Сонячна константа - GRIN
Презентація/есе (шкільний) 2001 10 сторінок
Зразок для читання
Структура:
1. Сонце і сонячна постійна
2. Різні методи визначення сонячної константи
2. 1. Приклад експерименту 1 - Експеримент від руки
2. 2. Експериментальний приклад 2 - Визначення сонячної константи
2. 2. Приклад експерименту 3 - вимірювання сонячної константи
3-й експеримент - визначення сонячної константи
3. 1. Завдання
3. 2. Попередній перегляд
3. 3. Впровадження
3. 4. Таблиці виміряних значень
3. 5. Оцінка
3. 6. Розгляд помилок
1. Сонце і сонячна постійна
Енергія, яку сонце випромінює щогодини, щодня - і яку воно постійно випромінює, представляє не лише астрономічний інтерес, оскільки ця випромінювання визначає життя на землі. Життя на нашій планеті не було б можливим без сонця як джерела енергії. На даний момент те, чим світило сонце в минулому, використовується як джерело енергії: сира нафта, природний газ, деревина та вугілля.
Те, що випромінює сонце, досить важко виміряти з поверхні землі, оскільки земна атмосфера поглинає значну частину випромінювання навіть у видимому діапазоні навіть у найясніші дні у високих горах. Крім того, земна атмосфера абсолютно непроникна для ультрафіолетового та інфрачервоного випромінювання на великих територіях. Навіть при найретельнішій корекції цих ефектів вимірювання із земної поверхні зазнають помилок, які перевищують межу в один відсоток. Кілька десятиліть тому результати вимірювань відрізнялись до п'яти відсотків, і іноді, навіть якщо це було лише в рідкісних випадках, похибки вимірювань повідомлялись як справжні коливання потужності сонячного випромінювання.
Хоча сьогодні випромінювана енергія дається у ватах на квадратний метр, одиниця калорії на квадратний сантиметр і хвилина раніше були загальними. Обидва блоки можна легко об'єднати один з одним. Калорія - це описова кількість: вона вказує на кількість тепла, яке один грам води прогріває на один градус. Поточна одиниця енергії - один джоуль, одиниця потужності - тобто енергія за час - один ват.
Точне визначення сонячної константи сьогодні: Сонячна константа - це енергетичний потік, що виходить від Сонця, який щосекунди проникає в одиницю площі (1 м²), орієнтовану перпендикулярно напрямку випромінювання на відстані 1 АЕ від Сонця.
Відповідно, справжню сонячну константу можна виміряти лише на землі.
Пізніші вимірювання потужності сонячного випромінювання проводились із супутників. Більш довга серія вимірювань, проведена на борту «Сонячної максимальної місії» (SMM) на початку 1980-х років, показала сонячну константу (на рівні моря) S = 1367 Вт на квадратний метр - перетворену на стару одиницю: 1,96 калорій на квадратний сантиметр і хвилину. Це відповідає поточній роботі конфорки на плиті або праски.
Однак це значення вже коливається на землі, на висоті 3400 м сонячна постійна становить, наприклад, 1,6 кВт/м2, оскільки атмосфера стає все рідшою і рідшою, а отже, поглинання стає все меншим і меншим. Поза земною атмосферою на орбіті біля Землі вона становить навіть 1,9 кВт/м².
У цьому контексті виникає цікаве питання: скільки квадратних метрів площі потрібно кожному громадянину для покриття всіх своїх енергетичних потреб? Статистика за 1992 рік показує загальне споживання 409 мільйонів тонн вугілля кам’яного вугілля на заході Німеччини. Це 6,3 тонни SKE на жителя або еквівалент 51 400 кіловат-годин на одного жителя на рік. Вартість 50 000 кіловат-годин набагато перевищує суму, яка з’являється на рахунках за електроенергію в домогосподарствах, оскільки вона включає все споживання промислової енергії. Включаючи це, протягом майже 8 800 годин року необхідна потужність, яка повинна бути доступною кожному громадянину за секунду, становить 5,9 кіловата. Сонце забезпечує 1,4 кіловата на квадратний метр, тому кожному громадянину для споживання енергії знадобиться площа 4,3 квадратних метра. Навіть у густонаселеній Німеччині, де понад 250 жителів на квадратний кілометр, кожному громадянину доступно 3800 квадратних метрів, тобто площа, яка майже в 1000 разів більша, ніж необхідна для споживання енергії.
