Определение температуры солнца по солнечной постоянной

Солнце и солнечная постоянная

Солнце можно разделить на внутреннюю часть и атмосферу. Температура внутренней части превышает 5 ∙10 6 . Здесь возника­ют термоядерные реакции перехода водорода в гелий. Энергия этих реакций распространяется из недр Солнца путем поглощения и пе­реизлучения световых квантов вышележащими слоями. В верхнем слое (толщиной около 100 000 км) этой части, называемом конвек­тивной зоной, перенос энергии осуществляется также путем кон­векции (скорость подъема горячих масс газа и опускания холодных масс -1- 2м/с).

Атмосфера Солнца состоит из трех слоев. Самый нижний слой толщиной 100—300 км носит название фотосферы. Она представля­ет собой сильно ионизированный газ с температурой 5000—6000 К и давлением на верхней границе около 100 гПа. Фотосфера излучает практически всю энергию, поступающую на Землю от Солнца. Выше фотосферы расположена хромосфера, простирающаяся до вы­соты 10 000—15 000 км, и солнечная корона, представляющая со­бой почти полностью ионизированный газ — плазму (с числом час­тиц в 1 см 3 около 3 ∙10 7 у основания короны и около 200 вблизи ор­биты Земли).

Температура Солнца понижается с увеличением расстояния от центра его лишь до верхней границы фотосферы. В хромосфере тем­пература возрастает с увеличением высоты, сначала медленно (до десятков тысяч Кельвинов), а затем быстро, и достигает миллиона Кельвинов на границе между хромосферой и солнечной короной.

Повышение температуры в хромосфере и короне принято объяс­нять рассеянием энергии звуковых и других волн, которые возника­ют в конвективной зоне.

Скорость истечения плазмы вблизи Солнца относительно мала (порядка десятков километров в секунду), затем она возрастает и вблизи орбиты Земли достигает нескольких сотен километров в се­кунду. Поток заряженных частиц — корпускул, летящих от Солнца во всех направлениях, получил название солнечного ветра.

Солнечная атмосфера, и в частности фотосфера, весьма неодно­родна и неспокойна. В ней наблюдаются факелы, флоккулы, хромосферные вспышки и другие процессы, являющиеся источниками корпускулярных потоков, более сильных, чем солнечный ветер. Особенно резко возрастает корпускулярное и электромагнитное из­лучение Солнца при хромосферных вспышках продолжительностью от нескольких минут до нескольких часов. Плотность вещества в местах вспышки значительно больше, чем в окружающих областях хромосферы, а скорость движения корпускул достигает 1000 км/с. При определенной ориентации такой поток корпускул через 1—2 сут достигает Земли и вызывает магнитные бури, полярные си­яния и другие геофизические явления. Во время вспышки сильно возрастает интенсивность рентгеновского и радиоволнового излуче­ния, а также излучения в некоторых участках ультрафиолетовой и видимой областей спектра.

В фотосфере возникают относительно холодные образования (с температурой около 4600 К) неправильной формы с очень сильны­ми магнитными полями, получившими название солнечных пятен. Они обычно появляются группами в широтных зонах 35—5° по обе стороны от солнечного экватора и существуют от нескольких часов до нескольких месяцев.

Весь комплекс кратко описанных нестационарных явлений в солнечной атмосфере называют солнечной активностью. Для ее ко­личественной характеристики используются различные индексы. Наиболее распространенный среди них — число Вольфа W, пропор­циональное сумме общего числа пятен f удесятеренного числа их групп g:

где k — эмпирический коэффициент.

Число Вольфа обнаруживает колебания во времени со средним периодом около 11 лет (при изменении отдельных периодов от 7 до 17 лет). Такие колебания свойственны и другим проявлениям сол­нечной активности и обусловленным ею геофизическим явлениям. Число Вольфа во время минимума солнечной активности изменяет­ся от 0 до 11, а во время максимума — от 40 до 240. В течение 11-летнего цикла меняется не только число солнечных пятен, но и положение зоны их образования. Кроме колебания с периодом око­ло 11 лет, наблюдения позволили выявить ряд колебаний солнечной активности с другими периодами (27 сут, 22 года, 80—90 лет).

Важнейшее значение имеет проблема выяснения связи солнеч­ной активности с процессами и явлениями в земной атмосфере — так называемая проблема солнечно-земных связей. По этой пробле­ме за последние десятилетия выполнено много исследований. Одна­ко в целом она еще не решена. В частности, остается неясным меха­низм связи с солнечной активностью погодообразующих процессов, наблюдаемых в тропосфере и стратосфере.

