Земля которую прогревает солнце

Как работает и греет Солнце

Солнце — главный источник энергии на Земле. Без него невозможным было бы существование жизни. И хотя все буквально вертится вокруг Солнца, мы очень редко задумываемся над тем, как работает наша звезда.

Структура Солнца

Чтобы понять, как работает Солнце, сначала нужно разобраться в его структуре.

• Ядро.
• Зона лучистого переноса.
• Конвективная зона.
• Атмосфера: фотосфера, хромосфера, корона, солнечный ветер.

Диаметр солнечного ядра составляет 150—175 000 км, около 20—25% солнечного радиуса. Температура ядра достигает 14 млн градусов по Кельвину. Внутри постоянно происходят термоядерные реакции с образованием гелия. Именно в ядре в результате данной реакции выделяется энергия, а так же тепло. Остальная часть Солнца нагрета этой энергией, она проходит сквозь все слои до фотосферы.

Зона лучистого переноса находится над ядром. Энергия переносится с помощью излучения фотонов и их поглощения.

Над зоной лучистого переноса находится конвективная зона. Здесь перенос энергии осуществляется не переизлучением, а переносом вещества. С высокой скоростью более холодное вещество фотосферы проникает в конвективную зону, а излучение из зоны лучистого переноса поднимается на поверхность — это и есть конвекция.

Фотосфера — это видимая поверхность Солнца. Из этого слоя исходит большая часть видимого излучения. В фотосферу уже не проникает излучение более глубоких слоев. Средняя температура слоя достигает 5778 К.

Хромосфера окружает фотосферу, она имеет красноватый оттенок. Из поверхности хромосферы постоянно происходят выбросы — спикулы.

Последняя внешняя оболочка нашей звезды — корона, состоящая из энергетических извержений и протуберанцев, образующих солнечный ветер, распространяющийся к самым дальним уголкам солнечной системы. Средняя температура короны — 1—2 млн К, но есть участки с 20 млн К.

Солнечный ветер — это поток ионизированных частиц, распространяющийся до границ гелиосферы со скоростью около 400 км/с. Многие явления на Земле связаны с солнечным ветром, например, полярное сияние и магнитные бури.

Солнечное излучение

Плазма Солнца обладает высокой электропроводностью, что способствует появлению электрических токов и магнитных полей.

Солнце — самый сильный излучатель электромагнитных волн в мире, который дает нам:

• ультрафиолетовые лучи;
• видимый свет — 44% солнечной энергии (преимущественно желто-зеленый спектр);
• инфракрасные лучи — 48%;
• рентгеновское излучение;
• радиационное излучение.

Лишь 8% энергии отводится на ультрафиолетовое, рентгеновское и радиационное излучение. Видимый свет расположен между лучами инфракрасного и ультрафиолетового спектра.

Также Солнце является мощным источником радиоволн нетепловой природы. Помимо всевозможных электромагнитных лучей излучается постоянный поток частиц: электронов, протонов, нейтрино и так далее.

Все виды излучения оказывают свое влияние Землю. Именно это влияние мы ощущаем.

Воздействие УФ лучей

Ультрафиолетовые лучи воздействуют на Землю и все живые существа. Благодаря им существует озоновый слой, так как УФ-лучи разрушают кислород, который модифицируется в озон. Магнитное поле Земли в свою очередь формирует озоновый слой, который, как ни парадоксально, ослабляет силу воздействия УФ.

На живые организмы и окружающую среду ультрафиолет влияет многогранно:

• способствует выработке витамина D;
• обладает антисептическими свойствами;
• вызывает появление загара;
• усиливает работу кроветворных органов;
• повышает свертываемость крови;
• увеличивается щелочной резерв;
• дезинфицирует поверхности предметов и жидкости;
• стимулирует обменные процессы.

Именно ультрафиолетовое излучение способствует самоочищению атмосферы, устраняет смог, частицы дыма и пыли.

В зависимости от широты сила воздействия УФ излучения сильно изменяется.

Воздействие ИК лучей: почему и как Солнце греет

Все тепло на Земле — это инфракрасные лучи, которые появляются благодаря термоядерному синтезу водорода с образованием гелия. Эта реакция сопровождается огромным выбросом лучистой энергии. До земли доходит порядка 1000 Ватт на квадратный метр. Именно за это ИК излучение очень часто называют тепловым.

Удивительно, но Земля выступает в роли инфракрасного излучателя. Планета, а также облака поглощают ИК лучи, а затем переизлучают эту энергию обратно в атмосферу. Такие вещества как водяной пар, капли воды, метан, диоксид углерода, азот, некоторые соединения фтора и серы излучают ИК лучи во всех направлениях. Именно благодаря этому имеет место парниковый эффект, который поддерживает поверхность Земли в постоянно подогретом состоянии.

Инфракрасные лучи не только нагревают поверхности предметов и живых существ, но и оказывают другое влияние:

• обеззараживают;
• улучшают метаболизм;
• стимулируют кровообращение;
• снимают болевые ощущения;
• нормализуют водно-солевой баланс;
• укрепляют иммунитет.

