Значение солнечной энергии для биосферы и путиее наиболее полного использования
Значение солнечной энергии для биосферы и путиее наиболее полного использования
Солнечная энергия является основным условием существования биосферы и одним из главных климатообразующих факторов. За счет энергии Солнца в атмосфере происходит непрерывное перемещение воздушных масс, что обеспечивает постоянство основного газового состава атмосферы. Это имеет важнейшее значение для животных и растительных организмов. Под действием солнечной радиации испаряется огромное количество воды с поверхности водоемов, почвы, растений. Водяной пар, переносимый ветром с океанов и морей на материки, является основным источником осадков, питающих реки, орошающих поля, сады и леса.
Солнечная энергия — непременное условие существования зеленых растений. Выдающийся ученый К. А. Тимирязев открыл роль зеленого растения, превращающего в процессе фотосинтеза солнечную энергию в высокоэнергетические органические вещества.
Солнечный свет — незаменимый фактор жизни растений и животных. Живые организмы, чутко реагируют на изменение энергетической освещенности, создаваемой солнечным излучением, и изменение его спектрального состава, на продолжительностьСолнечная радиация
дня. Благодаря различной реакции на интенсивность освещенности все формы растительности делятся на светолюбивые и теневыносливые. Недостаточная освещенность в посеве обусловливает слабую дифференциацию тканей соломины зерновых культур, что способствует их полеганию. В загущенных посевах кукурузы из-за малой освещенности солнечной радиацией ослабляется образование початков на растениях.
Солнечная радиация влияет на химический состав растений. Например, сахаристость свеклы и винограда, содержание белка в зерне пшеницы тесно связаны с числом солнечных дней. Сахаристость яблок и ряда других плодов связана с интенсивностью освещенности. Количество масла в семенах подсолнечника, льна возрастает с увеличением прихода солнечной радиации. Опыты НИИ овощного хозяйства показали, что уменьшение прихода солнечной радиации затрудняет использование фосфатов и калия томатами.
В естественных условиях использование солнечной радиации для создания органического вещества растительным покровом сравнительно невелико. Поэтому повышение использования солнечной энергии посевами и насаждениями культурных растений ; является важнейшей задачей науки. Для установления степени ‘ использования посевами солнечной радиации рассчитываются ко- ,|. эффициенты (КПИфдр ), которые определяются следующим обра- I зом. Рассчитывается количество ФАР, пришедшее на единиц> площади данного, посева (насаждения) за время вегетации , (2 Л КПИфдр достигает 3—5% (А. А. Ничипорович). Структура таких посевов должна обеспечивать максимальное поглощение ФАР, площадь листьев в период ее максимального развития должна достигать примерно 40 000 м 2 /га. Для создания подобных высоко- ‘ продуктивных посевов требуются оптимальные условия увлажне- ‘ ния и минерального питания.
В горных районах южные склоны можно более полно исполь- » зовать для возделывания теплолюбивых культур, в том числе ; » и многолетних, имеющих более высокий коэффициент использо- ) вания солнечной радиации. Повышенный приход солнечной радиа- ; » ции на южных склонах позволяет даже в условиях Крайнего Се-
вера выращивать холодостойкие овощные культуры, а в более южных районах — возделывать ценные теплолюбивые растения.
В плодоводстве создаются типы крон (пальметта, веретено), способствующие оптимальному радиационному режиму в кроне дерева, что повышает урожай и товарные качества плодов.
В районах, где много солнечных дней (не менее 180 в год),— в Средней Азии, в Закавказье, в Крыму, эффективно работают солнечные батареи, энергия которых используется для отопления, опреснения воды, сушки плодов и овощей и т. п.
Для планирования и научно обоснованного ведения сельского хозяйства необходимо знать характеристики радиационного режима данной местности и уметь регулировать его в посевах, насаждениях и теплицах.
Источник
«Влияние солнечной активности на биосферу Земли» — 9класс НОУ
XLIII Научно –практическая конференция школьников и учащихся молодежи Омской области
Выполнил: Адамов Егор , ученик 9 класса
МОУ «Алексеевская сош» муниципального Кормиловского района
Руководитель: Адамова М. В, учитель физики МОУ «Алексеевская сош»,
высшая квалификационная категория
Цель : определить, как влияет солнечная активность на здоровье человека и рост растений в Омской области
— изучение литературы по данной теме, организация самостоятельной познавательной деятельности; формирование умений увидеть проблему и наметить пути ее решения;
— развитие интереса к изучению астрономии;
— воспитание упорства в достижении поставленной цели, настойчивости.
