VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Измерение солнечной постоянной в земных условиях
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Солнце излучает энергию, которая обеспечивает Землю теплом и светом. Лучистая энергия Солнца является основным источником энергии гидрометеорологических и многих других процессов, происходящих в атмосфере, гидросфере, на земной поверхности. Энергия Солнца является важнейшим фактором развития жизни на Земле, обеспечивающим необходимые для жизни термические условия и фотосинтез. Поэтому изучение пространственных и временных изменений инсоляции имеет важное значение для исследования происходящих в географической оболочке Земли процессов, причин формирования и изменения климатических условий существования жизни на планете. А также в настоящий момент настала ситуация, когда человечество вынуждено обратиться к альтернативным, экологически чистым и возобновляемым источникам энергии. Одним из них является солнечная энергия. Непосредственным использованием солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде занимается солнечная энергетика. Она использует возобновляемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии.
Актуальность
Для изучения процессов теплообмена в земной атмосфере, а также для исследования процессов, происходящих на Солнце, очень важно знание точного значение солнечной постоянной. Оно имеет 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. А так же солнечная постоянная определяет развитие альтернативных способов получения энергии.
Цель: Изучение возможность измерения солнечной постоянной в земных условиях.
Задачи:
1. Изучить историю измерения солнечной постоянной.
2. Собрать прибор для измерения солнечной постоянной.
3. Провести измерения с помощью прибора.
4. Выяснить, какие факторы влияют на точность измерения солнечной постоянной.
5. Рассчитать температуру Солнца используя свои данные
Солнечная постоянная
Солнечная постоянная — суммарная мощность солнечного излучения, проходящего через единичную площадку, ориентированную перпендикулярно потоку, на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца вне земной атмосферы.(По данным внеатмосферных измерений 1367 Вт/м2 , а внеземных от 800 до 1000 Вт/м2). 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 изменения солнечной активности. 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 не превышает 10−3. Для оценки вариаций солнечной постоянной в течение более длительных солнечных циклов (22 летний годичный, который связан с изменением полярности магнитных полей групп пятен в северном и южном полушарии. Есть данные, что существует 44 летний цикл, но они не являются четко установленными) измерения не проводились.
История проводимых измерений солнечной постоянной.
Первая попытка определения солнечной постоянной была сделана французским учёным К. М. Пуйе в 1837.В начале прошлого столетия в Смитсонианской астрофизической обсерватории началось проведение серии высокогорных измерений солнечной постоянной. Согласно полученным (более чем за полвека) данным, вариации солнечной постоянной составили от 0,1 до 1%. Проведенными измерениями также обнаружено долговременное увеличение (тренд) среднего значения солнечной постоянной примерно на 0,25% за 50 лет. Анализ полученных результатов за четыре солнечных цикла (с 1908 по 1952 гг.) показал, что пределы возможных вариаций солнечной постоянной находятся в диапазоне ± 1% (от средней величины солнечной постоянной). Это было подтверждено и повторным анализом полученных в Смитсонианской обсерватории результатов. Средняя многолетняя величина солнечной постоянной составила или 1352 Вт/м2.
Исторически первые прямые измерения солнечной постоянной вне тропосферы были выполнены в Ленинградском университете в 1961 году (группой под руководством К.Я. Кондратьева). Комплекс приборов поднимался аэростатом на высоту до 32 км. Всего до 1967 года было проведено 28 подъемов аэростата. Методика наблюдений и результаты подробно изложены в ряде публикаций. В результате этих измерений была обнаружена весьма заметная вариация солнечной постоянной (2,5%), вероятно, связанная с ошибками в измерениях. Среднее значение солнечной постоянной по результатам всего комплекса измерений составило 1356 ± 14 Вт/м2.
В период 1968–1969 гг. Р. Уилсоном (Willson) также были проведены аэростатные измерения солнечной постоянной. Среднее значение солнечной постоянной (по трем аэростатным измерениям) составило 1373 ± 14 Вт/м2. В 1969 году им же было выполнено определение солнечной постоянной вблизи максимума цикла №20 и получено значение равное 1369 Вт/м2. Точность аэростатных измерений оценивается величиной 0,2–0,5%
Измерения вариаций солнечной постоянной с использованием космических аппаратов обладают большей достоверностью, прежде всего, в связи с тем, что они проводятся за пределами земной атмосферы. Эти измерения, во-первых, исключают атмосферную экстинкцию (поглощение и рассеяние) и, во-вторых, осуществляются в течение многих суток. Первое длительное измерение солнечной постоянной за пределами земной атмосферы выполнено в эксперименте, поставленном Лабораторией реактивного движения на искусственных спутниках Земли «Маринер-6» и «Маринер–7» в 1969 году. Измерения показали, что величина солнечной постоянной не изменялась больше, чем в пределах точности измерений (около ± 0,25%) вблизи максимума солнечного цикла, причем в течение этого времени суточное число солнечных пятен принимало как экстремально большие, так и экстремально малые значения.
В соответствии с реализацией программы эксперимента «Радиационный баланс Земли» (ERB), проведенного с борта космического аппарата «Нимбус–6», запущенного в 1975 г., были получены значения солнечной постоянной в диапазоне от 1388 до 1392 Вт/м2. В 1976 году проводились одновременные измерения солнечной постоянной с зондирующей ракеты (высота около 100км) и космического аппарата «Нимбус–6». Данные ракетных наблюдений солнечной постоянной, проведенных в 1976 году с помощью четырех абсолютных радиометров различной конструкции, приводятся в работе Кондратьева и Никольского. Значение, осредненное по записям трех согласованных радиометров, оказалось равным 1367 ± 6 Вт/м2.