Весь спектр излучения Солнца принято делить на ряд областей (в скобках указаны граничные длины волн λ):

1) гамма-излучение (λ -5 мкм);

2) рентгеновское излучение (10 -5 мкм -2 мкм);

3) ультрафиолетовая радиация (0,01 мкм

радиоволновое излучение (λ > 0,3 см).

Выделяют также ближний ультрафиолетовый (0,29—0,39 мкм) и ближний инфракрасный (0,76—2,4 мкм) участки спектра.

Большая часть(свыше 95 %) излучения Солнца приходится на область так называемого оптического окна (0,29—2,4 мкм), включа­ющего видимый, ближние ультрафиолетовый и инфракрасный уча­стки спектра. Эта область носит название оптического окна по той причине, что именно здесь земная атмосфера наиболее прозрачна для солнечного излучения (пропускает около 80 %), в то время как излучение в дальних ультрафиолетовой и инфракрасной областях (на которые приходится около 1 и 3,6 %) полностью или почти пол­ностью поглощается атмосферой. Отметим попутно, что, помимо волн оптического диапазона атмосфера прозрачна также для радио­волнового излучения в интервале длин волн 1—20 см.

Излучательная способность Солнца близка к излучательной спо­собности абсолютно черного тела с температурой около 5800 К. В табл. 5.1 и на рис. 5.3 приведено распределение по длинам волн сол­нечной радиации на верхней границе земной атмосферы. Однако из­лучение Солнца близко к излучению абсолютно черного тела только в видимой и ближних инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра. В интервале 0,29—0,21 мкм излучение Солнца убывает с длиной волны быстрее, чем у черного тела. Однако далее оно убыва­ет медленнее, и уже вблизи λ≈ 0,1 мкм Солнце излучает в 2—3 раза больше энергии, чем черное тело.

При λ * _λ0 сол.радиации на верх­ней границе атмосферы (при I * ₀= 1,353 кВт/м2) и доля (D_λ) потока солнечной радиации во всем интервале длин волн короче λ

Рис. 5.3. Спектральная плотность I * _λ0 потока солнечной радиации на верхней границе

атмосферы. I-по данным Такаекары и Драммонда (1970), 2 — по данным Джонсона (1954).

Интенсивность излучения Солнца в области очень коротких волн (особенно интенсивность рентгеновского излучения) подвержена резким колебаниям во времени — в десятки и сотни раз в 11-летнем цикле солнечной активности. Эти колебания, несмотря на малую энергию, оказывают определенное влияние на процессы, протекаю­щие в самых верхних слоях земной атмосферы. Однако вклад рент­геновского излучения, равно как и радиоволнового, которое подвер­жено еще более значительным колебаниям, в общий поток солнеч­ной радиации ничтожно мал. По этой причине даже резкие колеба­ния этих излучений практически не сказываются на интегральном потоке солнечной радиации, для которого характерно постоянство во времени.

Считая Солнце по своим характеристикам близким к абсолютно черному телу, можно оценить температуру Солнца. При этом раз­ные методы дают несколько различные результаты. Максимум излучательной способности Солнца приходится на видимый участокспектра, на длину волны λ_т =0,4738мкм. На основании закона Вина получаем так называемую цветовую температуру Солнца: Т_с = 6116 К

Второй метод определения температуры Солнца основан на фор­муле (5.1.17) для потока излучения и на понятии солнечной посто­янной. Количество солнечной радиации, поступающее в единицу времени на единичную поверхность на верхней границе земной ат­мосферы, перпендикулярную солнечным лучам, при среднем рас­стоянии Земли от Солнца, называется солнечной постоянной. Обо­значим солнечную постоянную через I * ₀ значение солнечной постоянной вследствие тех больших трудностей, которые возника­ют при ее определении, не установлено до настоящего времени.

Широкие возможности для определения I*₀оявились в послед­ние десятилетия на основе наблюдений потока солнечной радиации с помощью ИСЗ. Согласно новейшим данным актинометрических измерений на спутниках, наиболее вероятное значение солнечной постоянной заключено в интервале 1,368 — 1,377 кВт/м 2 (макси­мальный разброс составляет 1,322 — 1,428 кВт/м 2 при отсутствии какой-либо регулярности изменения во времени — отсюда и термин „солнечная постоянная»).

Международная комиссия по радиации рекомендовала принять в качестве стандартного значения солнечной постоянной (по Меж­дународной пиргелиометрической шкале 1956 г.)