Звичайно, ці цифри завищені, бо енергію використовує і нелюдина; день передбачався 24 години; не враховувалось, що деяка кількість енергії поглинається в атмосфері. Однак оцінка може показати, що енергії, випромінюваної сонцем, безумовно достатньо для задоволення всіх потреб людини назавжди. Для облаштування приймальних поверхонь для перетворення сонячної енергії в звичайні форми енергії знадобиться лише невелика частина доступного простору. Використання сонячної енергії буде проблемою для не надто далекого майбутнього, оскільки викопні джерела енергії обмежені, а ядерна енергія виявилася проблематичною. Тим не менше, екологічно чисті та регенеративні методи отримання енергії від сонця, сонячна теплова енергія та фотоелектричні елементи ще не придатні для покриття споживання енергії. Їх ефективність занадто низька, а споживання простору занадто велике
Можливо, одного разу ми отримаємо доступ до методу виробництва енергії, який Сонце використовує для отримання такої величезної кількості енергії, ядерного синтезу. Дослідники припускають, що перша електростанція ядерного синтезу на Землі вийде в експлуатацію приблизно через 30 років.
Але наскільки постійною є сонячна постійна, тобто енергія, яка постійно випромінюється до нас? Протягом тижнів і місяців коливання становлять менше одного на тисячу.
Більші короткочасні коливання, що складають кілька тисяч на тисячу, можна пояснити збільшеною частотою появи сонячних плям. Довгострокові наслідки неможливо достовірно довести. В межах одного циклу сонячних плям можуть бути незначні зміни - близько 0,1%. В контексті сьогоднішньої дуже високої точності вимірювань можна припустити, що сонячна константа є справжньою константою за умови, що наслідки еволюції зірок в діапазоні мільйонів або навіть мільярдів років можуть не враховуватися.
2. Різні методи визначення сонячної константи
Усі перелічені тут експерименти в основному слідують одній і тій же схемі. Тіло нагрівається або розігрівається сонячною радіацією, це зігрівання вимірюється і сонячна константа обчислюється на основі енергії, необхідної для нагрівання. Звичайно, точне значення сонячної константи неможливо визначити в жодному з наступних експериментів. Джерела помилок занадто серйозні для цього.
2. 1. Приклад 1 - Експеримент від руки для визначення сонячної константи
Перший експериментальний приклад, який я хочу додати тут, - це не експеримент, за допомогою якого можна точно визначити сонячну константу, це експеримент, в якому, як це не звично у фізиці, це залежить від почуттів і здогадок. Але це можна здійснити, використовуючи дуже мало ресурсів.
Вам потрібна перевірена людина, лампочка і сантиметрова лінійка. До того ж, звичайно, повинно світити сонце, мало б і вітру.
Реалізація: Досліджуваному дозволяється осяяти сонце на одній щоці. Інший освітлюється лампочкою. Лампа використовується для наближення до оголеної щоки, поки випробуваний не подумає, що обидві щоки нагріваються однаково. При цьому вона повинна тримати очі закритими.
Тепер виміряйте відстань r від центру лампи до щоки і відлічіть потужність P лампи розжарювання.
Зараз саме час підрахувати. Припустимо, що показана потужність лампи P = 60 Вт і виміряний радіус r = 7 см. Потім лампа опромінювала щоку з відстані 7 см так само сильно, як сонце на відстані 150 000 000 км. Він розподілив би свою силу рівномірно по площі кулі радіусом r = 7 см, яку ми уявляємо навколо лампи (щока обстежуваного є частиною цієї сферичної області). Ця сфера має площу поверхні
Лампа = 4 x p x r² = 4 x 3,14 x (7 см) ² = 615 см².