Начиная с запуска американских спутников «Нимбус–7» (1978 г.), а затем и SMM (1980 г.), оснащенных полостными радиометрами, начался новый этап в измерении солнечной постоянной. Впервые за всю историю определения солнечной постоянной ее измерения достигли точности в сотые доли процента.
Измерения солнечной постоянной в земных условиях.
Измерение солнечной постоянной в земных условиях — очень сложная задача, требующая проведения целой серии тщательных наблюдений с приборами двух различных типов. Приборы первого типа называются пиргелиометрами. Их задача — измерить в абсолютных энергетических единицах полную солнечную постоянную. Однако показание пиргелиометра не дает еще точного значения из-за того, что часть излучения Солнца поглощается при прохождении сквозь земную атмосферу. Чтобы учесть это поглощение, одновременно с измерениями на пиргелиометре проводят серию измерений распределения энергии в спектре Солнца на другом приборе —спектроболометре, обладающем одинаковой чувствительностью к лучам различных длин волн. Эти измерения проводятся для нескольких значений зенитных расстояний Солнца, когда его лучи проходят сквозь различную толщину слоя воздуха. В отличие от пиргелиометра, спектроболометр дает значения интенсивности только в относительных единицах. Поэтому таким прибором можно найти лишь отношение наблюдаемого и внеатмосферного значений интенсивности.
Практическое определение солнечной постоянной
Свои измерения я проводил в августе 2018 года, во время астрофизической экспедиции в Крымскую астрофизическую обсерваторию в п.Научный.
Солнечная постоянная это отношение мощности солнечного излучения к площади, на которую оно воздействует
Из курса школьной физикиизвестны формулы количества тепловой энергии
Q=c * m * Δt и работы A=Q=P * t
Выразив мощность солнечного излучения, мы получаем:
Где нам точно известна удельная теплота нагревания воды (с=4200 Дж/кг*⁰C). А с помощью цифровых весов определяем массу воды (m); использую цифровой датчик температуры определяем изменение температуры воды (Δt) в течении время (T). Далее определяем площадь нагреваемой поверхности (S)
Разработка установки №1
В своей работе я решил проводить измерения с помощью самодельного пергилиометра, а поглощением и отражением атмосферы пренебречь. Для первого опыта я взял пластиковый контейнер окружил со всех сторон тканью и светоотражающим материалом (Рисунок 1)
Рисунок 1
С помощью датчика температуры мне удалось определить Δt=1,8⁰C за T=4311,55 сек. Причём я брал усреднённое значение, так как из-за конвекционных процессов значения температуры скакали. А измерив массу воды(1 кг) и открытую площадь контейнера(0,0345 м2), получил P=1,79 Вт, а B=51,88 Вт/м2 ,что слишком далеко от профессиональных измерений. Это произошло из-за следующих негативные факторов: внутренняя поверхность отражала солнечные лучи; конструкция не была перпендикулярна солнечным лучам; не учитывались испарёния воды
Разработка установки №2
Для следующего опыта я взял затемнённую бутылку, сделал отверстие для датчика и налил воды (Рисунок 2)
Рисунок 2
В этом опыте m = 1 кг; Δt=4,25⁰C; T=1845 сек; S=0,0439 м2. А значение солнечной постоянной =205 Вт/ м2, что ближе, но всё равно далеко от идеала. Негативные факторы: бутылка недостаточно затемнена; есть воздушная прослойка, которую при измерениях не учитывали; большой выброс в окружающую среду; невозможность правильного подсчёта нагреваемой площади
Разработка установки №3
Учитывая недостатки прошлых опытов, я разработал прибор, схема 1
Схема 1
Рисунок 3
Я ставил его параллельно солнечному излучению. Такая многослойность нужна для полной изолированности от внешнего теплового поглощения и излучения. Для меньшей погрешности я решил разделить период измерения на 4 промежутка и получил следующую таблицу
Таблица 1
Среднее значение =742,66 Вт/м2. Но, как мы видим по таблице, в первом промежутке значение доходит до 950 Вт/м2, что совпадает с официальными измерениями. Хотя значения удовлетворяют поставленную задачу мной были выявлены Негативные факторы: Не учитывалась масса бутылки (хотя она тоже нагревается), не учитывалось испарёния воды
Практическое использование полученной солнечной постоянной
Затем я решил проверить правильность своих измерений, вычислив температуру Солнца. Используя следующие формулы:
→
Где:
S- Площадь внутренней поверхности сферы, радиус которой равен 1 астроном. ед.
R1- 1 астрономическая единица = 1,5*108 метров
Rсолнца =6,5*108 метров
- постоянная величина, вычисленная Стефаном Больцманом =5,67*10-8
Получим формулу температуры солнца
Проведя вычисления получим T=5466,236 К. Учитывая, что реальная температуры Солнца =5920 К, мы получили разницу температур 453,8 К (или 8%), что я считаю приемлемым для измерений на земле.
Вывод
1. Изучена история измерения солнечной постоянной.
2. Собран прибор для измерения солнечной постоянной.
3. Проведены измерения.
4. Выявлены факторы влияющие на точность измерения солнечной постоянной.
5. Рассчитана приблизительная температура солнца
Список литературы
1. Макарова Е.А., Харитонов А.В., Распределение энергии в спектре Солнца и солнечная постоянная, М., 1972.
2. Поток энергии Солнца и его изменения, под ред. О. Уайта, пер. с англ., М., 1980.
3. Кмито А.А., Скляров Ю.А., Пиргелиометрия, Л., 1981.
4. Тенденции и причины изменений глобального климата земли в современную эпоху, https://bookonlime.ru/lecture/glava-2-istoriya-issledovan
5. Александр Король, Солнечная постоянная и ее измерение,https://podlodka.info/education/14-astronomy/75-the-solar-constant-and-its-measurement.html