— анализ изучения теоретического и фактического материала;
— проведение эксперимента, социологического опроса, показ практической содержания работы
Как пережить магнитную бурю без вреда для здоровья
Влияние магнита на прорастания лука
Определение циклов солнечной активности по ширине годовых колец
Влияние магнита и магнитной воды на всхожесть семян
1. Как уберечься от вредного воздействия магнитных бурь
1 . Актуальность темы
Проблема «Солнце — Земля» является на сегодняшний день актуальной по многим причинам.
Во-первых, это проблема альтернативных источников энергии на Земле. Солнечная энергия — неисчерпаемый источник энергии, притом безопасный.
Во-вторых, это влияние солнечной активности на земную атмосферу и магнитное поле Земли: магнитные бури, полярные сияния, влияния солнечной активности на качество радиосвязи, засухи, ледниковые периоды и др. Изменение уровня солнечной активности приводит к изменению величин основных метеорологических элементов: температуры, давления, числа гроз, осадков и связанных с ними гидрологических и дендрологических характеристик: уровня озер и рек, грунтовых вод, солености и оледенения океана, числа колец в деревьях, иловых отложений и т.п.
В-третьих, это проблема «Солнце — биосфера земли». С изменением солнечной активности учеными было замечено изменение численности насекомых и многих животных. В результате изучения свойств крови: числа лейкоцитов, скорости свертывания крови и др., были доказаны связи сердечно-сосудистых заболеваний человека с солнечной активностью.
Кажется, что в мире нет ничего более постоянного, чем Солнце. Наблюдаемые с древних времен пятна на диске Солнца кому-то казались курьезом, а кому-то — кознями дьявола.
Лишь в XIX веке было замечено, что после появления солнечных пятен на Земле усиливаются полярные сияния и регистрируются колебания геомагнитного поля — магнитные бури.
В начале XX века выдающийся российский ученый А. Л. Чижевский (1897-1964) впервые высказал идею о влиянии солнечной активности на неживой мир, биосферу и социальные процессы и назвал ее «космической погодой». Так как физические основы подобного воздействия были тогда совершенно неизвестны, взгляды Чижевского многие считали близкими к мистицизму. Это трагически сказалось на судьбе ученого, а его основополагающие труды были изданы только спустя много лет. В настоящее время благодаря космическим исследованиям природа нашей зависимости от Солнца стала более понятной, а предупреждения о влиянии солнечных вспышек и магнитных бурь на состояние здоровья и работоспособность технических систем стали частью нашей жизни.
Термин «космическая погода» прочно завоевал свое место как в научной литературе, так и в средствах массовой информации. Фундаментальная наука в очередной раз стала основой для прикладных исследований, ориентированных на непосредственные нужды общества. Подобно тому, как метеорологический прогноз опирается на исследования физики атмосферы и океана, прогноз космической погоды основывается на наших знаниях о Солнце и околоземном пространстве. Чтобы познакомиться ближе с увлекательным миром солнечно-земных связей, где органично сочетаются стабильность и изменчивость, я решил написать реферат, а затем провести небольшое исследование, которое подтверждает теорию вопроса — Влияние солнечной активности на биосферу Земли?
2. Краткая характеристика Солнца
Среднее расстояние от Земли — 149 597 870 км. Радиус Солнца в 109 раз больше радиуса Земли, что составляет 696000 км. Масса Солнца – в 330 000 раз больше массы Земли — это около 1,989*10 30 кг (Масса Земли — 5,976*10 24 кг). Средняя плотность Солнца – 1400 кг/м 3 , это около 0,256 от средней плотности Земли (в 1,4 раза больше плотности воды, для сравнения: плотность Красного гиганта считается равной 5*10 -8 , плотность Белого карлика 10 6 , плотность нейтронной звезды, равная плотности атомного ядра, составляет 10 14 ). Ускорение силы тяжести на уровне фотосферы — 27,9g (g= 9,8 м/с 2 ). Период вращения на экваторе — 25,4 земных суток. Температура фотосферы – 5800 0 С. Химический состав, определенный из анализа солнечного спектра — водород (71 %), гелий (26,5 %) и многочисленные другие элементы в ионизированном состоянии. На Солнце не обнаружено никаких химических элементов, помимо тех, которые имеются на Земле (Гелий впервые был обнаружен на Солнце, а затем уже на Земле). Это указывает на то, что небесные тела состоят из тех же веществ, что и Земля. Мощность излучения (светимость) — 3,74 * 10 23 кВт. Средний цикл солнечной активности — 11 лет (полный — 22 года). Возраст — около 5-ти млрд. лет.
