Что такое солнечная постоянная и чему она равна кратко

Обновлено: 07.07.2024

Спектр солнечного излучения в верхней части атмосферы в линейном масштабе и нанесен на график волновое число.

В солнечная постоянная (граммSC) это плотность потока среднее значение солнечный электромагнитное излучение (солнечное излучение) на единицу площади. Его измеряют на поверхности, перпендикулярной лучам, один астрономическая единица (AU) от Солнца (примерно расстояние от Солнца до Земли).

Солнечная постоянная включает все типы солнечная радиация и не только видимый свет. По данным спутниковых измерений, он составляет 1,361. килограммВт за квадратный метр (кВт / м²) при солнечный минимум (время в 11-летнем солнечный цикл когда количество солнечные пятна минимальна) и примерно на 0,1% больше (примерно 1,362 кВт / м²) при солнечный максимум. [1]

Эта константа используется при вычислении радиационное давление, который помогает в вычислении силы на солнечный парус.

Содержание

Расчет

Солнечное излучение измеряется спутниками выше Атмосфера Земли, [3] а затем настраивается с помощью закон обратных квадратов сделать вывод о величине солнечного излучения за один Астрономический блок (AU) для оценки солнечной постоянной. [4] Приведено примерное среднее значение, [1] 1,3608 ± 0,0005 кВт / м², что составляет 81,65 кДж / м² в минуту, что эквивалентно примерно 1,951 калории в минуту на квадратный сантиметр, или 1,951. Langleys в минуту.

Солнечная энергия почти, но не совсем постоянна. Вариации в полное солнечное излучение (TSI) были небольшими и их трудно было точно обнаружить с помощью технологий, доступных до эры спутников (± 2% в 1954 г.). Общая выработка солнечной энергии сейчас оценивается как разная (за последние три 11-летних солнечное пятно циклов) примерно на 0,1%; [5] видеть солнечная вариация для подробностей.

Исторические измерения

В 1838 г. Клод Пуийе сделал первую оценку солнечной постоянной. Используя очень простой пиргелиометр он разработал, он получил значение 1,228 кВт / м², [6] близко к текущей оценке.

В 1875 г. Жюль Виоль возобновил работу Пуийе и предложил несколько большую оценку 1,7 кВт / м², частично основанную на измерении, которое он сделал из Монблан во Франции.

В 1884 г. Сэмюэл Пирпон Лэнгли попытался оценить солнечную постоянную из Гора 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 / м², было слишком большим.


Болограф Лэнгли 1903 года с ошибочной солнечной постоянной 2,54 калорий в минуту на квадратный сантиметр.

Между 1902 и 1957 годами измерения Чарльз Грили Эббот и другие на различных высотных объектах обнаружили значения от 1,322 до 1,465 кВт / м². 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 / м²), что, по-видимому, связано с Солнцем, а не с атмосферой Земли. [7]

В 1954 году солнечная постоянная была оценена как 2,00 кал / мин / см. 2 ± 2%. [8] 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 / м² в начале января до 1,321 кВт / м² в начале июля) из-за различного расстояния Земли от Солнца, и обычно на намного меньше, чем 0,1% изо дня в день. Таким образом, в целом земной шар (который имеет поперечное сечение 127 400 000 км²), мощность 1,730 × 10 17 W (или 173 000 тераватты), [9] плюс-минус 3,5% (половина годового диапазона примерно 6,9%). Солнечная постоянная не остается постоянной в течение длительных периодов времени (см. Солнечная вариация), но в течение года солнечная постоянная меняется намного меньше, чем солнечная освещенность, измеренная в верхней части атмосферы. Это связано с тем, что солнечная постоянная оценивается на фиксированном расстоянии 1 Астрономический блок (AU), в то время как солнечное излучение будет зависеть от эксцентриситет орбиты Земли. Его расстояние до Солнца ежегодно колеблется в пределах 147,1 · 10 6 км в перигелий и 152,1 · 10 6 км в афелий. 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 · RE²), но по мере его вращения эта энергия распределяется по всей площадь поверхности (4 · π · RE²). 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 / м²). Сумма, достигающая поверхности Земли (как инсоляция) дополнительно уменьшается за счет атмосферного ослабления, которое меняется. В любой момент количество солнечной радиации, получаемой в определенном месте на поверхности Земли, зависит от состояния атмосферы, широта, и время суток.

