Солнечная постоянная. Солнечная активность. исторические этапы в изучении многолетних вариаций

В предыдущей главе мы вывели зависимость плотности энергии излучения от частоты. Во многих задачах используются интегральные по спектру характеристики: плотность энергии, интенсивность и поток. Сначала вычислим плотность энергии. Затем определим понятия интенсивности и потока и выведем формулу для полной интенсивности. В конце главы сформулируем модель границы изотропного источника, в рамках которой справедлива формула Стефана-Больцмана.

3.1 Интегральная по спектру плотность энергии

Проинтегрируем формулу (4.7) главы 2 по всему интервалу частот:

Переходя, как обычно, к безразмерной переменной

получим, что плотность энергии пропорциональна четвёртой степени температуры:

Вычислим безразмерный интеграл в правой части последней формулы. Он является частным случаем интегралов вида

соответствующим n = 4. Разложим дробь в подынтегральном выражении:

Искомый интеграл представляется в виде ряда

каждое слагаемое которого аналитически выражается через гамма-функцию

Следовательно,

Сумма в последней формуле известна как дзета –функция Римана:

Выпишем ряд её значений, некоторые из которых понадобятсянам в дальнейшем:

	z (n )
	аналитич .
	π 2 /6	1.645
		1.202
	π 4 /90	1.082
		1.037

Функция z (n ) имеет аналитическое выражение при чётных значениях аргумента. Итак, множитель пропорциональности в формуле, выражающей зависимость плотности энергии U от температуры T :

(1.1)U = a ·T 4 ,

равен

В последней формуле присутствует постоянная Больцмана

k = 1.3802·10 –16 эрг/К ,

означающая, что температура в ней выражена в градусах Кельвина.

Иногда множитель a называют постоянной Стефана–Больцмана для плотности энергии. Используется также другая форма закона Стефана–Больцмана, связывающая полный поток F и температуру чёрного тела:

F = s T 4 .

Чтобы определить величину s , необходимо сформулировать модель, в которой поток от чёрного тела отличен от нуля. Такая модель будет изложена в следующих разделах, а сейчас вычислим полное число квантов N ф в единичном объёме чёрного тела. Для этого проинтегрируем по всем частотам формулу (4.8) второй главы:

Если измерять температуру в градусах Кельвина, то

(1.3)N ф ≈ 20.3·T 3 .

В качестве примера оценим плотность числа фотонов реликтового излучения, температура которого, как известно, равна 2.73 К :

Последняя величина значительно превышает среднюю плотность частиц во Вселенной, которая по разным оценкам лежит в диапазоне от 10 –3 см –3 до 10 –6 см –3 .

3.2 Основные понятия теории излучения

Описание поля излучения основано на понятии интенсивности как энергии, протекающей через единичную площадку за единицу времени в заданном направлении в избранном интервале частот. Хотя интенсивность является характеристикой только поля излучения и не зависит от способа измерения, для её определения полезно ввести представление о некотором абстрактном приборе, который мы назовём«контрольной площадкой».

Контрольной площадкой будем считать плоскую поверхность небольших размеров (рис. 2.1), на которой задано направление. Обозначим через D S её площадь, а n - перпендикулярный ей единичный вектор.

Направление излучения характеризуется двумя величинами: вектором k и телесным углом D W вокруг него. При известных k и D W говорят об «излучении в направлении k внутри телесного угла D W ». Иногда речь идёт просто об излучении в определённом направлении k , при этом телесный угол D W подразумевается.

Интенсивность

Понятие интенсивности даёт наиболее полное представление о пространственном и частотном распределении фотонов (при необходимости - и о состояниях поляризации).

Вначале сосредоточим внимание на той части излучения, которая проходит в направлении вектора n . Величины D S и D W положим настолько малыми, что излучение можно считать однородным вдоль площадки и не зависящим от направления внутри телесного угла D W . Будем следить за прохождением излучения в течение столь короткого промежутка времени, что никакие его характеристики не успевают измениться. В таких условиях количество энергии D E, протекшей через площадку за время D t в интервале частот D ω , пропорционально произведению D S ·D W ·D ω ·D t . Следовательно, отношение

не зависит от размеров контрольной площадки, продолжительности измерения и выбранного угла раствора.

Но последнюю формулу ещё нельзя считать полноценной характеристикой поля излучения, так как осталась зависимость от направления площадки. Действительно, если наклонить площадку так, что векторы k и n образуют угол q , то в том же самом поле излучения количество энергии, прошедшей через площадку, уменьшится пропорционально |cos q |.

Величина энергии, протекающей сквозь площадку, пропорциональна площади её проекции на плоскость волнового фронта:

D E µ D S cos q .

Таким образом, если D t , D S и D W удовлетворяют условиям применимости формулы (2.1), то отношение

уже не зависит от направления контрольной площадки и может быть принято в качестве характеристики поля излучения.

Устремим к нулю D S , D ω , D W и D t . Получающийся в результате предел называется интенсивностью:

Интенсивность является фундаментальным понятием. В случае анизотропного поля излучения именно через неё выражаются все другие функции направления и частоты.