Полное количество энергии, излучаемой Солнцем, составляет L = 3,86•10 26 Вт. Это соответствует 6,5 кВт с каждого квадратного сантиметра его поверхности!
Примерно лишь одну двухмиллиардную часть этой энергии получает Земля. Земля перехватывает своей поверхностью 1/2 200 000 000 часть энергии солнечного излучения. В среднем 36 % падающего света отражается обратно в космос. Почти все движения на Земле и почти вся жизнь существуют благодаря солнечной энергии. Исключением являются движения, связанные с внутренним теплом планеты. Но его приток к поверхности в 4000 раз слабее солнечного. Поэтому, лишившись солнечной энергии, атмосфера отвердела бы, превратившись в ледник толщиною около 7 метров. Ядерного “топлива” хватит, чтобы обеспечить нынешнюю мощность излучения Солнца ещё на срок, не меньший 5 млрд. лет. Но и после исчерпания водородного “топлива” в центральной области светила выделение энергии не прекратится, только оно будет происходить в слоях более близких к поверхности. Мощность излучения возрастёт до значений, при которых жизнь на Земле станет невозможной. Это приведёт к радикальным переменам, в результате которых произойдет полное разрушение Земли (и, возможно, образование планетарной туманности ).
3. Внутреннее строение Солнца
Н
аше Солнце — это огромный светящийся газовый шар, внутри которого протекают сложные процессы и в результате непрерывно выделяется энергия. Внутренний объём Солнца можно разделить на несколько областей; вещество в них отличается по своим свойствам, и энергия распространяется посредством разных физических механизмов.
1. В центральной части Солнца находится источник его энергии, или, говоря образным языком, та «печь», которая нагревает его и не даёт ему остыть. Эта область называется ядром . Плотность его увеличивается к центру вместе с ростом давления и температуры. В ядре, где температура достигает 15 млн К, происходит выделение энергии. Эта энергия выделяется в результате слияния атомов лёгких химических элементов в атомы более тяжёлых. Ядро имеет радиус не более четверти общего радиуса Солнца. Однако в его объёме сосредоточена половина солнечной массы и выделяется практически вся энергия, которая поддерживает свечение Солнца.
2. Сразу вокруг ядра начинается зона лучистой передачи энергии , где она распространяется через поглощение и излучение веществом порций света — квантов. Плотность, температура и давление уменьшаются по мере удаления от ядра, и в этом же направлении идёт поток энергии. В центре Солнца рождаются гамма-кванты. По дороге кванты претерпевают удивительные превращения. Отдельный квант сначала поглощается каким-нибудь атомом, но тут же снова переизлучается; чаще всего при этом возникает не один прежний квант, а два или даже несколько. По закону сохранения энергии их общая энергия сохраняется, а потому энергия каждого из них уменьшается. Так возникают кванты всё меньших и меньших энергий. Мощные гамма-кванты как бы дробятся на менее энергичные кванты — сначала рентгеновских, потом ультрафиолетовых и наконец видимых и инфракрасных лучей. В итоге наибольшее количество энергии Солнце излучает в видимом свете. В ходе процессов столкновения гамма-фотоны теряют энергию.
3. В некоторой точке их энергия, поначалу очень высокая, становится равна термической энергии солнечной материи. С этого момента доминирующим становится процесс конвекции . В отличие от зоны радиационного переноса, где энергия переносится гамма-лучами, в конвективной зоне излучение и материя имеют одинаковую температуру, и большую часть энергии здесь переносит материя.
На своём пути через внутренние солнечные слои поток энергии встречает такую область, где непрозрачность газа сильно возрастает. Это конвективная зона Солнца. Здесь энергия передаётся уже не излучением, а конвекцией. Это ни что иное, как перемешивание, в данном случае, аналог перемешивания жидкости при кипении. Так же, как жидкость, может вести себя и газ. Огромные потоки горячего газа поднимаются вверх, где отдают своё тепло окружающей среде, а охлаждённый солнечный газ опускается вниз. Похоже, что солнечное вещество кипит и перемешивается, как вязкая крупенчатая масса на огне. Конвективная зона начинается примерно на расстоянии 0,7 радиуса от центра и простирается практически до самой видимой поверхности Солнца (фотосферы), где перенос основного потока энергии вновь становится лучистым. Верхняя граница конвективной зоны выглядит в виде мелких гранул, видоизменяющихся на протяжении нескольких минут, так называемых рисовых зерен, видимых на солнечной поверхности даже через телескоп с достаточно скромными возможностями.. Хорошо известная наблюдателям картина грануляции на поверхности Солнца является видимым проявлением конвекции.