К. Я. Кондратьев и Г. А. Никольский на основе данных измере­ний на аэростатах, поднимавшихся до высоты около 30 км, получили (путем экстраполяции аэростатных данных за пределы атмосфе­ры) для I*0 6 кВт/м2. Не исключено, что солнечная по­стоянная испытывает некоторые изменения во времени под влияни­ем колебаний активности Солнца. По К. Я. Кондратьеву и Г. А. Ни­кольскому, наибольшее значение /0 наблюдается при W = 90. 100. При значениях числа Вольфа вне этого интервала солнечная посто­янная уменьшается, при этом максимальное отклонение достигает 2 %.

Наряду с понятием солнечной постоянной, включающей энер­гию всех длин волн (ее называют также астрономической солнечной постоянной), некоторые авторы (Дж. Джордж, С. И. Сивков) пред­ложили ввести понятие метеорологической солнечной постоянной. Последняя представляет собой поток солнечной радиации на верх­ней границе атмосферы в спектральном интервале 0,346—2,4 мкм. Из спектра солнечной радиации исключается, таким образом, та часть излучения, которая никогда не достигает тропосферы и не оказывает влияния на ее тепловой режим. Метеорологическая сол­нечная постоянная равна по Джорджу 1,26 кВт/м 2 , по Сивкову 1,25 кВт/м 2 .

Если известно значение солнечной постоянной, то можно под­считать поток излучения Солнца B_с. Обозначим через г₀ среднее расстояние Земли от Солнца (г₀= 149,5 млн. км), через а радиус Солнца (а = 696,6 тыс. км).

Каждый квадратный метр сферы радиусом г₀ получает за 1 с энергию I*₀; количество энергии, получаемое всей сферой радиусом Го, равно количеству энергии, излучаемой Солнцем

Зная поток B_с и приравнивая его σТ_с 4 , находим температуру фо­тосферы Солнца: T_с = 5805 К. Температура Солнца, определенная по значениям I * ₀и B_с, носит название эффективной или радиаци­онной температуры. При практических расчетах температуру Солнца полагают равной 6000 К.

Количество энергии, излучаемое Солнцем, распределяется меж­ду различными участками спектра следующим образом: ультрафио­летовая область (λ 0,76 мкм) — 44 %.

Из изложенного выше следует, что Солнце излучает энергию в широком диапазоне длин волн. Однако свыше 99 % этой энергии приходится на участок спектра, заключенный между 0,10 и 4 мкм. Солнечную радиацию по этой причине часто называют коротковол­новой, в отличие от инфракрасной (длинноволновой) радиации Зем­ли и атмосферы, свыше 99 % которой приходится на интервал длин волн от 3—4 до 80—120 мкм.

Источник

Определение температуры солнца по солнечной постоянной

Главная
• Список секций
• Физика
• Измерение солнечной постоянной в земных условиях

Измерение солнечной постоянной в земных условиях

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

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.

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.

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 — 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/м 2 , а внеземных от 800 до 1000 Вт/м 2 ). 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/м 2 .

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/м 2 .

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/м 2 . В 1969 году им же было выполнено определение солнечной постоянной вблизи максимума цикла №20 и получено значение равное 1369 Вт/м 2 . 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/м 2 . 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/м 2 .

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 * Δ t и работы A = Q = P * t

Выразив мощность солнечного излучения, мы получаем:

Где нам точно известна удельная теплота нагревания воды (с=4200 Дж/кг*⁰ C ). А с помощью цифровых весов определяем массу воды (m); использую цифровой датчик температуры определяем изменение температуры воды ( Δ t ) 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)

С помощью датчика температуры мне удалось определить Δ t =1,8⁰ C 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 м 2 ), получил P =1,79 Вт, а B =51,88 Вт/м 2 ,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)

В этом опыте m = 1 кг; Δ t =4,25⁰ C ; T =1845 сек; S =0,0439 м 2 . А значение солнечной постоянной =205 Вт/ м 2 , 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

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

Среднее значение =742,66 Вт/м 2 . Но, как мы видим по таблице, в первом промежутке значение доходит до 950 Вт/м 2 , 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:

S — Площадь внутренней поверхности сферы, радиус которой равен 1 астроном. ед.

R ₁— 1 астрономическая единица = 1,5*10 8 метров

R _солнца =6,5*10 8 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.

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

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

Старт в науке

Учредителями Конкурса являются Международная ассоциация учёных, преподавателей и специалистов – Российская Академия Естествознания, редакция научного журнала «Международный школьный научный вестник», редакция журнала «Старт в науке».

Источник