Видимая величина

Солнечная постоянная включает все длины волн солнечного электромагнитного излучения, а не только видимый свет (видеть Электромагнитный спектр). Это положительно коррелирует с кажущаяся величина Солнца, что 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

В угловой диаметр Земли, если смотреть с Солнца, составляет примерно 1/11 700 радианы (около 18 угловые секунды), имея в виду телесный угол Земли, если смотреть с Солнца, составляет примерно 1/175000000 стерадиан. Таким образом, Солнце излучает примерно в 2,2 миллиарда раз больше радиации, чем улавливает Земля, другими словами, примерно 3,846 × 10 26 Вт. [10]

Прошлые изменения солнечного излучения

Космические наблюдения солнечной радиации начались в 1978 году. Эти измерения показывают, что солнечная постоянная непостоянна. Это зависит от 11-летнего солнечного пятна. солнечный цикл. Когда мы возвращаемся в прошлое, нужно полагаться на реконструкции освещенности с использованием солнечных пятен за последние 400 лет или космогенных радионуклидов за последние 10 000 лет. Такие реконструкции показывают, что солнечное излучение изменяется с определенной периодичностью. Это следующие циклы: 11 лет (цикл Швабе), 88 лет (цикл Глейсберга), 208 лет (цикл ДеВриза) и 1000 лет (цикл Эдди). [11] [12] [13] [14] [15]

В течение миллиардов лет Солнце постепенно расширяется и излучает больше энергии с большей площадью 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 текущего значения, известен как слабый парадокс молодого Солнца.

Вариации из-за атмосферных условий

Не более 75% солнечной энергии действительно достигает поверхности Земли, [16] поскольку даже при безоблачном небе он 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 / м² при перистых облаках до 1025 Вт / м² при ясном небе.

Со́лнечная постоя́нная — суммарный поток солнечного излучения, проходящий за единицу времени через единичную площадку, ориентированную перпендикулярно потоку, на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца вне земной атмосферы. По данным внеатмосферных измерений солнечная постоянная составляет 1367 Вт/м², или 1,959 кал/см²·мин.

Содержание

Инструментальные измерения солнечной постоянной


Данные прямых измерений солнечной постоянной 1978—2003 гг. Различные цвета соответствуют данным различных спутниковых экспериментов.

Прямые инструментальные измерения солнечной постоянной стали производиться с развитием внеатмосферной астрономии, то есть с середины 1960-х, при проводившихся ранее наблюдениях с поверхности Земли приходилось вносить поправки на поглощение солнечного излучения атмосферой.

Вариации солнечной постоянной

Солнечная постоянная не является неизменной во времени величиной. Известно, что на её величину влияют два основных фактора: расстояние между Землей и Солнцем, изменяющееся в течение года по причине эллиптичности орбиты Земли (годичная вариация 6,9 % — от 1,412 кВт/м² в начале января до 1,321 кВт/м² в начале июля) и солнечная активность. Это влияние обусловлено, в основном, изменением потока излучения при изменении числа и суммарной площади солнечных пятен, при этом поток излучения меняется сильнее всего в рентгеновском и радиодиапазоне. Поскольку период прямых измерений солнечной постоянной относительно невелик, то её изменение на протяжении 11-летнего цикла солнечной активности (цикла Швабе), по-видимому, не превышает ~10 −3 , доля изменчивости в оптическом диапазоне, обусловленная вкладом солнечных пятен, оценивается ~10 −4 . Для оценки вариаций солнечной постоянной в течение более длительных солнечных циклов (циклы Хейла, Гляйсберга и пр.) данные прямых измерений отсутствуют.

В соответствии с современными моделями развития Солнца, в долгосрочной перспективе его светимость будет возрастать примерно на 1 % за 110 миллионов лет [1] .

Влияние на климат Земли и косвенные методы измерения

Долгопериодические вариации солнечной постоянной имеют большое значение для климатологии и геофизики: несмотря на несовершенство климатических моделей, расчётные данные показывают, что изменение солнечной постоянной на 1 % должно привести к изменению температуры Земли на 1—2 K.

