Солнечная энергия. Солнечная радиация - Солнце и Солнечная система

Благодаря сочетанию сверхвысоких давлений и температур в центральной области Солнца происходят ядерные реакции, при которых выделяется огромное количество энергии. Среднее количество вырабатываемой при ядерных реакциях энергии в расчете на грамм вещества в секунду составляет 1,92 эрга. Часть этой энергии идет на поддержание в центральной области сверхвысоких температур, необходимых для ядерных реакций, а остальная излучается Солнцем в межпланетное пространство. Мощность общего излучения Солнца 3,83?1026 Вт, из которых на Землю попадает около 2?1017 Вт, т. е. приблизительно одна двухмиллиардная часть. С 1 см2 поверхности Солнца в 1 сек. Излучается энергии 6000 Вт, или 6?1010 Эрг/см2Сек. Излучаемый Солнцем поток энергии уносит из него ежегодно 1,4?1013 т вещества. И хотя эта величина, по нашим земным понятиям, огромна, по сравнению с массой светила она ничтожна: потребуется невероятно огромное время, чтобы Солнце израсходовало на излучение энергии все свое вещество и таким образом перестало бы существовать. Но до такого состояния Солнца далеко - приблизительно 10 млрд. лет.

А. Б. Северный дает такое интересное сопоставление огромной мощности излучаемой Солнцем энергии с эффектом ее использования: "Ежесекундно теряемой Солнцем лучистой энергии достаточно, чтобы в течение часа растопить и довести до кипения 2,5 биллиона км3 льда, т. е. растопить слой льда вокруг Земли толщиной более 1000 км".

Исходящее из центральной области Солнца излучение по мере движения к внешним сферам перестраивается из коротковолнового в длинноволновое. Если в центре обычны Х-лучи, гамма - излучение, а затем рентгеновское, то в средних слоях солнечного шара преобладают ультрафиолетовые лучи, а в излучающей поверхности Солнца (в фотосфере) они оказываются трансформированными уже в волны светового диапазона излучения. В соответствии с диапазоном длин излучаемых поверхностью Солнца (фотосферой) электромагнитных волн ее температура принимается равной 5785 К или 5600 К.

Солнце генерирует и испускает в космическое пространство два основных потока энергии - электромагнитное излучение, или солнечную радиацию, и корпускулярное излучение, или солнечный ветер. Энергетические потоки обладают высокой мощностью в пределах близко расположенных от светила космических тел. Наоборот, до далеких от Солнца тел потоки энергии доходят сильно ослабленными, а потому их значение в энергетическом балансе планет становится меньшим. Тем не менее тепловое поле поверхности всех планет Солнечной системы создается почти исключительно солнечной радиацией, так как приход эндогенной энергии планет к поверхности крайне незначителен и многими природоведами применительно к Земле игнорируется. Вот почему для планет внутренней группы - Меркурия, Венеры, Земли и Марса - значение солнечной энергии особенно велико. Для сравнения природных условий на этих планетах необходимо ознакомится с мощностью потоков солнечной энергии и особенностью ее поглощения.

На планеты солнечная энергия поступает в виде потоков электромагнитного излучения (солнечной радиации) и корпускулярного излучения (солнечного ветра).

Значение для природной обстановки на планетах корпускулярного излучения достаточно не выяснено, что побуждает нас не входить в его рассмотрение, а роль солнечной энергии свести к воздействию солнечной радиации на природу планет.

В ходе наблюдений ученые выяснили, что Солнце - мощный источник радиоизлучения. В межпланетное пространство проникают радиоволны, которые излучает хромосфера (сантиметровые волны) и корона (дециметровые и метровые волны).

Радиоизлучение Солнца имеет две составляющие - постоянную и переменную (всплески, "шумовые бури"). Во время сильных солнечных вспышек радиоизлучение Солнца возрастает в тысячи и даже миллионы раз по сравнению с радиоизлучением спокойного Солнца. Это радиоизлучение имеет нетепловую природу.

Согласно современной квантовой теории, излучение электромагнитной энергии Солнца, в том числе и света, происходит непрерывно, а порциями - квантами. Каждый квант несет определенную энергию. Она измеряется обычно электрон-вольтами (эВ). Электрон-вольт - это количество энергии, которая приобретает свободный электрон, ускоренный электрическим полем с разностью потенциалов в 1 вольт (В). Электрон-вольт равен 1,6?10-12 Эрг. Солнечные кванты могут изменить самую различную энергию - от миллионов электрон-вольт до миллионных долей электрон-вольта. Иначе говоря, кванты электромагнитного излучения могут различаться по энергии в миллиарды раз!

