Terestričko sunčevo zračenje. Raspodjela topline i svjetlosti na Zemlji
Koje regije primaju ovisi o položaju Zemlje u odnosu na Sunce. O promjeni ovog položaja ovisi i promjena godišnjih doba – otklon zemljine osi od okomice. Zimi (sjeverna hemisfera) Zemlja je bliža Suncu nego ljeti i prima 7% više, no to je uravnoteženo utjecajem nagiba zemljine osi, kao i rasporedom kopna i oceana i dr. čimbenici.
Jedna zraka sadrži dovoljno energije za stvaranje
Zrake su prirodni fenomen koji nas prati, fascinira i plaši otkako postojimo na planeti. Još uvijek ih uopće ne možemo objasniti, ali znamo - ili mislimo da znamo - ponešto o njima. Putuju brzinama do 000 kilometara na sat i padaju na Zemlju više od 17 milijuna puta dnevno, odnosno otprilike 200 puta u sekundi.
U Sjedinjenim Državama dostižu 400 ljudi godišnje. Ljude grom pogađa deset puta češće nego što bi po zakonima slučajnosti trebao biti. Šest je puta veća vjerojatnost da će muškarce pogoditi grom nego žene. Opasno je stajati pod stablom za vrijeme oluje jer ako ga udari grom, sok proključa i stablo eksplodira i puca na sve strane. Hrastovi, topole i obični bor najopasnije su drveće. . Jedan mit je da zrake uvijek padaju na najviši dio zgrada.
Površina kopna se zagrijava i hladi brže od površine vodenih tijela. Čak i letimičan pogled na kartu svijeta pokazuje da je većina kopna koncentrirana na sjevernoj hemisferi, a većina vodene površine na južnoj hemisferi.
Tako se promjena udaljenosti između Zemlje i Sunca u godišnjem ciklusu pokazuje tek sekundarnim razlogom promjene godišnjih doba.
No, pokazalo se da to nije tako. To je zato što zrake ne padaju uvijek: ponekad napuste zemlju i odu na nebo. Te su zrake poznate kao uzlazne zrake, a iako su znanstveno dokumentirane već dugo vremena, napredak u fotografiji omogućio je posljednjih godina uči bolje, ali i dalje čuvaj tajne.
Na primjer, 90% zraka koje dopiru do Empire State Buildinga u New Yorku ide prema gore. Zapravo, ne razumijemo u potpunosti fenomen munje. Znamo da se javljaju kada se statički elektricitet nakuplja u oblacima, ali ne znamo što to znači.
Zbog promjene položaja Zemlje u odnosu na Sunce, njezina najveća visina iznad horizonta, podne, postupno se mijenja tijekom godine. Ova promjena izravna je posljedica rotacije Zemlje oko Sunca i nagiba njezine osi.
Takozvani tropi su one geografske širine najudaljenije od ekvatora na kojima Sunce u podne može biti u zenitu, odnosno neposredno iznad glave promatrača. 21. lipnja Sunce je u podne u zenitu točno iznad sjevernog tropa. Na današnji dan - dan ljetni solsticij- Na sjevernoj hemisferi počinje ljeto. U podne 21. prosinca Sunce je u zenitu nad južnim tropima. Na današnji dan - zimski solsticij - počinje zima na sjevernoj hemisferi. Dakle, zima na sjevernoj hemisferi počinje 21. prosinca, kada je sjeverni kraj Zemljine osi usmjeren u smjeru suprotnom od Sunca. Ljeto počinje oko 21. lipnja, kada je sjeverni kraj zemljine osi usmjeren prema Suncu.
Zvona usred oluje
Mjerenja ovog električnog polja napravljena iz zrakoplova i baloniČini se da pokazuje da je premalena za pokretanje zrake: 10 puta manja nego što teoretski modeli pokazuju da bi trebala biti. Svi igrači domaće momčadi su preživjeli. . Kad bi nastupilo nevrijeme, zvona bi išla na najbliži zvonik, koji je bio na najvišem mjestu u gradu.