Оскільки обидві щоки нагрівалися однаково, сонце також могло б направити 60 Вт на приблизно 0,0615 м² площі збору.
Тепер за допомогою вимірювань можна підрахувати, яку потужність світить сонце на один квадратний метр земної поверхні.
Лампа P: Лампа = P сонце: 1 м²
Вставивши приклади значень і змінивши рівняння відповідно до P sun, ви отримуєте значення потужності сонця, яке також вказує на сонячну константу, оскільки, як було розраховано потужність на квадратний метр, становить 976 Вт/м² (для прикладних значень, вибраних тут).
2. 2. Приклад 2 - Визначення сонячної константи
Для другого експериментального прикладу потрібно значно більше і більше спеціалізованого обладнання, ніж для першого. Але цей експеримент також є більш науковим і дає більш точні значення.
Вам потрібна почорніла електрична плита, джерело напруги та вимірювальний прилад для напруги та один для струму.
Реалізація експерименту ділиться на дві спроби:
Дослід 1: Почорніла конфорка орієнтована перпендикулярно падаючому сонячному випромінюванню. Вимірюється спочатку зростаюча температура конфорки і реєструється рівноважна температура Т, яка остаточно встановлена.
Експеримент 2: Тепер пластину нагрівають електрично без впливу сонячного світла. Напруга встановлюється таким чином, що під час сонячного опромінення встановлюється та ж температура T, що і раніше. Після досягнення цього напруга та сила струму зчитуються з вимірювальних приладів.
Добуток напруги та сили струму дає електричну потужність Р, яка точно така ж, як і потужність, яка спричинила нагрівання пластини сонячним випромінюванням. Якщо область A конфорки відома, сонячна константа S - з відхиленням, обумовленим впливом земної атмосфери - отримується з S = P: A.
Звичайно, і в цьому експерименті вимірюється значення сонячної константи, яке нижче реального виходу сонця. Це знову можна пояснити атмосферним поглинанням, яке поглинає частину енергії. Але вітер може також мати руйнівний вплив на експеримент, оскільки він передає теплову енергію подалі від конфорки.
2. 3. Експериментальний приклад 3 - вимірювання сонячної константи
Цю спробу можна знайти в багатьох книгах з астрономії та фізики. Він розроблений таким чином, що його можна без проблем проводити на уроці.
Для цього експерименту вам потрібна наповнена водою колба Ерленмейера або подібний посудину, а також потрібен рідинний термометр.
Перш ніж проводити експеримент, необхідно провести певну підготовку. Спочатку визначається маса колби Ерленмейера, це необхідно для оцінки. Після цього необхідно визначити об’єм води, якою наповнена колба. Нарешті, дно колби Ерленмейера почорніло полум’ям або чимось подібним, і обчислюється її площа A.
Для цього: наповнена водою колба Ерленмейера, в яку занурений термометр, вирівняна до почорнілого дна, перпендикулярного падаючому сонячному випромінюванню. Надходить випромінювання майже повністю поглинається чорною областю А і призводить до однієї з тривалості експерименту? t залежне підвищення температури? Т води та колби. Таким чином, загальна енергія випромінювання S, що надходить у часі? T, повинна бути вимірюваною як збільшення теплової енергії води та колби:
де теплоємність C конструкції є результатом питомої теплоємності та маси води та скла:
Тому сонячну константу можна розрахувати за такою формулою:
Випробування, проведені таким чином, дають значення приблизно 1000 Вт/м2 для S.
Тут також слід враховувати, що частина сонячного випромінювання поглинається в атмосфері, а втрати енергії виникають під час проведення експерименту та налаштування експерименту, так що справжнє значення сонячної константи повинно бути встановлене вище.
3-й експеримент - визначення сонячної константи
3. 1. Завдання
Завдання полягало в тому, щоб якомога точніше виміряти сонячну константу за допомогою приладу, побудованого містером Кліком під час щорічної роботи в астрономії.
