p3 / НЕ 2.1. Лекця 10 Сонячне випромнювання

Лекція 10 .

Джерело енергії на Землі - Сонце. Сонце, зірка спектрального класу 2, жовтий карлик, дуже середня зірка за всіма своїми основними параметрами: масою, радіусом, температурою й абсолютною величиною. Але, ця зірка має одну унікальну особливість - це "наша зірка", і людство зобов'язане всім своїм існуванням цій "середній" за астрономічними поняттями зірці. Наше світило поставляє Землі потужність близько 2 • 10¹⁷ Вт - така "сила сонячного зайчика" діаметром 12.7 тис. км, який постійно освітлює повернуту до Сонця сторону нашої планети.

Інтенсивність сонячного світла на рівні моря в південних широтах, коли Сонце в зеніті, становить близько 1 кВт/м². Зовні Сонце являє собою газоподібну кулю радіуса 6955000 км з масою 1.98 • 10³⁰ кг. Таким чином, густина сонячної речовини становить 1.4 г/см³, що ненабагато більше густини води. Самими поширеними елементами на Сонці є водень (близько 70 % усієї маси Сонця) і гелій (більше 28%), усього ж спектральний аналіз сонячного випромінювання встановив наявність на Сонці більш ніж 70 різних хімічних елементів.

Джерелом енергії сонячного випромінювання служить термоядерна реакція [34,35]

4H¹₁ =He⁴₂ + Е, (2.1)

яка можлива завдяки величезному тиску, під яким перебуває водень усередині Сонця. Кожну секунду приблизно 6 • 10¹¹ кг H перетворюються в He. Дефект маси

4 • 1.008 г (Н) = 4.003 г (Не) + 0.029 г

при цьому становить 4 • 10⁹ кг, що приводить у відповідності до співвідношення Ейнштейна Е = mc² до виділення енергії, що складає порядку 3.8 • 10²⁶ Дж: (2.2)

де с = 3 10⁸ м /с - швидкість світла.

Основна частина цієї енергії випускається у вигляді електромагнітного випромінювання в діапазоні від ультрафіолетового до інфрачервоного. 99% енергії випромінювання Сонця припадає на інтервал довжин хвиль 100 - 4000 нм (мал.1.10). Повна маса Сонця в даний час становить приблизно 2 • 10³⁰ кг, що має забезпечити його достатньо стабільне існування приблизно з постійним виділенням енергії протягом понад 10 млрд. років.

Загальна потужність Q, яку випромінює Сонце в усіх діапазонах довжин хвиль в навколишній простір, становить 3.8 10²⁶ Вт. Однак в навколишньому просторі промениста енергія Сонця розсіюється пропорційно квадрату відстані до об'єкта L

( 2.3)

Для Землі відстань до Сонця приблизно складає 149500000 км (1.5 • 10¹¹ м), а середня густина променистої енергії на земній орбіті дорівнює 1370 Вт/м ². Ця величина називається сонячною постійною (константою)(Ф₀) [36,37].

Сонячний спектр поділяють на три області:

Ультрафіолетову ( 390 нм), на яку припадає 9% від всієї випромінюваної енергії; видиму (390 нм < 760 нм) – 47% всієї енергії та інфрачервону ( 760 нм) – 44%.

При проходженні через атмосферу сонячне світло послаблюється в основному завдяки поглинанню інфрачервоного випромінювання парами води, поглинанню ультрафіолетового випромінювання озоном і розсіювання випромінювання частинками пилу і аерозолями, що знаходяться в повітрі.

Показник атмосферного впливу на інтенсивність сонячного випромінювання, що доходить до земної поверхні, визначається "атмосферної масою" (АМ) . "Атмосферна маса "для будь-якого рівня земної поверхні в будь-який момент дня визначається за формулою

(2.4)

де р - атмосферний тиск, р₀ - нормальний атмосферний тиск (101.3 кПа), υ - кут висоти Сонця над горизонтом земної кулі (рис. 2.1).

Густина світлового потоку біля поверхні Землі задається наступною формулою

де - коефіцієнт поглинання в атмосфері, що залежить від довжини хвилі, m - відстань, яку проходять сонячні промені в атмосфері, h - висота атмосфери,

- коефіцієнт прозорості, характеризує атмосферне поглинання.

У середніх широтах потік сонячної енергії на поверхні Землі варіюється протягом дня від сходу (заходу) до полудня від 32.88 Вт/м² до 1233 Вт/м² в ясний день і від 19.2 мкВт/м² до 822 Вт/м² в похмурий день.

Рис. 2.1 - Відстань, яку проходять в атмосфері сонячні промені при різних положеннях Сонця над горизонтом

Дуже важливим є вироблення єдиного стандарту для вимірювання параметрів СЕ. Справа в тому, що спектр сонячного випромінювання зазнає істотних змін при проходженні атмосфери (рисунок 1.10). Спектральний склад і щільність потоку сонячного випромінювання біля поверхні Землі змінюються в залежності від довжини оптичного шляху світлових променів в атмосфері. Довжина цього шляху характеризується величиною, що називається оптичною атмосферною масою m, яка пов'язана з кутом υ (кут висоти Сонця над горизонтом) залежністю m - 1/sin υ . Якщо Сонце знаходиться в зеніті, то m = 1 (умова АМ 1), при його віддаленні від зеніту оптична атмосферна маса зростає. Крім загального ослаблення інтенсивності сонячного випромінювання спостерігаються додаткові смуги поглинання, які найсильнішим чином залежать від довжини шляху світлових променів в атмосфері і від стану атмосфери (малюнок 1.10). Як єдиного стандарту для вимірювання параметрів СЕ за рекомендацією Комісії Європейського співтовариства та Міжнародної електротехнічної комісії при ООН було прийнято умова використання значення атмосферної маси АМ 1.5 як 41.81 (нормальний атмосферний тиск) [36]. Для неї щільність потоку сонячного випромінювання береться рівною 835 Вт/м², що приблизно збігається з середньою інтенсивністю випромінювання на Землі. Згодом було прийнято додаткове рішення, що дозволяє проводити вимірювання параметрів СЕ при спектрі випромінювання, що відповідає АМ 1.5 і інтегральної щільності потоку випромінювання 1000 Вт/м² [38,39]. Спектр АМ 0 визначає роботу сонячних батарей на космічних апаратах. Спектр АМ 1 відповідає сонячному випромінюванню на поверхні Землі, коли Сонце стоїть в зеніті; при цьому повна потужність випромінювання складає ~ 925 Вт/м². Спектр АМ 2 реалізуються при куті 30⁰ (При нормальному атмосферному тиску). У цьому випадку повна потужність випромінювання дорівнює 691 Вт/м² [40].