4. Солнечная активность
Солнечная активность — комплекс явлений, охватывающих всю атмосферу Солнца в областях размерами 10-10 5 км за время 1-10 6 с.
Рис.2 Строение конвективной зоны атмосферы Солнца
Активные области порождаются всплыванием мощной трубки магнитного потока из магнитного слоя у основания конвективной зоны. Вместе с плазмой поднимаются «вмороженные» в нее магнитные поля, возникающие вследствие неоднородности вращения Солнца и обладающие сложной структурой, которая в ходе движения приобретает петлеобразную форму. Гигантские устойчивые биполярные магнитные области обладают двумя полюсами противоположной полярности, соединяющимися системой арок протяженностью до 30000 км и высотой до 5000 км. Вершины арок медленно поднимаются; у полюсов арок солнечное вещество медленно стекает вниз. В фотосфере активные области расщепляются на множество тонких трубок образующих факельные поля. Области пересечения тонких магнитных трубок с фотосферой наблюдаются в форме групп солнечных пятен.
Рис.3 Движение вещества в солнечной атмосфере.
Арки биполярных магнитных областей По масштабам и времени проявления солнечной активности разделяются на медленноменяющиеся — коронарные дыры, факельные поля, пятна, фотосферные волокна, и быстроменяющиеся — протуберанцы, хромосферные вспышки и т.д.
Коронарные дыры – области пониженной яркости короны, в которых силовые линии крупномасштабного магнитного поля, пронизывая всю корону, уходят в межпланетное пространство; наблюдаются в рентгеновском диапазоне длин волн в виде черных провалов на фоне яркого сияния короны. Яркие области над центрами активности с повышенной плотностью плазмы называются коронарными конденсациями .
Факельные поля (флоккулы ) — области ослабления магнитных трубок (местных магнитных полей), где на поверхность Солнца «прорывается» более нагретое (до 10000 К) солнечное вещество. Наблюдаются в виде светлых участков фотосферы, часто окружающих солнечные пятна. Размеры факельных полей от 5000 до 50000 км, среднее «время жизни» – месяцы (до года). В годы максимумов солнечной активности факельные поля занимают до 10 % поверхности Солнца.
Солнечные пятна — темные промежутки тени, окруженные более светлой полутенью, — области солнечной поверхности с температурой около 4000 К и размерами от 1 до 35000 км. Лишенный подогрева «снизу» участок солнечной поверхности остывает и по контрасту с окружающей «горячей» поверхностью кажется черным пятном. Число, величина и расположение пятен и групп пятен постоянно изменяются. Среднее «время жизни» пятна — от нескольких суток до нескольких недель (максимум — до 200 суток). Как правило, пятна образуются группами, в которых они концентрируются преимущественно вокруг ведущего (западного) и ведомого (восточного), имеющих различную полярность, причем силовые линии магнитного поля как бы выходят из одного пятна и входят в другие.
Протуберанцы — сравнительно холодные плотные облака солнечного вещества (Т
10 4 К), выброшенные в хромосферу в результате ускоряющего действия магнитных трубок местных полей на движение солнечного вещества на высоту около 10 4 км. Протуберанцы имеют разнообразную причудливую форму. Вещество спокойных протуберанцев, плавающих в хромосфере до 1 года, лежит в углублениях «примятых» арок магнитного поля. В активных , отличающихся быстрым развитием протуберанцах, существующих в течение недель, реже – месяцев, но достигающих в длину до 1/3 R¤ (150000-250000 км), плазма течет вдоль линий магнитного поля со скоростью до 700 км/с.
Хромосферная сетка наблюдается в ультрафиолетовой части спектра в хромосфере в виде покрывающей солнечный диск совокупности крупных ячеек размерами 2-3× 10 4 км, внутри которых газ растекается от центра со скоростью 0,3 — 0,4 км/с к границам ячейки, где магнитное поле усиливается. Среднее «время жизни» отдельной ячейки- до нескольких суток.