«Входящая» и «выходящая» энергия

Интенсивность всегда считается положительной величиной, что заставляет нас приписывать определённый знак проходящей через площадку энергии D E. А именно, из положительности отношения D E /cos q в (2.2) следует:

Из данного соглашения вытекает следующая терминология. Если q - острый угол, то говорят, что излучение «выходит» из площадки, а при тупом угле q оно «входит» в неё. Этой условной терминологии мы будем придерживаться в дальнейшем. Она определяется выбором знака направления вектора n вдоль перпендикуляра к контрольной площадке. Сменив направление n на противоположное, мы превращаем «входящее» излучение в «выходящее» и наоборот.

Учёт симметрии

Введём сферическую систему координат (рис.3.2.2). Начало отсчёта помещаем в центр контрольной площадки, а направление на полюс P выберем вдоль вектора n . При таком выборе осей

полярный угол некоторой точки M совпадает со введённым ранее углом q между векторами n и k . Плоскость экватора совпадает с контрольной площадкой. Азимутальный угол j отсчитывается вдоль экватора от нулевого меридиана PG .

Во всех решаемых нами задачах поле излучения обладает достаточно высокой степенью симметрии; по крайней мере, оно всегда цилиндрически симметрично. Это обстоятельство мы учитываем соответствующим выбором контрольной площадки, направляя вектор n вдоль оси симметрии. Направление нулевого меридиана можно выбирать произвольно, так как от азимутального угла j интенсивность не зависит. Поэтому интегрирование по j в данном случае сводится просто к умножению на 2π . В дальнейшем мы будем считать, что система отсчёта выбрана именно таким образом, что интенсивность зависит только от полярного угла q , а при интегрировании по телесному углу справедливо равенство

позволяющее свести двумерный интеграл к одномерному. Здесь f (q ) - любая функция полярного угла.

Поток

Среди космических объектов встречается много точечных источников излучения, то есть, источников, угловые размеры которых значительно меньше разрешающей способности телескопа. К ним относятся практически все звёзды, кроме Солнца. Понятие интенсивности для излучения точечных источников лишено смысла и для них пользуются другой величиной - потоком излучения. Поток является мерой полной энергии, протекающей через единичную площадку, направление которой известно. Разобьём полный телесный угол 4π на N участков малого размера D W i :

Теперь измерим энергию D E i , проходящую через площадку в направлении D W i , и найдём сумму

При этом мы учитываем соглашение (2.3) о знаке D E i : если энергия «входит» в площадку, то ей приписываем положительный знак, а если «выходит», то отрицательный. В пределе бесконечно большого числа разбиений на бесконечно малые площадки сумма (2.5) превращается в интеграл

где обозначение контурного интеграла напоминает, что интегрирование ведётся по всем направлениям с учётом знака dE . Во время суммирования по углам мы, как и выше, полагали величины D S , D t и D ω настолько малыми, что энергия D E пропорциональна произведению D S D t D ω . Как и в случае интенсивности, потоком F ω называется предел

Сопоставляя определения (2.2) и (2.6), приходим к выражению потока через интенсивность:

У точечных источников измеряется именно поток излучения. В случае цилиндрической симметрии, когда справедлива формула

Обычно мы будем пользоваться последней формулой.

Суммирование по угловым переменным в (2.6), на первый взгляд, должно означать, что поток не зависит от направления. Это действительно так, если иметь в виду характеристику поля излучения. Но величина потока зависит от направления площадки. Здесь проявляется различие между интенсивностью и потоком. Если мы изменим направление контрольной площадки, не меняя поля излучения, то интенсивность в любом направлении останется прежней, но поток через площадку станет другим. Поэтому при вычислении потока важно указывать, о какой площадке идёт речь. Далее мы будем иметь в виду обычно принимаемое предположение, что площадка расположена перпендикулярно лучу зрения.

Средняя интенсивность

Средняя интенсивность Jω определяется как делённый на 4π интеграл от интенсивности по всем направлениям:

В случае изотропной (не зависящей от направления) интенсивности, когда

I ω = I 0,

постоянный множитель I 0 можно вынести за знак интеграла. Учитывая, что телесный угол полной сферы равен 4π , получим

J ω = I 0 .

В (2.9) мы суммируем именно интенсивность, а не прошедшую через площадку энергию с учётом знака. Это свойство отличает среднюю интенсивность от потока. Особенно сильно различие проявляется в только что рассмотренном случае изотропного излучения. Здесь количество «втекающей» и «вытекающей» энергии одинаково в каждом направлении, откуда следует, что полный поток через любую площадку равен нулю.

Интенсивность и плотность энергии

Средняя интенсивность связана с плотностью энергии излучения. Обозначим посредством dU ω (W ) плотность энергии квантов, летящих в определённом направлении d W . За время D t в телесном угле D W через площадку D S , расположенную перпендикулярно рассматриваемому направлению, проходит количество энергии, равное произведению dU ω (W ) на объём параллелепипеда площадью D S и высотой c ·D t ,(c - скорость света). Воспользовавшись определением интенсивности (2.2), напишем

откуда получим выражение для полной плотности энергии:

или, согласно (2.9)

Итак, плотность энергии излучения однозначно связана со средней интенсивностью.