Sada se vjeruje da je iz tog razloga to bilo najgore mjesto.
- Uvjeren da je to Božji znak, zavjetovao se da će postati redovnik.
- Dva tjedna kasnije to je učinio i ušao u povijest kao inspirator luteranstva.
Na putanji Zemljine orbite oko Sunca postoje još dvije važne točke koje se nalaze otprilike na pola puta između solsticija. Oko 23. rujna i oko 21. ožujka Sunce je u podne u zenitu točno iznad ekvatora. Ova dva datuma označavaju početak jeseni, odnosno proljeća na sjevernoj hemisferi. Danas Zemljina os još uvijek zauzima prijašnji položaj u odnosu na nebo, ali više nije nagnuta ni prema Suncu ni u suprotnom smjeru.
Počnimo s raspravom o nekim osnovama onoga što nazivamo zrakama. Znate li što je munja? Bez sumnje, raže su jedan od najveličanstvenijih fenomena prirode i apsolutno su smrtonosne za našu vrstu. Zraka ima višu temperaturu od površine, a njezini sjajni udarni valovi raspršeni su u svim smjerovima, što je čini prekrasnom lekcijom.
Munja je masivno elektromagnetsko pražnjenje koje nastaje neravnotežom u električnom naboju atmosfere. Nastaje za vrijeme grmljavine i leti u oblake, iz jednog oblaka u drugi ili iz oblaka na površinu zemlje. Primjera je dovoljno da raznese drvo u komade i da ih se boji. Snimio ju je amater na samo 5 metara udaljenosti. Sada zašto zrake padaju na drveće? Pa, nije čudno, stabla se ponašaju kao gromobrani. To se događa iz jednostavnog razloga što struja uvijek traži najviše slobodan put, onaj koji pruža najmanji otpor kad ga s oblaka spusti na zemlju.
Sjeverni trop se nalazi na 23°30"S geografske širine, a Južni trop na 23°30"J. w. Promatrajući točku najvišeg položaja Sunca na nebu svaki dan, možete primijetiti da se ta točka pomiče za 47° godišnje. Prikazani datumi početka sezone su približni i mogu varirati za dan ili dva jer su naša mjerenja vremena neprecizna.
Oni prenose različite tvari koje su iznimno važne za drvo, poput sokova, vode i mineralnih soli. Svi ovi elementi daju stablima posebnu vlažnost, čineći ih izvrsnim vodičima za električno pražnjenje zraka. Stablo na putu udara groma postaje puno bolji vodič od samog zraka, što olakšava dovršavanje kruga uzemljenja. Vrste kao što su hrastovi, borovci, smreke, topole, javorovi i jasenovi mnogo su skloniji smrti, ova visoka i visoka stabla nose velike količine vode u sebi, posebno tijekom ljeta.
Zbog nagnutog položaja zemljine osi, kut pod kojim sunčeve zrake padaju na Zemlju mijenja se tijekom godine. Kut pod kojim sunčeve zrake padaju na zemljinu površinu i duljina dnevnog svjetla izravno određuju sezonske promjene stanja atmosfere.
U ljetno poslijepodne, kada je upadni kut sunčevih zraka najbliži izravnom, po jedinici površine Zemljina površina najviše velika količina solarna energija. Zimi, kada se kut između snopa sunčeve svjetlosti i zemljine površine smanjuje, dolazak po jedinici površine se smanjuje. Stoga se zemljina površina zimi manje zagrijava nego ljeti.
Vrlo zanimljivo, zar ne? Jeste li ikada svjedočili nečemu ovakvom? Svaki dan Zemlju udari oko osam milijuna munja, oko tisuću svake minute. Ali jedva dodajte četvrtinu svih zraka koje proizvode dvije tisuće oluja koje su istovremeno aktivne u različitim dijelovima planeta, oko tisuću dnevno.