3. 2. Попередній перегляд
Перш за все, я опишу, як побудований прилад і що потрібно враховувати перед вимірами.
Пристрій складається з дерев’яного каркаса, який спроектований таким чином, щоб бути рухомим, щоб його можна було орієнтувати перпендикулярно сонячній радіації. На цій рамі є пластиковий циліндр, в якому є алюмінієвий балон, добре захищений від тепловтрат пінополістиролом, він чорний, щоб він міг поглинати велику частину енергії випромінювання. Ртутний термометр з дуже точною шкалою вимірює свою температуру. Перед вимірюванням через отвір для термометра подається трохи води; він служить тепловою муфтою між алюмінієм і термометром. Передня поверхня пластикового циліндра покрита світловідбиваючою плівкою, що відображає сонячне випромінювання, яке просвічує область за межами чорної області.
Перш ніж починати вимірювання, необхідно провести певну підготовку. Спочатку слід визначити масу та питому теплоємність алюмінієвого балона. Останнє можна знайти в кожній таблиці і становить: cAl = 0,9 кДж/(кг · К) -1. Оскільки точна інформація про структуру пристрою відсутня, визначення маси алюмінієвого циліндра було пов'язане з деякими проблемами та невідповідностями, що виникали в результаті. Після визначення об'єму розраховували масу mAl 116 г. Далі була визначена чорна область A площею A = 10 см² (перерахована для подальших розрахунків: A = 0,0010 м²).
На додаток до вимірювального приладу, для вимірювання різниці в часі t потрібен годинник.
3. 3. Впровадження
Перед кожним вимірюванням у прилад наливають трохи води (як описано вище). Зачекайте кілька хвилин, поки встановиться початкова температура T0. Потім пристрій вирівнюється перпендикулярно сонячній радіації, і годинник запускається. Якщо термометр показує підвищення температури на один градус, це буде різницею в часі? t встановлено. Потім пристрій вирівнюється перпендикулярно сонячній радіації, і годинник запускається. Коли термометр показує підвищення температури
3. 4. Таблиця виміряних значень
Рисунок не включений до цього витягу
Розраховані значення сонячної константи вже введені в таблицю з метою кращого огляду (для розрахунку див. Оцінку).
3. 5. Оцінка
Енергія випромінювання, що надходить, поглинається чорною областю А і призводить до підвищення температури? Т алюмінію в різниці в часі?.
Тому сонячну константу можна визначити за такою формулою:
Значення площі поверхні A чорної області, маси mAl алюмінієвого балона та теплоємності cAl алюмінію відомі з попереднього перегляду, а решта значення для початкової температури T0, різниці в часі? T та різниці температур? T можна взяти з таблиці виміряних значень. В якій ? T - різниця між моментом температури T та початковою температурою T0.
Середня сонячна константа SØ, визначена з усіх значень для S, дорівнює SØ =
1030 Вт/м², набагато більше навряд чи можна виміряти від Землі, і тому це прийнятне значення.
3. 6. Розгляд помилок
Джерела помилок у цьому експерименті різноманітні, такі як: Тепловіддача вітром, атмосферне поглинання та неточна маса алюмінієвого корпусу - деякі з них. Наскільки сильним є тепловіддача за допомогою вітру, можна побачити на невеликому прикладі: При сонячних ваннах, коли сонце сильно світить, незабаром на шкірі з’являється відчуття тепла, але як тільки з’являється невеликий вітер, це відчуття дуже швидко зникає. Оскільки алюміній є хорошим провідником тепла, він віддає теплову енергію так само швидко, як і поглинає її.
Крім того, пристрій витікав і втрачав воду, що означає додаткові втрати тепла.
Найбільш стійкий вплив на експеримент полягає в тому, що точні розміри серцевини пристрою, алюмінієвого циліндра, не були відомі.
Серія Бекше Вольфганг Меттіг - Підручник "Сонце" - базовий курс астрономії