Солнечные хромосферные вспышки возникают в группах пятен с противоположным направлением магнитных полей при их взаимном уничтожении (аннигиляции). Механизм их возникновения таков: меж пятнами разной полярности возникает нейтральный слой, магнитная индукция в котором равна нулю; при определенных условиях в нем может возникнуть обусловленный движением электронов и ионов плазмы электрический ток, нагревающий плазму за счет энергии магнитного поля. Поскольку плазма имеет очень небольшое сопротивление, в обычных условиях ее нагрев в нейтральном слое незначителен, но поля «выдавливают» плазму в нейтральный слой и сжимают его. По мере сжатия нейтрального слоя растет скорость частиц – носителей тока; электроны ускоряются сильнее массивных ионов. Плазма становится неоднородной, в ней возникают турбулентные движения, завихрения, возрастают электрическое сопротивление и температура плазмы (до 10 7 К). В области размерами до 1000 км выделяется до 10 22 -10 25 Дж/с энергии (как при одновременном взрыве миллиардов термоядерных бомб). При вспышке образуется большое коронарное облако с температурой 2-3× 10 7 К (до 10 8 К). Вспышки (до 10 в сутки) порождают мощное ультрафиолетовое, рентгеновское и радиоизлучение, выброс заряженных частиц со скоростью до 30000 км/с — солнечные космические лучи.
В вершинах гранул ежеминутно наблюдаются тысячи и десятки тысяч кратковременных вспышек — блинкеров («мигалок») мощностью до 10 3 МВт и размерами до 10 4 км. Возможно, именно они порождают солнечный ветер и передают часть энергии от «холодной» фотосферы «горячей» короне.
В глубине хромосферы, в 1500-2500 км над фотосферой в основаниях отдельных коронарных петель, возникающих в активных областях после солнечных вспышек, в течение десятков часов наблюдаются «губчатые» образования – » солнечный мох «, где раскаленная до10 7 К плазма сильно и внешне беспорядочно «перемешана» с относительно «холодным» (до 6000 К) солнечным веществом.
В районе солнечных полюсов наблюдаются мощные вихри и смерчи — восходящие потоки солнечного вещества со скоростью круговых движений до 500000 км/ч.
Количественная характеристика солнечной активности — числа Вольфа — определяется по формуле: W = 10 g +f , где g — количество групп пятен, f — количество всех наблюдаемых пятен. Другими, более точными индикаторами солнечной активности являются суммарная площадь пятен и интенсивность солнечного радиоизлучения (l = 0,107 м).
Солнечный цикл – периодический процесс появления и развития на всей поверхности Солнца активных областей, обусловленных «всплыванием» в атмосферу сильных магнитных полей.
Средний промежуток между двумя максимумами солнечной активности равен 11,1 года.
Во время минимума солнечной активности для внешнего наблюдателя корона «сжимается» у полюсов, над которыми видны лишь тонкие лучи – коронарные щеточки. Иногда в течение недель в минимуме солнечной активности в фотосфере не наблюдается ни единого пятна.
В начале цикла на широтах ± 30 0 появляются отдельные мелкие солнечные пятна. Период роста активности занимает около 4,2 лет. В это время растет число и размеры отдельных пятен и групп пятен, зона их появления спускается к солнечному экватору до ± 15 0 в данном максимуме активности. В солнечной короне над центрами активности в средних широтах развиваются мощные длинные коронарные лучи. В максимуме активности число Вольфа превышает 150-200 единиц. Солнечная корона приобретает «растрепанную» сферическую форму. Концентрация рентгеновского и коротковолнового излучения в 3-4 раза выше, чем в минимуме.
Далее происходит 7-летний спад активности, в котором зона появления солнечных пятен спускается к экватору Солнца до широт ± 8 0 ; затем после недолгого затишья на широтах ± 30 0 образуются пятна нового цикла.
Обычно комплекс явлений солнечной активности протекает в следующей последовательности: с усилением магнитного поля при всплывании трубки магнитного потока в фотосфере появляется расширяющееся, увеличивающее свою яркость факельное поле. Сутки спустя в нем возникают и развиваются крохотные поры , постепенно разрастающиеся в черные пятна и группы пятен: через 10 суток их размеры возрастают до 10000 км. В хромосфере и короне происходят бурные процессы. Затем активность области постепенно уменьшается: через 2-3 месяца исчезают пятна; но долго, месяцами над этим местом своеобразным памятником будет висеть огромный протуберанец, и лишь через год активная исчезает полностью.
В течение данного цикла все ведущие солнечные пятна в Северном полушарии имеют одну и ту же полярность, а в Южном полушарии – противоположную. В последующем цикле полярности меняют свой знак. Полярные магнитные поля имеют наибольшую напряженность, в эпоху минимума активности и исчезают, меняя знак у полюсов, в эпохи максимумов. Возврат к прежней магнитной ситуации происходит через 22 года, обуславливая существование 22-летнего цикла. Отставание по фазе явлений в высоких и низких широтах ведет к отставанию на 5 лет явлений, связанных с высокоширотным магнитным полем Солнца и их воздействием на магнитосферу Земли.
Источник