Zraka se počinje formirati kada se vrući zrak iz nižih slojeva atmosfere digne i dosegne vodene oblake smještene u višim, hladnijim slojevima. To stvara trenje u vodi i česticama leda koje tvore oblake, uzrokujući odvajanje pozitivnih i negativnih naboja.
Upadni kut sunčevih zraka u podne na horizontalnu zemljinu površinu može se izračunati tako da se nađe dodatak do 90° na razliku između geografske širine određenog mjesta i geografske širine na kojoj je Sunce u svom zenitu u podne. toga dana. Što je taj kut manji, manja je insolacija, odnosno količina sunčeve energije koju prima zemljina površina. Insolacija je izravno proporcionalna kutu pada sunčeve svjetlosti na zemljinu površinu.
Još uvijek ne znamo dobro kako, ali zbog ovog trenja, manje čestice koje čine oblake su pozitivno nabijene i dižu se uz vjetar. Umjesto toga, negativni naboji se nakupljaju u većim, težim česticama koje zauzimaju dno oblaka i koje žele ići gdje god žele. Ako je akumulacija negativnih naboja u podnožju oblaka dovoljno velika, dolazi do oslobađanja negativnih čestica koje konvergiraju iz oblaka prema površini Zemlje koja ima pozitivan naboj – one također mogu "skočiti" na drugo područje od oblaka. isti oblak ili različiti oblaci, što je najčešće. Padalište kruži zrakom brzinom većom od 000 km na sat, tražeći najbolje vodljive zone. Kada pražnjenje detektira visoku strukturu ili se približi njenom podnožju, stvara se povratni tok pozitivnih čestica, koje na svom putu duž putanje koju otvara snop proizvode munje gotovo brzinom svjetlosti. Ovaj povratni električni udar vidljiv je kao intenzivan sjaj i traje jedva trenutak. U većini slučajeva trajanje munje je manje od pola sekunde, a prosječna veličina je manja od 5 cm u promjeru. Jedno pražnjenje može doseći 30 milijuna volti i 000 ampera.
Razmatrajući utjecaj nagiba zemljine osi na dolazak , uočavamo i činjenicu da je Zemlja okružena atmosferom. Da bi dosegla zemljinu površinu, strujanje mora proći kroz različite slojeve zraka u različitim godišnjim dobima. Zimi, kada je upadni kut sunčevih zraka mali, one prolaze kroz veću debljinu atmosfere nego ljeti. To značajno slabi protok solarno zračenje te smanjuje njegovu količinu koja dospijeva na površinu zemlje. Ljeti, kada je Sunce u podne visoko, njegove zrake putuju kraćim putem u atmosferi i stoga nisu toliko oslabljene kao zimi.
Velika električna oluja "može pohraniti više energije nego što je sadržano u atomskoj bombi", Znanost o munjama, grmljavini i olujama. Munje također proizvode gromove. Vrući zrak iznenada se širi, njegov volumen se povećava brzinom većom od zvuka.
No nakon dodira s okolnim hladnim zrakom, masa vrućeg zraka se hladi i skuplja, iznenada stvarajući zvučni udarni val koji nazivamo grmljavinom. Solarna energija jedan je od glavnih izvora obnovljive energije. Pojam "solarna energija" odnosi se na proizvodnju toplinske i električna energija dobivenih pomoću sunčeve svjetlosti. Sunce zrači oko 180 bilijuna kilovata zračenja na naš planet. Dio sunčeve svjetlosti reflektira atmosfera prema svemiru.
Duljina dana također utječe na insolaciju u različito doba godine. Ljeti su dani duži nego zimi, pa je i dotok sunčevog zračenja na zemljinu površinu ljeti veći. Na primjer, u New Yorku na dan ljetnog solsticija duljina dana doseže 15 sati, ali na dan zimskog solsticija je gotovo upola manja. Ovo je najkraći dan u godini*. Ovisno o dobu godine, svaki sljedeći dan je kraći ili, obrnuto, duži od prethodnog.
Solarna energija: Osnovne tehnologije
Sve u svemu, postiže Zemljina površina oko 1 kilovat solarne energije po četvorni metar. Stvorena energija sunčeve zrake, može se koristiti pomoću različitih obnovljivih tehnologija kao što su solarni paneli. Fotonaponski solarni panel izravno pretvara sunčevu energiju u električnu pomoću fizička svojstva neki poluvodiči kada su stimulirani sunčevom svjetlošću.
Ovo je tehnologija koja može uhvatiti Termalna energija sunčeve zrake za grijanje Vruća voda koji se nalazi u spremniku kroz izmjenjivač topline. Koncentracija solarne ploče hvata sunčeve zrake kroz sustav paraboličkih zrcala s linearnom strukturom, koja su fokusirana u jednoj točki gdje teče rashladna tekućina ili kotao. Sunčeva energija je ogromna i smatra se obnovljivim i neiscrpnim izvorom energije u ljudskim vremenskim okvirima. Za razliku od fosilnih izvora energije, solarna energija se smatra neiscrpnom jer se temelji na konceptu protoka umjesto vrijednosti.
Dakle, nagib zemljine osi određuje djelovanje tri važna čimbenika, koji pak utječu na promjenu godišnjih doba. Zbog manjeg upadnog kuta zraka, intenzitet sunčevog zračenja zimi je manji nego ljeti. Dužina dana ljeti je duža od dužine noći, pa je količina zračenja primljena danju veća od njegovog gubitka noću. I na kraju, slabljenje sunčevih zraka zimi je jače nego ljeti, budući da u prvom slučaju zrake prolaze dulji put u atmosferi.
Iskorištavanjem sunčeve energije ne smanjuje se njena buduća raspoloživost u smislu protoka. Međutim, solarna energija također je povremeni izvor i nije koncentrirana, što su dvije karakteristike koje predstavljaju prepreke eksploataciji velikih razmjera. Trenutno se solarna energija uglavnom koristi za proizvodnju tople vode i električne energije. Solarni paneli a solarna energija također se koristi u zrakoplovnoj industriji za opskrbu električnom energijom za satelite, svemirska letjelica ili svemirske stanice.
SOLARNA ENERGIJA
Neznatan sadržaj kisika u Suncu znači da je proces izgaranja u uobičajenom smislu nemoguć. Kolosalna energija koja se nakuplja na Suncu nastaje iz interakcije kemijski elementi. Vodik stupa u interakciju s helijem, nakon čega dolazi do oslobađanja fuzijske energije.
U budućnosti bi se također mogao implementirati solarni orbitalni centar za prikupljanje sunčevih zraka izravno u svemiru i prijenos energije na površinu Zemlje. Sunčeva energija je “majka” izvor svih izvora energije na Zemlji i izvor je primarne energije. Izravno ili neizravno, svi izvori energije proizašli iz sunčeve aktivnosti i sam život ne bi postojali na našem planetu. Razmislite samo o energiji, bez sunca ne bi bilo kontinuiranog kretanja zračnih masa i ne biste mogli imati koristi od energije vjetra.
U procesu stvaranja energije Sunce gubi na masi 43 kg u sekundi. Ako bi Sunce neprekidno sjalo 10 milijardi godina, tada bi za to vrijeme izgubilo samo 0,07% svoje mase. Sve dok je vodik dostupan, ovaj se obrazac može nastaviti, prema izračunima, neprekidno 10 milijardi godina.
Sunčeve zrake koje dopiru do površine Zemlje dijele se na dvije vrste: izravne i difuzne.
Ne bi bilo života, a time ni fosilnih goriva, kiše, povrća i tako dalje. Sunčevo zračenje je fotosintezom stvorilo idealne uvjete za život biljaka. Bez energije fosilnog sunca pohranjene u ugljenu, nafti i plinu, čovjek ne bi mogao ući u proces industrijske revolucije vlastitog društva.
Za i protiv solarne energije
Energija koju stvara sunce ima svoje prednosti i nedostatke. Prednosti su uglavnom koncentrirane na smanjenje utjecaja na okoliš te mogućnost korištenja višegodišnjeg izvora sunčeve energije. Međutim, nedostaci su tipični jaz koji karakterizira gotovo sve obnovljive energije i disperzija sunčeve energije po površini Zemlje.
Izravne Sunčeve zrake su, kako i samo ime kaže, zrake koje izravno s površine Sunca dopiru do površine Zemlje. Snaga izravnog sunčevog zračenja ovisi o čistoći (bistrini) atmosfere, visini Sunca iznad horizonta (ovisno o geografskoj širini i dobu dana), kao i o položaju površine u odnosu na Sunce.
Tropik Jarca je paralela sa Zemljom koja se nalazi na približno 23,5° južne geografske širine. Povezuje najjužnije točke, odnosno područja koja se nalaze bliže jugu Zemlje, prema kojima sunčeva svjetlost jednom godišnje skrene u zenit. Dakle, Tropik Jarca je jedna od nekoliko imaginarnih linija koje se horizontalno kreću po zemaljskoj kugli. Ove referentne linije mogu se smatrati pojasevima koji okružuju Zemlju na različitim visinama, a koji postaju sve manji kako se približavaju polovima.
Paralela koja se koristi kao početna točka za postavljanje ostalih je ekvator, kružna linija koja horizontalno kruži Zemljom, dijeleći je na dvije polovice ili hemisfere. Dakle, Tropik Jarca je zamišljena referentna linija koja se nalazi na južnoj Zemljinoj polutki. Konkretno, ova linija ima približnu širinu od -23,5° u odnosu na ekvator, uzimajući u obzir da geografska širina mjeri udaljenost na kojoj se zemljopisna točka nalazi u odnosu na ekvator.
Raspršene sunčeve zrake dolaze iz gornje atmosfere i ovise o načinu odbijanja izravnih sunčevih zraka od Zemlje i okoliša. Zbog opetovanog procesa refleksije između snijegom prekrivene površine Zemlje i donje strane oblaka, snaga raspršenog sunčevog zračenja može doseći velike vrijednosti.
Sunčeve zrake nose sa sobom neiscrpan protok energije. One stalno isporučuju Zemlji više energije nego što nam je danas potrebno
Gustoća sunčevih zraka u prostoru iznosi približno 1,4 kW/m2. Od toga se oko 30% reflektira natrag u svemir, a da uopće ne stigne do Zemlje. Na površini Zemlje gustoća sunčevih zraka iznosi 1 kW/m2. Sunčeva energija koja dospije na površinu Zemlje sa sobom nosi toplinu, isparava vodu, stvara vjetar i kretanje vode u morima te daje život biljkama.
Ta sunčeva energija koja nije izravno apsorbirana na Zemlji reflektira se u svemir. Zemlja je u konstanti toplinska ravnoteža sa svojom okolinom. Da se to ne dogodi, Zemlja bi se sve više zagrijavala i kao rezultat toga bilo kakav život na njoj bi bio nemoguć. Dijagram prikazuje godišnju proizvodnju sunčeve energije. Kao što vidite, najtoplija mjesta na sjevernoj hemisferi nalaze se na jugozapadu Sjedinjenih Država, u Sahari i oko Perzijskog zaljeva. Na tim mjestima godišnje zračenje sunčeve energije iznosi 800 relativnih jedinica. Švedska i sjeverna Europa primaju godišnju radijaciju jednaku 400 relativnih jedinica, tj. polovicu onoga što se događa na najtoplijim mjestima na Zemlji. Postoji jasna razlika u količini sunčevog zračenja između sjevernih i južnih regija Švedske. Može se primijetiti da za regiju Luleå (sjeverna Švedska) u prosincu i siječnju stupanj sunčevog zračenja pada na nulu.
Rezerve energije su velike, ako ne i neograničene. Problem je što najviše sunčeve energije dobivamo ljeti, tada nam je najmanje potrebna. Zimi, kada nam je potrebna velika količina energije, Sunce sija samo kratko tijekom dana, i to pod niskim kutom.
Situacija je ovakva: ljeti - velika količina energije - male potrebe. Zimi ima malo energije, ali, naprotiv, ogromne potrebe. Odgovor je jednostavan: ljeti trebamo akumulirati energiju i koristiti je zimi. Kako to učiniti? Provedeno je mnogo istraživanja kako bi se pronašao pravi put. Predlažu se dvije vrste akumulacije. Prvo, skladištenje topline korištenjem npr. solarni paneli. U ovom slučaju želimo zadržati toplinu nekoliko dana, možda tjedana. Drugo, akumulacija energije, kada trebamo transportirati njezine rezerve iz jedne sezone u drugu, nacionalni je problem.
Nešto pojednostavljeno, možemo reći da je prijenos zaliha energije iz jednog vremena u drugo problem skladištenja energije.
Dijagram () prikazuje naše energetske potrebe, a dijagram (stranica 38) prikazuje količinu solarne energije koja nam se isporučuje. Kad bi bilo moguće 100% iskoristiti sunčevu energiju prema našim potrebama u ljetnoj polovici godine, tada bismo, bez obzira na sve, mogli trošiti samo neznatan dio sunčevog zračenja koje pada na Zemlju (potpuno zasjenjeno područje u dijagram, vidi stranicu 39).
U zimskoj polovici godine naše potrebe za energijom su velike i mogu se samo djelomično pokriti sunčevom energijom.
Bilo bi dobro da Švedska malu količinu energije koju trošimo u ljetnoj polovici godine nadoknadi energijom dobivenom direktno od Sunca ili energijom vjetra. Time bi se uštedjelo puno hidro resursa i nafte koja se koristi za proizvodnju energije ljeti. A bilo bi još bolje da dio količine energije koju primimo tijekom ljetne polovice godine dobijemo mogućnost pohraniti.
U različito doba godine Sunce je na različitim udaljenostima od Zemlje. Ljeti u 12 sati Sunce je na najvišoj točki. Zimi se sunce jedva diže iznad horizonta.
Ideja grijanja stambenih prostora pomoću sunca nije nova. Jedna od najstarijih građevina koja je preživjela do danas, a koja jasno pokazuje kako su ljudi praktično koristili energiju Sunca, nalazi se u Arizoni (SAD). Dvorac Montezuma još uvijek je jedina, možda jedna od najboljih zgrada s toplinskom regulacijom. Smještena je unutar goleme nadvisene bijele kamene litice uza južni zid. Tijekom vrućih ljetnih mjeseci, prednju stranu zgrade zaklanja potpuno nadvišena stijena. Zidovi se ne zagrijavaju na izravnoj sunčevoj svjetlosti, a sobe na svih sedam panela kuće su hladne. Zimi, kada je Sunce nisko, prednji zid zgrade u potpunosti prima izravne upadne zrake i njihovu energiju. Prednja strana zgrade se zagrijava dok sunce sja, a nakon što zađe, toplina se još dugo zadržava.
Istraživanja su utvrdila da se dvorac Montezuma počeo graditi u 7. stoljeću, a iz nepoznatih razloga ljudi su ga napustili u 1300. godini. Ljudi su se tamo ponovno pojavili tek 1600-ih, kada su prvi Španjolci iz Meksika stigli do obala Arizone i Kalifornije.
Godine 1901.-1904. počeo djelovati. Po iznutra Reflektor je sadržavao 1000 zrcala. Oni su reflektirali i koncentrirali sunčevu energiju na kotao (kotao). Reflektor je automatski pratio kretanje Sunca po nebu. Ova stanica služila je za pumpanje vode u umjetno navodnjavano područje.
Već krajem 19.st. Proveden je eksperiment sa strojem na solarni pogon. Švedski izumitelj Erinson predstavio je model solarnog stroja, koji međutim nije našao praktičnu primjenu. Ali poslužio je kao prototip za stvaranje drugih strojeva iste vrste.