Почему зимой Солнце греет слабо

Так как Земля вращается вокруг Солнца с некоторым наклоном оси, в разное время года происходит отклонение полюсов. В первой половине года Северный полюс повернут к Солнцу, в во второй — Южный. Соответственно, меняется угол воздействия солнечной энергии, а также мощность.

То полушарие, которое повернуто к Солнцу, получает больше электромагнитных и других лучей, нагревается сильнее — наступает лето. Полушарие, которое отвернуто от солнца получает падающие вскользь лучи — наступает зима. Из-за измененного угла падения поверхность и атмосфера прогреваются слабее.

Из-за изменения угла наклона зимой Солнце проходится низко над горизонтом. Соответственно, его лучи проходят длинный путь сквозь атмосферу. Зимой тепловая энергия растрачивается сильнее, за счет того что инфракрасные лучи встречают на своем пути и обогревают в 4-6 раз больше воздуха. До поверхности планеты доходит значительно меньше тепла, поэтому кажется, что Солнце почти не греет.

Так как прозрачность воздуха достаточно высока, видимая часть солнечного излучения доходит в любое время года практически в неизменном количестве.

Источник

Земля которую прогревает солнце

Зимнее отопление летним Солнцем

Начнём с немногих интересных цифр. Учёным удалось измерить, сколько калорий посылает Солнце, заливающее своим светом какую-нибудь определённую площадку. Если взять Москву, то каждый квадратный метр её площади получает от Солнца в три зимних месяца (ноябрь, декабрь, январь) 30 тыс. калорий, зато в весенние и летние месяцы — 500 тыс. калорий. Сколько квадратных метров занимает наша столица, столько раз по полмиллиона калорий даёт ей Солнце в течение тёплого периода года. Куда же девается всё это огромное количество теплоты? Большая часть его вновь теряется и рассеивается в те же самые сутки, когда теплота накопилась. Только очень незначительная часть прогревает почву на небольшую глубину, да и то не надолго: едва наступят первые осенние холода, накопленная в почве теплота снова рассеивается.

Короче сказать, щедрые дары дневного светила не сохраняются нами, а проносятся мимо нас. Нельзя ли этот огромный тепловой капитал, сам плывущий в наши руки, каким-нибудь способом удержать и сохранить впрок?

Над этой идеей размышлял в последние годы своей жизни выдающийся московский физик проф. В. А. Михельсон, скончавшийся в феврале 1927 г. Мысли его вылились в строгий и стройный план использования летнего солнечного тепла для зимнего отопления московских зданий и постепенного улучшения климата нашей столицы. Проект этот, тщательно разработанный покойным учёным, был напечатан в своё время в специальном «Журнале прикладной физики».

Михельсон исходил в своих расчётах из следующих данных. Московский дом, занимающий площадь в тысячу квадратных метров, получает от Солнца в течение семи месяцев (весной и летом) 500 000*1000 = 500 000 000 калорий. Для отоплен я же этого дома в продолжение пяти осенне-зимних месяцев нужно израсходовать 360 000 000 калорий.

«Следовательно,- заключает учёный,- Солнце вообще на каждое здание посылает количество тепла, с избытком покрывающее всю его потребность в зимнем отоплении. Задача заключается в том, как поглотить и сохранить эту солнечную теплоту с весны и лета до зимы, как предохранить её от бесполезного рассеяния».

Место, где по проекту Михельсона предлагается накоплять и сохранять солнечную теплоту, находится — где бы вы думали?- под землёй, на глубине 20 и более метров.

На первый взгляд кажется нелепым прятать дары солнечных лучей глубоко в подземелье. Однако дело представится не столь несообразным, если вспомним, как хорошо почва хранит теплоту. Почва — превосходный теплоизолятор; она очень медленно пропускает сквозь себя теплоту.

«Если нам удастся,- пишет Михельсон,- в течение лета прогреть солнечной теплотой мощный слой земли под городом на глубине между 20 и 30 м, то теплота эта к зиме распространится во все стороны в бока, вверх и вниз не более как на 10 м и не успеет даже дойти до земной поверхности».

Как же предполагал автор проекта накоплять впрок под землёй теплоту, посылаемую Солнцем?

Чтобы понять основную идею этого остроумного проекта, напомним два элементарных физических факта. Всем известно явление холода при испарении: испаряющаяся жидкость охлаждает окружающие предметы (вспомним холод в мокром платье), т. е. отнимает от них теплоту. Менее известно обратное явление: пары, сгущающиеся снова в жидкость, возвращают теплоту, нагревают окружающие предметы. Вода в форме пара в состоянии, сгущаясь, нагреть до 100° вшестеро большее по весу количество жидкой воды. Отметив ещё и другой факт,- что газ при сжатии нагревается,- обратимся снова к проекту Михельсона.

Весною и летом крыши наших домов залиты солнечными лучами и, конечно, нагреваются ими. Теплота эта утрачивается ночью при остывании крыши,- она излучается в окружающее пространство. Идея Михельсона состоит, как уже сказано, в том, чтобы не давать этой теплоте рассеиваться бесплодно, а сохранять её впрок и пользоваться ею зимой для отопления жилищ. Система труб на крышах домов должна непрерывно отводить нагреваемую в них Солнцем воду под землю на глубину 20-30 м ниже фундамента.

На такую глубину внешние температурные колебания не проникают — это слой постоянной температуры, равной в Москве +6° Ц. Циркулируя по проложенным в почве трупам, вода, нагревшаяся на крыше, будет отдавать почве избыток тепла, а остыв, вновь будет перекачана на крышу, чтобы, нагревшись, опять поступить под почву, и т. д. Короче, теплота, полученная летом от Солнца, будет запасаться в почвенных слоях под домом (рис. 89).

Рис. 89. Проект зимнего отопления домов теплотой летнего Солнца

Расскажем теперь, как можно будет воспользоваться накопленной теплотой подземной печки для зимнего отопления жилищ. Михельсон предлагает для этого такую установку. Сеть труб на крыше в зимнее время выключается. Тёплая подземная вода поступает в особый сосуд (испаритель) со змеевиком, в котором вследствие искусственного понижения давления испаряется какая-нибудь жидкость, например спирт. Пары спирта поглощают при своём образовании часть теплоты воды, окружающей змеевик. Затем действием особого насоса они перекачиваются в змеевик другого сосуда (сгустителя), где вследствие повышенного давления вновь сгущаются в жидкость, отдавая теплоту воде, которая окружает змеевик. Эта поступающая из почвы вода может быть благодаря указанному процессу нагрета до 55° (по расчётам Михельсона). Такая вода уже достаточно тепла для водяного отопления.

Конечно, необходим некоторый расход топлива (или электрической энергии), чтобы поддерживать циркуляцию — впрочем, очень медленную — воды по трубам от крыши в почву, а также для работы насоса при испарителе и сгустителе. Но расход этот весьма невелик. Расчёт показывает, что в установке Михельсона топливо используется в три раза выгоднее, чем в самой совершенной из существующих систем отопления. Другими словами, проект обещает экономию топлива в 60%. Если вспомним, что отопление жилищ составляет главную статью расхода топлива, поглощающую больше, чем вся промышленность, то значение подобной экономии станет в наших глазах ещё важнее.

Для осуществления всего этого потребуются капитальные подземные работы.

«Под городом,- пишет Михельсон,- придётся произвести значительные горные работы: заложить несколько шахт глубиною в 30 м, а затем на глубинах 20 и 30 м проложить двойную сеть горизонтальных штолен с трубами для циркуляции воды. Густота сети труб должна быть такова, чтобы в течение шести месяцев, с апреля по сентябрь, можно было сплошь прогреть солнечной теплотой слой материка в 20 или 30 м мощности. Какую толщу и до какой степени удастся прогреть, это будет зависеть главным образом от того, какую площадь солнечных поглотителей можно будет устроить на крышах города.

«Одни и те же трубы, наполненные водою, будут служить как для летнего прогревания почвы, так и для отопления города зимой. Летом подземная сеть труб через посредство насосов соединяется с сетью поглощательной, расположенной на крышах. Зимой подземная сеть соединяется с испарителями всех отопительных машин, которые повышают температуру до 55° и питают котлы водяного отопления. В тёмные месяцы (ноябрь-февраль) поглотители солнечной энергии выключаются. В ясные дни марта, когда отопление всё же нужно, можно совершенно исключить подземную сеть и питать испарители отопительных машин непосредственно подогретой водой, спускающейся с крыш».

Этим не исчерпывается всё то, что обещает дать проект Михельсона в случае осуществления. Можно рассчитать сеть труб на крышах так, чтобы приход тепла от Солнца за год был больше расхода его на отопление. Тогда к концу года будет всякий раз оставаться неизрасходованный запас теплоты. Этот запас с каждым годом будет расти, потому что к прежним остаткам будет прибавляться новый. Что же в результате всего этого получится?

«Средняя годовая температура почвы будет постепенно повышаться. Зимнее промерзание почвы очень скоро исчезнет. Через много лет это постепенное накопление тепла в почве может весьма заметно отразиться на климате города, и притом тем больше, чем больше площадь города. Снежный покров будет исчезать раньше и устанавливаться позднее, чем в окружающей области. Общее повышение температуры почвы, а, следовательно, и воздуха, уменьшит потребность в отоплении. Поэтому накопление тепла в почве и изменение городского климата будет идти ускоренным темпом. Тогда весь город будет как бы тёплым оазисом, перенесённым из более южных широт в северные».

Вы видите, что весь климат нашей столицы может в сравнительно короткий срок измениться до неузнаваемости — из засыпаемого снегом уголка Севера превратиться в ласкаемый тёплым воздухом благодатный край субтропического пояса.

Источник