхности, а значит, и на весь климат наклон земной оси имеет именно в умеренных широтах.

В течение года, то есть за время полного оборота Земли вокруг Солнца, особо примечательны четыре дня: 21 марта, 23 сентября, 22 июня, 22 декабря.

Тропики и полярные круги разделяют поверхность Земли на пояса, которые различаются между собой солнечной освещенностью и количеством тепла, получаемого от Солнца. Выделяют 5 поясов освещенности: северный и южный полярные, которые получают мало света и тепла, тропический пояс с жарким климатом и северный и южный умеренные пояса, которые получают света и тепла больше, чем полярные, но меньше, чем тропические.

Рисунок 1.1 – Положение Земли относительно Солнца

Итак, в заключение можно сделать общий вывод: неравномерный нагрев и освещение земной поверхности связаны с шарообразностью нашей Земли и с наклоном земной оси до 66,5° к орбите вращения вокруг Солнца.

Углом падения луча назовем угол между падающим лучом и перпендикуляром к отражающей поверхности в точке излома луча. В одной и той же географической точке в разное время суток солнечные лучи падают на землю под разными углами.

Рисунок 1.2 – Падение луча солнца и ее отражение

Количество солнечного света и тепла, которое поступает на земную поверхность, прямо пропорционально углу падения лучей. Солнечные лучи могут падать на Землю под углом от 0 до 90 градусов. Угол попадания лучей на землю разный, потому что наша планета имеет форму шара. Чем он больше, тем светлее и теплее.

Таким образом, если луч идёт под углом 0 градусов, он только скользит вдоль поверхности земли, не нагревая её. Такой угол падения бывает на Северном и Южном полюсах, за полярным кругом. Под прямым углом солнечные лучи падают на экватор и на поверхность между Южным и Северным Тропиком. Этот показатель считается максимальным углом падения солнечных лучей. Как Вам известно, из курса VII класса, 21 марта и 23 сентября Солнце находится в зените над экватором, лучи падают здесь под максимальным углом. Отсюда по направлению на север и на юг угол падения солнечных лучей уменьшается. Вследствие этого, для вычисления угла падения лучей на тот или иной пункт, расположенных в обоих полушариях, можем написать нижеследующее выражение:

где, ω – угол падения солнечных лучей;

φ – географическая широта, где расположен пункт.

Если угол попадания солнечных лучей на землю прямой, это говорит о том, что солнце в зените.

Зенит – угол падения солнечных лучей, равный 90°.

Таким образом, угол падения лучей на поверхность земли и высота солнца над горизонтом равны между собой. Зависят они от географической широты. Чем ближе к нулевой широте, тем угол падения лучей ближе к 90 градусам, тем выше находится солнце над горизонтом, тем теплее и светлее.

Зенитный угол Солнца меняется в зависимости от вращения Земли вокруг Солнца и вращения Земли вокруг своей оси.

В течение года Земля описывает вокруг Солнца эллиптическую орбиту. Наблюдателю, находящемуся на Земле, наоборот, кажется, что Солнце движется по небесному своду и описывает в течение года путь, называемый эклиптикой. Плоскость эклиптики составляет угол 23 О 27’ (около 23 с половиной гардуса) с плоскостью земного экватора.

Рисунок 1.3 – Движение Земли по эклиптике и пересечение Солнца плоскость экватора

Двигаясь по эклиптике, Солнце пересекает плоскость экватора 21 марта (день весеннего равноденствия) и 24 сентября (день осеннего равноденствия) и достигает максимальной высоты 23 с половиной градуса выше плоскости экватора — 22 июня летнее солнцестояние (для наблюдателя в северном полушарии) и минимальной высоты 22 декабря (день зимнего солнестояния).

В процессе этого меняется склонение Солнца относительного земного экватора.

Кроме того, Земля еще вращается вокруг своей оси, в результате чего зенитный угол зависит еще от часового угла.

Таким образом, с учетом изменения склонения Солнца, широты наблюдателя и времени относительно истинного полдня, зенитный угол с учетом сферической геометрии определяется по формуле:

(2)

где, — широта;

— склонение орбиты Земли;

t — текущее время;

t_p — время истинного полдня (в секундах), в знаменателе продолжительность суток (также в секундах).

Источник