Электромагнитное излучение имеет волновой характер. Каждому кванту с определенной энергией свойственно волна излучения определенной длины. Электромагнитное излучение можно характеризовать не только в квантах разной мощности, но в соответствующих им длинах волн. Они измеряются в разных единицах длины: короткие волны квантов - ангстремами (A), что составляет 1/100 млн. часть сантиметра (10-8). Например, кванту с энергией в 1эВ соответствует длина волны ?=12400 A. Более длинные волны измеряют последовательно - миллиметрами, сантиметрами, дециметрами, метрами и километрами. Имеются и промежуточные единицы - микрометры (мкм)=104 A.

Совокупность всех видов квантов, расположенных последовательно с возрастанием их энергии, называется спектром электромагнитного излучения Солнца. Соответственно спектр солнечной радиации можно выразить через волны различной длины. Непрерывный спектр электромагнитного излучения, как показано в таблице 2, условно разделен по длине волн на диапазоны: гамма-излучение, рентгеновское, ультрафиолетовое; все это ультракоротковолновая радиация, характеризующаяся высокими значениями энергии и невосприятием ее человеческим глазом. Далее следует оптический, или световой, диапазон. За ним опять идут два невидимых диапазона электромагнитных волн - инфракрасный и радиоволн.

Дифференциация потока солнечной радиации по длине волн и энергии фотонов излучения (по М. М. Ермолаеву, 1969)

Таблица

Диапазон излучения

Длина волн в ангстремах - (A)*

Энергия фотонов (эВ)**

Гамма-лучи

<1

>104

Рентгеновское

1-650

19,5

Ультрафиолетовое

763-2 884

15,8-4,3

Оптический диапазон:

Фиолетовое

4 550

2,7

Голубое

4 920

2,5

Зеленое

5 500

2,2

Желтое

5 880

2,1

Оранжевое

6 470

1,9

Красное

<7 600

1,6

Инфракрасное

7 600-5?106

1,5

Радиоволны

>5?106

Распределение энергии по спектру неравномерное. На всю коротковолновую часть спектра - от длин волн менее одного ангстрема до приблизительно 4000 A, т. е. на гамма-лучи, рентгеновские и ультрафиолетовые лучи,- приходится только 7% энергии солнечной радиации. На оптический диапазон спектра - электромагнитные волны в интервале длин 4000-7600 A - приходится 48% энергии. Именно к оптическому диапазону приурочен максимум излучения, соответствующей сине-зеленому интервалу световой гаммы излучения. Остальные 45% солнечной радиации содержатся в основном в инфракрасном излучении - в волнах длиннее 7600 A; из этого количества энергии лишь незначительная часть приходится на радиоизлучение.

Волны электромагнитного излучения в зависимости от своей длины и соответственно энергии обладают многими индивидуальными свойствами, что имеет важное значение для формирования природных условий на планетах. Далеко не все волн солнечной радиации воспринимаются нашим глазом, большая часть их остается невидимой. Другой особенностью волн является их проницаемость в газовую и водную среды.

Солнечная радиация формирует на поверхности планет внутренней группы тепловое поле. Оно возбуждает комплекс экзогенных процессов. Их количество и интенсивность зависят не столько от мощности поступающего на поверхность планеты потока солнечной энергии, сколько от поглощающей способности внешней области планет - воздушной и водной сред.

Например, Меркурий, наиболее близкая к светилу планета, облучается самым мощным потоком солнечной радиации. Но, не имея атмосферы и воды, он не использует эту энергию и переизлучает ее обратно в космос. Марс, планета чуть ли не в 4 раза более удаленная от Солнца, чем Меркурий, получает на единицу площади своей поверхности солнечной энергии примерно в 16 раз меньше, чем приходится на аналогичную площадь поверхности Меркурия. И тем не менее действующие на Марсе экзогенные процессы во много раз интенсивнее, чем на Меркурии. Причина этого в том, что на Марсе имеются хорошо поглощающие солнечную энергию среды - воздушная оболочка и своеобразная гидросфера, хотя и без жидкой вод. Но наиболее полно используется солнечная радиация на Земле, занимающей в Солнечной системе промежуточное место между Меркурием и Марсом, а потому и получающей средний по мощности поток энергии. Максимальному использованию Землей солнечной радиации способствует наличие плотной атмосферы и огромной массы воды, почти на 95% находящейся в самой активной фазе - в жидком состоянии.

Похожие статьи




Солнечная энергия. Солнечная радиация - Солнце и Солнечная система

Предыдущая | Следующая