Световая солнечная постоянная

СО́ЛНЕЧНАЯ ПОСТОЯ́ННАЯ, по­ток из­лу­че­ния Солн­ца, про­хо­дя­щий че­рез еди­нич­ную пло­щад­ку, пер­пен­ди­ку­ляр­ную на­прав­ле­нию лу­чей, на рас­стоя­нии 1 а. е. от Солн­ца. Эта ве­ли­чи­на счи­та­лась по­сто­ян­ной, по­ка из­ме­ре­ния про­во­ди­лись лишь с по­верх­но­сти Зем­ли. По дан­ным вне­ат­мо­сфер­ных из­ме­ре­ний ус­та­нов­ле­но, что С. п. за­ви­сит от сол­неч­ной ак­тив­ности ; ср. зна­че­ние С. п. со­став­ля­ет 1367,6 Вт/м 2 . При по­яв­ле­нии на дис­ке Солн­ца сол­неч­ных пя­тен по­ток из­лу­че­ния умень­ша­ет­ся, при воз­ник­но­ве­нии фа ­ке­лов – уве­ли­чи­ва­ет­ся (ам­пли­ту­да со­став­ля­ет 4 Вт/м 2 ). Ам­пли­ту­да цик­лич. из­ме­не­ний по­то­ка из­лу­че­ния (в пре­де­лах сол­неч­но­го цик­ла ) со­став­ля­ет ок. 1,4 Вт/м 2 (в эпо­ху мак­си­му­ма сол­неч­ной ак­тив­но­сти по­ток из­лу­че­ния наи­боль­ший). Зная С. п., мож­но оце­нить пол­ный по­ток из­лу­че­ния Со­лн­ца во всех на­прав­ле­ни­ях – све­ти­мость Солн­ца (3,846·10 26 Вт).

1. Что такое солнечная постоянная? Как её определили?

Измерения за пределами земно атмосферы показали, что на площадь 1 м$^2$, расположенную перпендикулярно солнечным лучам, ежесекундно поступает 1,37 кВт энергии. Эта величина практически не меняется в течении длительного промежутка времени, поэтому она получила название солнечной постоянной. Максимум солнечного излучения приходится на оптический диапазон.

2. Что понимают под светимостью Солнца? Чему она равна?

Светимость Солнца, или полное количество энергии, излучаемое Солнцем по всем направлениям в единицу времени, определим следующим образом: величину солнечной постоянной умножим на площадь сферы с радиусом $r$ в одну атмосферную единицу $(1\, а.е. = 149.6·10^5\, м).$ Она получается равно:

3. Какие химические элементы являются преобладающими для Солнца?

Анализ спектральных линий показал, что преобладающим элементом на Солнце является водород — на его долю приходится свыше 70% массы Солнца, около 25% приходится на гелий и около 2% на другие элементы.

4. Опишите внутреннее строение Солнца.

  1. Солнечное ядро.
  2. Зона лучистого равновесия.
  3. Конвективная зона Солнца.

5. На какие зоны условно подразделяются недра Солнца? Какие процессы происходят в каждой из этих зон?

В центре Солнца находится ядро. На расстояниях до 0.3 радиуса от центра создаются условия, благоприятные для протекания термоядерных реакций слияния атомов лёгких химических элементов в атомы более тяжёлые. Из ядер водорода образуется гелий. Выделяющаяся энергия поддерживает излучение Солнца. Выделяющаяся энергия через слои, окружающие центральную часть звезды, передаётся наружу. В области 0.3 до 0.7 радиуса от центра Солнца находится зона лучистого равновесия энергии, где энергия распространяется через поглощение и излучение $γ$-квантов.

На протяжении последней трети радиуса Солнца находится конвективная зона. Здесь энергия передаётся не излучением, а посредством конвекции (перемешивания). Конвективная зона простирается практически до самой видимой поверхности Солнца — фотосферы.

6. Что является источником солнечной энергии?

В солнечном ядре протекают термоядерные реакции. Из ядер водорода образуется гелий. Для образования одного ядра гелия требуется 4 ядра водорода. На промежуточных стадиях образуется ядра тяжёлого водорода (дейтерия) и ядра изотопа $\mathrm.$ Эта реакция называется протон-протонной. При реакции небольшое количество массы реагирующих ядер водорода теряется, преобразуясь в огромное количество энергии. Выделяющаяся энергия поддерживает излучение Солнца.

Читайте также: