Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Спектр солнечного излучения в верхней части атмосферы в линейном масштабе и график зависимости от волнового числа .

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 виды солнечного излучения, а не только видимый свет . 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 . [1]

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. [2] Миллиарды лет назад он был значительно ниже .

Эта константа используется при расчете радиационного давления , что помогает в расчете силы, действующей на солнечный парус .

Расчет [ править ]

Солнечная освещенность измеряется спутниками над атмосферой Земли , [3] и затем корректируется с использованием закона обратных квадратов , чтобы вывести величину солнечной радиации на одной астрономической единице (а.е.) для оценки солнечных постоянная. [4] Приведенное приблизительное среднее значение [1] 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%; [5] см. Солнечную вариацию для деталей.

Исторические измерения [ править ]

В 1838 году Клод Пуйе сделал первую оценку солнечной постоянной. С помощью очень простого пиргелиометра он разработал, он получил значение от 1,228 кВт / м 2 , [6] близко к текущей оценке.

В 1875 году Жюль Виоль возобновил работу Пуийе и предложил несколько большую оценку в 1,7 кВт / м 2, частично основанную на измерении, которое 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.

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

В период с 1902 по 1957 годы 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. [7]

В 1954 г. 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 [ править ]

Солнечное излучение [ править ]

Основная статья: Солнечное излучение
Смотрите также: Энергетический бюджет Земли

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 ) [9] 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 меняется 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 зависит 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 каком-либо месте на поверхности Земли, зависит от состояния атмосферы, местоположенияширота и время суток.

Видимая величина [ править ]

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 [ править ]

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. [10]

Прошлые изменения солнечной освещенности [ править ]

Космические наблюдения солнечной радиации начались в 1978 году. Эти измерения показывают, что солнечная постоянная непостоянна. Оно меняется в зависимости от 11-летнего солнечного цикла . Если вернуться в прошлое, нужно полагаться на реконструкции освещенности, используя солнечные пятна за последние 400 лет или космогенные радионуклиды 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). [11] [12] [13] [14] [15]

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 [ править ]

Не более 75% солнечной энергии действительно достигает поверхности Земли [16], 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.

См. Также [ править ]

  • Формирование и эволюция Солнечной системы
  • Освещенность
  • Список статей, связанных с Солнцем
  • Список солнечных циклов
  • Радиационное давление
  • Солнечный ветер
  • Звездная эволюция
  • Солнце § Фазы жизни
  • Солнечный свет

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Копп, G .; Lean, JL (2011). «Новое, более низкое значение общей солнечной радиации: доказательства и климатическое значение» . Письма о геофизических исследованиях . 38 (1): н / д. Bibcode : 2011GeoRL..38.1706K . DOI : 10.1029 / 2010GL045777 .
  2. ^ http://lasp.colorado.edu/home/sorce/data/tsi-data/ Данные полной солнечной освещенности , SORCE
  3. ^ "Спутниковые наблюдения полной солнечной радиации" . acrim.com .
  4. ^ «Предупреждение о статусе NOAA» .
  5. ^ Уилсон, Ричард С .; HS Хадсон (1991). «Светимость Солнца за полный солнечный цикл». Природа . 351 (6321): 42–4. Bibcode : 1991Natur.351 ... 42W . DOI : 10.1038 / 351042a0 .
  6. ^ Измерение солнечного постоянная Клод Пулья , по JL Dufresne, La Météorologie Архивированных 2010-03-05 в Wayback Machine , № 60, стр. 36-43, февраль 2008.
  7. ↑  Одно или несколько предыдущих предложений включают текст из публикации, которая сейчас находится в общественном достоянии :  Sampson, Ralph Allen (1911). « Солнце ». В Чисхолме, Хью (ред.). Британская энциклопедия . 26 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. п. 87.
  8. ↑ Фрэнсис С. Джонсон (декабрь 1954 г.). «Солнечная постоянная» . Журнал метеорологии . 11 (6): 431–439. Bibcode : 1954JAtS ... 11..432J . DOI : 10.1175 / 1520-0469 (1954) 011 <0431: TSC> 2.0.CO; 2 .
  9. ^ Арчер, Д. (2012). Глобальное потепление: понимание прогноза . ISBN 978-0-470-94341-0.
  10. ^ «☀ Солнце - Образовательные факты и история звезды, которую мы называем Солнцем» . www.nineplanets.org . 26 сентября 2019.
  11. ^ Ван; и другие. (2005). «Моделирование магнитного поля и излучения Солнца с 1713 года» . Астрофизический журнал . 625 (1): 522–538. Bibcode : 2005ApJ ... 625..522W . DOI : 10.1086 / 429689 .
  12. ^ Steinhilber et al. (2009), Geophysical Research Letters, том 36, L19704, DOI : 10,1051 / 0004-6361 / 200811446
  13. ^ Виейра; и другие. (2011). «Эволюция солнечного излучения в голоцене». Астрономия и астрофизика . 531 : A6. arXiv : 1103.4958 . Bibcode : 2011A & A ... 531а ... 6В . DOI : 10.1051 / 0004-6361 / 201015843 .
  14. ^ Steinhilber; и другие. (2012). «9400 лет космической радиации и солнечной активности от ледяных кернов и годичных колец» . Труды Национальной академии наук . 109 (16): 5967–5971. Bibcode : 2012PNAS..109.5967S . DOI : 10.1073 / pnas.1118965109 . PMC 3341045 . PMID 22474348 .  
  15. ^ Виейра, LEA; Нортон, А .; Kretzschmar, M .; Шмидт, Джорджия; Чунг, MCM (2012). «Как наклон земной орбиты влияет на приходящую солнечную радиацию» (PDF) . Geophys. Res. Lett . 39 (16): L16104. Bibcode : 2012GeoRL..3916104V . DOI : 10.1029 / 2012GL052950 .
  16. ^ Рейманн, Ханс-Георг; Weiprecht, Juergen Kompendium für das Astronomische Praktikum