Поток от границы изотропного источника

Сформулируем модель границы изотропного источника. Графически она изображена на рис.(3.2.3).

Аналитически модель определяется следующей зависимостью интенсивности от полярного угла q :

Смысл этого выражения в том, что исходящее от границы излучение изотропно, но отсутствует излучение, входящее в неё извне. Такое поле излучения уже не является изотропным, и поэтому его поток может быть отличен от нуля. С помощью (2.8) получим

(2.13)F = π I 0 .

Подчеркнём, что, строго говоря, (2.13) не есть связь между потоком и интенсивностью, так как поток - это число, а интенсивность - функция угла. Равенство числа и функции возможно только в том случае, если функция принимает постоянное значение во всей области определения. Но изотропной интенсивности отвечает поток, равный нулю. Формула (2.13) справедлива только для функции I ω (q ) из (2.12).

Формула Стефана–Больцмана

Формула Стефана-Больцмана для интегрального по всему спектру потока излучения F справедлива в рамках сформулированной выше модели границы изотропного источника. Внутри чёрного тела интенсивность I равна своему среднему по углам значению J , которое, в свою очередь, с помощью формулы (2.11) выражается через плотность энергии. Воспользовавшись(1.1 ) и (1.2 ) окончательноприходим к

(2.14)F = s T 4 ,

есть постоянная Стефана–Больцмана для потока излучения, или просто постоянная Стефана–Больцмана.

3.3 Н екоторые приложения

Приведём несколько приложений модели чёрного тела к космическим объектам.

Светимость Солнца

Спектр Солнца близок к планковскому с температурой

T e ≈ 6·10 3 K,

а его радиус R e составляет около 6.96·10 10 см. Поэтому светимость Солнца равна

Она обусловлена, в конечном итоге, переработкой водорода в гелий, причём излучение уносит около 0.8% от энергии покоя в расчёте на один нуклон. На стадии главной последовательности в этом процессе участвует около одной десятой массы звезды. Принимая массу Солнца равной 2·10 33 г, приходим к выводу, что его запас энергии составляет около 1.4·10 51 эрг. Таким образом, Солнцу осталось «жить» на главной последовательности примерно 10 10 лет.

Солнечная постоянная

Снова считая Солнце чёрным телом, оценим энергию, приходящую от него на единичную площадку в окрестности Земли. Расстояние r между Землёй и Солнцем примем равным одной астрономической единице:

r = 1 а.е .= 1.495979·10 13 см.

Разделив светимость Солнца на площадь сферы радиуса r , получим так называемую солнечную постоянную, то есть, поток всего излучения, падающий вне атмосферы Земли на площадку единичной площади при среднем расстоянии Земли от Солнца:

В настоящее время среднестатистическое энергопотребление составляет несколько киловатт на одного жителя нашей планеты. Несколько квадратных метров солнечных батарей, казалось, могли бы обеспечить среднедушевую потребность в энергии . Однако, низкая эффективность батарей (теоретический к.п.д. батарей составляет около 40%, а серийных элементов - 10%.), переменчивость погоды, некруглосуточный режим работы, непредсказуемые экологические последствия затенения огромных площадей и выведения их из хозяйственного оборота - всё это делает перспективы солнечной энергетики весьма проблематичными.

Температура Земли

Оценим температуру Земли, исходя из условия лучистого баланса. Поверхность Земли считаем абсолютно чёрным телом с температурой T Å . Радиус Земли обозначим R Å . На Землю приходит энергия Солнца, равная произведению солнечной постоянной f на площадь земного диска причём доля этого излучения, равная альбедо A, отражается обратно в мировое пространство. Среднее значение альбедо Земли A (альбедо Бонда) равно 0.36. Будем полагать, что, достаточно быстро вращаясь, Земля равномерно прогревается и всю пришедшую на неё энергию переизлучает по закону Стефана-Больцмана. Отсюда следует уравнение баланса:

из которого следует формула для температуры Земли:

>

Радиус Земли выпал из окончательного результата. Таким образом, для определения температуры нагреваемого Солнцем объекта важны не его размеры, а расстояние от Солнца. Подставляя значения известных параметров, получим численную оценку температуры T Å :

T Å ≈ T Å / 23 ≈ 258 K = –15° C.

В действительности климат Земли значительно более мягкий. Её средняя температура составляет около 18° C за счёт так называемого парникового эффекта - нагрева нижней атмосферы излучением поверхности Земли. Атмосфера поглощает восходящий от поверхности планеты поток длинноволнового излучения, нагревается и, в свою очередь, нагревает поверхность Земли. Как мы установили в разделе (2.7) второй главы, для человеческого глаза максимум в спектре излучения Солнца приходится на длину волны около 5500Å. Температура Земли, согласно оценке предыдущего раздела, примерно в 23 раза меньше температуры Солнца, следовательно в её спектре излучения максимум приходится на длину волны примерно 10 мкм. Роль парникового эффекта иллюстрирует рис. 3.3.1. Жёлтым цветом вверху обозначен спектр излучения Солнца в модели чёрного тела, а

красным - излучение Земли. Оба спектра приведены в относительных единицах. Зелёная линия внизу - степень поглощения земной атмосферой излучения на разных длинах волн. Хорошо видно, что солнечный свет проходит сквозь атмосферу практически беспрепятственно. Наоборот, на участке спектра от 10 до 20 мкм находятся полосы поглощения молекул CO 2 , H 2 O, O 3 , CH 4 . Они–то и поглощают излучение, приходящее с поверхности Земли.

Эффективная температура звезды

Не только у Солнца спектр излучения близок к функции Планка. Таким свойством обладает большинство звёзд. Поэтому в астрономии принята особая единица измерения интегрального потока - эффективная температура T eff . Она определяется следующим образом. Если интегральный поток, излучаемый с поверхности звезды, равен F star , то

Физическое содержание этого определения раскрывается его сравнением с формулой (2.14). Эффективная температура - это температура чёрного тела, размеры и светимость которого совпадают с размером и светимостью звезды. Формально (3.1) применимо к любому источнику и является всего лишь мерой потока. Но если источник имеет тепловую природу, то величина T eff даёт представление о температуре его поверхности.

По данным внеатмосферных измерений солнечная постоянная составляет 1367 Вт / ², или 1,959 кал /см²·мин.

Инструментальные измерения солнечной постоянной

Прямые инструментальные измерения солнечной постоянной стали производиться с развитием внеатмосферной астрономии, то есть с середины 1960-х, при проводившихся ранее наблюдениях с поверхности Земли приходилось вносить поправки на поглощение солнечного излучения атмосферой.

Вариации солнечной постоянной

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 (цикла Швабе), по-видимому, не превышает ~10 −3 , доля изменчивости в оптическом диапазоне, обусловленная вкладом солнечных пятен, оценивается ~10 −4 . Для оценки вариаций солнечной постоянной в течение более длительных солнечных циклов (циклы Хейла, Гляйсберга и пр.) данные прямых измерений отсутствуют.

В соответствии с современными моделями развития Солнца, в долгосрочной перспективе его светимость будет возрастать примерно на 1 % за 110 миллионов лет .

Влияние на климат Земли и косвенные методы измерения

Долгопериодические вариации солнечной постоянной имеют 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 .

Световая солнечная постоянная

Освещённость перпендикулярной потоку площадки, расположенной за пределами атмосферы на среднем расстоянии Земли от Солнца, в видимом диапазоне спектра называется световой солнечной постоянной. По оценке В. В. Шаронова середины XX века она равна 135000 люксов . В англоязычной литературе понятию «световая солнечная постоянная» соответствует термин «solar illuminance constant».

См. также

Напишите отзыв о статье "Солнечная постоянная"

Примечания

Ссылки

• .
• .

Отрывок, характеризующий Солнечная постоянная

Маленькая княгиня лежала на подушках, в белом чепчике. (Страдания только что отпустили ее.) Черные волосы прядями вились у ее воспаленных, вспотевших щек; румяный, прелестный ротик с губкой, покрытой черными волосиками, был раскрыт, и она радостно улыбалась. Князь Андрей вошел в комнату и остановился перед ней, у изножья дивана, на котором она лежала. Блестящие глаза, смотревшие детски, испуганно и взволнованно, остановились на нем, не изменяя выражения. «Я вас всех люблю, я никому зла не делала, за что я страдаю? помогите мне», говорило ее выражение. Она видела мужа, но не понимала значения его появления теперь перед нею. Князь Андрей обошел диван и в лоб поцеловал ее.
– Душенька моя, – сказал он: слово, которое никогда не говорил ей. – Бог милостив. – Она вопросительно, детски укоризненно посмотрела на него.
– Я от тебя ждала помощи, и ничего, ничего, и ты тоже! – сказали ее глаза. Она не удивилась, что он приехал; она не поняла того, что он приехал. Его приезд не имел никакого отношения до ее страданий и облегчения их. Муки вновь начались, и Марья Богдановна посоветовала князю Андрею выйти из комнаты.
Акушер вошел в комнату. Князь Андрей вышел и, встретив княжну Марью, опять подошел к ней. Они шопотом заговорили, но всякую минуту разговор замолкал. Они ждали и прислушивались.
– Allez, mon ami, [Иди, мой друг,] – сказала княжна Марья. Князь Андрей опять пошел к жене, и в соседней комнате сел дожидаясь. Какая то женщина вышла из ее комнаты с испуганным лицом и смутилась, увидав князя Андрея. Он закрыл лицо руками и просидел так несколько минут. Жалкие, беспомощно животные стоны слышались из за двери. Князь Андрей встал, подошел к двери и хотел отворить ее. Дверь держал кто то.
– Нельзя, нельзя! – проговорил оттуда испуганный голос. – Он стал ходить по комнате. Крики замолкли, еще прошло несколько секунд. Вдруг страшный крик – не ее крик, она не могла так кричать, – раздался в соседней комнате. Князь Андрей подбежал к двери; крик замолк, послышался крик ребенка.
«Зачем принесли туда ребенка? подумал в первую секунду князь Андрей. Ребенок? Какой?… Зачем там ребенок? Или это родился ребенок?» Когда он вдруг понял всё радостное значение этого крика, слезы задушили его, и он, облокотившись обеими руками на подоконник, всхлипывая, заплакал, как плачут дети. Дверь отворилась. Доктор, с засученными рукавами рубашки, без сюртука, бледный и с трясущейся челюстью, вышел из комнаты. Князь Андрей обратился к нему, но доктор растерянно взглянул на него и, ни слова не сказав, прошел мимо. Женщина выбежала и, увидав князя Андрея, замялась на пороге. Он вошел в комнату жены. Она мертвая лежала в том же положении, в котором он видел ее пять минут тому назад, и то же выражение, несмотря на остановившиеся глаза и на бледность щек, было на этом прелестном, детском личике с губкой, покрытой черными волосиками.
«Я вас всех люблю и никому дурного не делала, и что вы со мной сделали?» говорило ее прелестное, жалкое, мертвое лицо. В углу комнаты хрюкнуло и пискнуло что то маленькое, красное в белых трясущихся руках Марьи Богдановны.

Через два часа после этого князь Андрей тихими шагами вошел в кабинет к отцу. Старик всё уже знал. Он стоял у самой двери, и, как только она отворилась, старик молча старческими, жесткими руками, как тисками, обхватил шею сына и зарыдал как ребенок.

Через три дня отпевали маленькую княгиню, и, прощаясь с нею, князь Андрей взошел на ступени гроба. И в гробу было то же лицо, хотя и с закрытыми глазами. «Ах, что вы со мной сделали?» всё говорило оно, и князь Андрей почувствовал, что в душе его оторвалось что то, что он виноват в вине, которую ему не поправить и не забыть. Он не мог плакать. Старик тоже вошел и поцеловал ее восковую ручку, спокойно и высоко лежащую на другой, и ему ее лицо сказало: «Ах, что и за что вы это со мной сделали?» И старик сердито отвернулся, увидав это лицо.

Солнечная радиация. Плотность потока солнечного излучения, достигающего пределов земной атмосферы, составляет 1360 Вт/м2. Эта величина называется солнечной постоянной. На единицу площади всей поверхности атмосферы приходится в среднем 1 /4 солнечной постоянной. Дальнейшее распределение этого потока зависит от высоты Солнца над горизонтом, географической широты, состояния атмосферы и других факторов. Часть поступившей энергии отражается атмосферой в космическое пространство, другая часть поглощается толщей атмосферы и идет на ее нагревание. Итоговый радиационный баланс прихода солнечной энергии к поверхности земли составляет от 15 Вт/м2 в субполярных широтах до 120 Вт/м2 в тропических.[ ...]

Солнечная постоянная и оценка температуры Земли Солнечная постоянная й© определяется как плотность потока энергии солнечного излучения на среднем расстоянии от Земли до Солнца (за пределами земной атмосферы). Она пропорциональна потоку излучения с единицы, поверхности Солнца и отношению радиуса Солнца к расстоянию от Земли до Солнца. Теоретические оценки, связанные с моделью черного тела, т. е. с законом Стефана-Больцмана, дают 3© = (1373 ± 14) Вт/м2. Внеатмосферные измерения показали близкий результат 5© = = (1367 =Ь 6) Вт/м2.[ ...]

Поток солнечной энергии отличается большим постоянством. . Его интенсивность, подсчитанная для внешней поверхности воздушной оболочки Земли, равна 137 + 20 Вт/м2 и называется солнечной постоянной.[ ...]

Не вся солнечная радиация достигает поверхности Земли. За пределами атмосферы перпендикулярная к солнечным лучам поверхность получает энергию порядка 2,00 кал/см2 - мин (1,39 ■ 103 Дж/м2 с). Эта величина называется солнечной постоянной-, она слегка варьирует по сезонам года в соответствии с изменением удаления Земли от Солнца.[ ...]

СВЕТОВАЯ СОЛНЕЧНАЯ ПОСТОЯННАЯ. Освещенность, создаваемая солнечной радиацией на границе атмосферы на площадке, расположенной перпендикулярно лучам.[ ...]

Средний поток солнечной энергии на расстоянии среднего радиуса орбиты Земли называется солнечной постоянной 5о, имеющей величину порядка 1376 Вт/м2. Полная энергия, получаемая от Солнца в единицу времени, равна о, где Я - радиус Земли. Площадь поверхности Земли равна 4тгК2, поэтому среднее количество энергии, получаемое единицей площади Земли в единицу времени, равно 50/4. Часть падающей на Землю энергии а в результате рассеяния и отражения уходит безвозвратно в космическое пространство; число а называется альбедо Земли и имеет величину порядка 0,3 . Следовательно, средний поток поглощаемой энергии равен (1 - а)50 / 4.[ ...]

См. метеорологическая солнечная постоянная.[ ...]

АСТРОНОМИЧЕСКАЯ СОЛНЕЧНАЯ ПОСТОЯННАЯ. Солнечная постоянная в обычном значении этого термина, т. е. определенная при учете также и той солнечной радиации в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра, которая целиком поглощается в высоких слоях атмосферы и потому не может быть про-экстраполирована по наземным наблюдениям.[ ...]

Значительная часть солнечной радиации, поступающей на Землю, охватывает диапазон волн в пределах 0,15-4,0мкм. Примерно половина радиации приходится на полосу длин волн между 0,38 и 0,87 мкм, видимую человеческим глазом и воспринимаемую как свет. Количество солнечной энергии, поступающее на поверхность Земли иод прямым углом, называемое солнечной постоянной, равно 1,4 -10 3 Дж/(м2-с) . Из 100 единиц коротковолновой солнечной энергии, достигающей атмосферы Земли, 19 единиц поглощаются ее компонентами, 34 единицы возвращаются в космос (отражение от облаков и поверхности Земли). Из 47 единиц, попадающих на Землю, 4 нагревают воздух, 2 нагревают почву, 1-участвует в фотосинтезе и 40-используется для испарения воды и процессов транспирации в растениях. Длинноволновая радиация практически целиком (96%) достигает поверхности Земли и отражается от нее также в виде длинноволновой, в интервале волн до 100 мк.[ ...]

Количество энергии солнечного излучения, поступающего к Земле (к верхней границе атмосферы), практически постоянно и оценивается значением 1370 Вт/м2. Эта величина называется солнечной постоянной. Однако приход энергии солнечного излучения к поверхности самой Земли существенно колеблется в зависимости от ряда условий: высоты Солнца над горизонтом, широты, состояния атмосферы и др. Форма Земли (геоид) близка к шарообразной. Поэтому наибольшее количество солнечной энергии поглощается в низких широтах (экваториальный пояс), где температура воздуха у земной поверхности, как правило, выше, чем в средних и высоких широтах. Приход энергии солнечного излучения в разные районы земного шара и ее перераспределение определяют климатические условия этих районов.[ ...]

Заметное уменьшение солнечной постоянной является причиной снижения температуры земной поверх-ности. В высоких широтах этот эффект, как можно видеть из рис. Уменьшение солнечной радиации на 1,6% может вызвать катастрофическое оледенение Земли. Причиной уменьшения солнечной радиации может быть снижение прозрачности земной атмосферы, которое, в свою очередь обусловлено присутствием в атмосфере частиц пыли.[ ...]

Хотя колебания общего солнечного излучения в широком диапазоне длин волн (солнечной постоянной) весьма незначительны (в пределах 1 % этой величины), изменения солнечной активности нередко оказываются связанными с различными процессами в атмосфере и климатическими изменениями. Так, по-видимому, изменения магнитного поля, связанные с изменениями границ солнечного ветра, сказываются на тропосферной циркуляции; изменения активности Солнца в масштабе единиц и десятков лет могут влиять на интенсивность засух в различных частях земного шара; долгопериодные (в масштабе столетий) колебания активности Солнца могут в значительной степени определять изменения типа «малого ледникового периода».[ ...]

ДОЛГИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ПОСТОЯННОЙ. Определение солнечной постоянной на основании спектроболометрических измерений в нескольких десятках участков спектра при разных массах атмосферы. По этим данным, проэкстраполированным к массе, равной нулю, строят сглаженную кривую распределения энергии на границе атмосферы. Величина площади, ограниченной этой кривой, дополненная «инфракрасной» и «ультрафиолетовой» поправками, дает значение солнечной постоянной в условных единицах. Для перевода солнечной постоянной в абсолютные единицы служит сравнение с одновременными пиргелиометрическими измерениями. Ср. короткий метод определения солнечной постоянной.[ ...]

КОРОТКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ПОСТОЯННОЙ. Метод, позволяющий быстра определить величину солнечной постоянной. Сначала определяют спектральные коэффициенты прозрачности атмосферы по значению некоторой функции / величина которой вычисляется по запасу воды в атмосфере и по интенсивности околосолнечного сияния. По найденным величинам спектральных коэффициентов прозрачности и по данным спектроболометрических измерений строят кривую распределения энергии на границе атмосферы. Ср. долгий метод определения солнечной постоянной.[ ...]

ВНЕАТМОСФЕРНАЯ ИНТЕНСИВНОСТЬ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ. Интенсивность солнечной радиации на верхней границе атмосферы, меняющаяся в зависимости от изменения расстояния между Землей и Солнцем, в отличие от солнечной постоянной, рассчитанной для среднего расстояния Земли от Солнца.[ ...]

В настоящее время информация о солнечной постоянной, ее абсолютной величине и временной изменчивости получается по данным прецизионных измерений с помощью специальной аппаратуры на искусственных спутниках Земли, космических зондах и ракетах.[ ...]

Ранее, до реализации названных выше технологий, солнечную постоянную определяли путем экстраполяции измерений на разных высотах на внешнюю границу атмосферы.[ ...]

Источником почти всей энергии на Земле служит Солнце. Солнечная постоянная - полный поток радиации, поступающий за 1 мин на 1 см2 площади, перпендикулярной к направлению солнечных лучей, за пределами атмосферы, - равна 8,2 Дж/(см2- мин). Основное количество энергии Солнца поступает в виде коротковолновой радиации.[ ...]

Горные обсерватории имели особое значение в ранних исследованиях солнечной радиации и солнечной постоянной - среднего потока солнечной радиации, получаемой поверхностью, перпендикулярной к солнечным лучам, вне атмосферы при среднем расстоянии Земли от солнца.[ ...]

Отправной точкой рассмотрения радиационной энергетики системы океан-атмосфера является внеатмосферный интегральный поток солнечной радиации, приведенный к среднему расстоянию между Землей и Солнцем, называемый солнечной постоянной и колеблющийся в пределах „1322-1428 Вт/м2. Подавляющая часть энергии солнечного излучения лежит в области длин волн 0,3- 0,5 мкм. Исследованию солнечной постоянной полностью или частично посвящено большое количество работ обзорного и монографического характера . Во многих из них ставится под сомнение постоянство во времени солнечной постоянной. Обработка длинных временных рядов высокогорных, самолетных, аэростатных и спутниковых наблюдений показала условность этого термина. Так, 1000-суточный ряд наблюдений дал максимальный размах изменчивости 6,18 Вт/м2 при среднем значении 1372 Вт/м2 . В для средневзвешенного значения солнечной постоянной за период 1969-1981 гг. получено 1367,6 Вт/м2 при погрешности 0,3 %, а в называется на 1 % меньшее значение- 1353 Вт/м2. Кстати, однопроцентное изменение солнечной постоянной, согласно результатам численного моделирования , соответствует изменению средней глобальной температуры иа один градус. Например, ее спад в 1980 г. составил 0,04 % . Регрессионный анализ позволил установить тренды уменьшения солнечной постоянной 0,0255 % (0,049 % по другим данным) в год . Отмечается корреляция короткопериодных спадов с числом солнечных пятен.[ ...]

Главными источниками биологически используе-нергия мой энергии для подавляющего большинства живых существ на Земле являются солнечный свет и пища, в органических веществах которой аккумулирована солнечная энергия. Валовой ресурс солнечной энергии практически неисчерпаем. Ее доступность для земных потребителей обусловлена солнечной постоянной и климатом, а также первичной продукцией биосферы. Ресурсы небиологического использования энергии рассматриваются в гл. 6.[ ...]

Для стандартизации обработки данных и климатических расчетов на международных съездах принимались, естественно доказательно, значения солнечной постоянной с указанием погрешностей ее определения. Примером может служить решение в 1957 г. Международной актинометрической комиссии при ВМО и др. Ракетное зондирование и измерения с искусственных спутников Земли в период с 1976 г. по 1981 г. позволили измерить значение солнечной постоянной - 1367±4 Вт/м2. В настоящее время принято это ее значение. Но следует помнить, что в конкретный момент времени полная энергетическая освещенность солнечным излучением на верхней границе атмосферы колеблется в пределах ±3,5% в зависимости от положения Земли на ее орбите.[ ...]

Количество энергии, поступающей в определенный промежуток времени, определяет мощность энергетического потока. Мощность - скорость энергетического потока. Мощность солнечной энергии, приходящаяся на единицу поверхности Земли, определяется следующими факторами. Солнечная постоянная Ьс, равная количеству энергии солнечных лучей, поступающих в единицу времени на единицу площади, перпендикулярной к солнечным лучам и находящейся вне земной атмосферы на среднем расстоянии от Солнца, составляет 1360 Вт/м2. Средний поток солнечного излучения на единицу земной поверхности вне пределов атмосферы Ь3 относится к солнечной постоянной как площадь круг а к площади шара и соответствует Ь3= Ьс/4, т.е. 340 Вт/м2.[ ...]

На границе земной атмоо iL .-f/P феры с космосом радиация составляет от 1,98 до 2 кал/см2мин., или 136 МВТ/ см2 («солнечная постоянная»). Как видно на рисунке 4.1,42% всей пад ающей радиации (33%+9%) отражается атмосферой в космическое пространство, 15% поглощается толщей атмосферы и вдет на ее нагревание и только 43% достигает земной поверхности. Эта доля радиации состоит из прямой радиации (27%)-почта параллельных лучей, идущих непосредственно от Солнца и несущих наибольшую энергетическую нагрузи и рассеянной (диффузной) радиации (16%) - лучей, поступающих к - /У/ Земле со всех точек небосвода, рассеянных молекулами газов воздуха, капельками водяных паров, кристалликами лада, частицами пыли, атакже отраженных вниз от облаков. Обшую сумму прямой и рассеянной радиации назьгва-ют суммарной радиацией.[ ...]

Световой режим. Количество достигающей поверхности Земли радиации обусловлено географической широтой местности, продолжительностью дня, прозрачностью атмосферы и углом падения солнечных лучей. При разных погодных условиях к поверхности Земли доходит 42 - 70% солнечной постоянной (рис. 4.1). Проходя через атмосферу, солнечная радиация претерпевает ряд изменений не только в количественном отношении, но и по составу. Коротковолновая радиация поглощается озоновым экраном и кислородом воздуха. Инфракрасные лучи поглощаются в атмосфере водяными парами и диоксидом углерода. Остальная часть в виде прямой или рассеянной радиации достигает поверхности Земли (рис. 5.39).[ ...]

Пир! елиометрические данные, полученные спустя 30 лет Бюро погоды США на г. Эванс в штате Колорадо, дали значение 1349 Вт/м2 . Оба этих числа очень близки к современному значению, полученному при измерениях со спутников Высокогорные станции по-прежнему используются для исследования радиации. Разность между этим числом и солнечной постоянной объясняется поглощением в верхней атмосфере.[ ...]

ПРИВЕДЕННАЯ ИНТЕНСИВНОСТЬ РАДИАЦИИ. 1. К определенной массе атмосферы. Среднее (в данном месте) значение интенсивности прямой радиации при произвольно взятой массе атмосферы (высоте солнца). Может быть определена из величины солнечной постоянной /о по эмпирической формуле, построенной на основе многолетних наблюдений. П. И. Р. имеет большое значение при климатических характеристиках радиационных условий данного места.[ ...]

Описание изменения температуры климатической системы Земли принимает форму, подобную движению частицы в потенциальной яме. Отметим, что даже такое упрощенное представление приводит к выводу, что климат Земли является неоднозначным. Например, при данном значении солнечной постоянной и при существующем химическом составе сухого воздуха кроме современного климата мог бы иметь место совершенно другой климат, в частности, так называемый климат «белой Земли».[ ...]

Проблема ледниковых периодов еще долго будет оставаться в сфере интересов естествоиспытателей: она действительно сложна. На характер климата, а следовательно, и Оледенений Оказывают, конечно, большое влияние и космические факторы, такие как колебания земной оси, изменение величины солнечной постоянной и, наверное, многое другое. Но первостепенное значение имеют и локальные причины. И первым на это указал В. А. Кос-тицын. Изучение локальных механизмов особенно важно теперь, когда роль антропогенных факторов непрерывно растет. Вот почему та страница истории естествознания, которой принадлежит деятельность В. А. Костицына, уже относится к теории ноосферы.[ ...]

Земля вращается вокруг Солнца по мало растянутому эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце.[ ...]

Так как текущее состояние океана и атмосферы является результатом их отклика на радиацию, получаемую от Солнца, хотелось бы знать, какая изменчивость имеется в этой радиации. Суммарное количество радиации, падающей на Землю в течение 1 года, зависит только от радиации, исходящей от Солнца. Эта радиация измеряется солнечной постоянной 5; ее фактическое значение определяется равенством (1.2.1). Измерения, проводимые начиная с 1920 года , показали отсутствие изменчивости, превышающей возможные погрешности измерений, так что за этот период 5 изменялось не более чем на 1 или 2%. Таким образом, гипотеза о постоянстве 5, что предполагается и в самом названии «солнечная постоянная», согласовывается с полученными по сей день наблюдениями, хотя другие возможности не исключаются. Однако количество радиации, падающей в отдельную точку на Земле, меняется в огромных пределах между днем и ночью и от сезона к сезону, и эти вариации несомненно важны для известной нам жизни. Так как акцент в этой книге делается на периоды, большие чем сутки, то суточные вариации не будут непосредственно рассматриваться. Однако важно подчеркнуть, что существование суточных вариаций может оказать воздействие на состояние атмосферы на более длительных периодах; величина эффекта зависит от амплитуды суточных вариаций. Воздух не является «неперемешиваемым» ночыо, так что суммарный эффект существенно отличен от того, который достигается при постоянной радиации.[ ...]

При всем разнообразии температурного режима в разных климатических зонах и в разных ландшафтах на Земле основные источники поступления энергии и ее потерь остаются всегда теми же самыми. Однако их эффективность может меняться в зависимости от различных событий планетного масштаба, что ведет к тем или иным изменениям климата. Наиболее мощный и постоянный источник энергии, поступающей на планету - излучение Солнца. Интенсивность потоков световой и тепловой, в виде инфракрасного излучения, энергии, падающей на Землю от Солнца, практически остается постоянной. Величину энергии излучения на расстоянии в 1 астрономическую единицу от ¿олнца, то есть на среднем расстоянии Земли от Солнца, называют солнечной постоянной. Она составляет 1,95 кал/см2 мин. В течение года интенсивность потока энергии, падающей на Землю, несколько меняется вследствие того, что орбита, по которой планета движется вокруг Солнца, имеет эллиптическую форму, хотя и близкую к круговой.

Солнечная постоянная

S 0 - интегральный поток солнечного излучения, проходящий через единичную площадку, перпендикулярную направлению лучей, за пределами земной атмосферы и на среднем расстоянии от Солнца (1 а.е.). При определении С.п. с поверхности Земли приходится вводить поправки, учитывающие (ослабление светового потока) в земной атмосфере. Чтобы уменьшить эти поправки, с середины 1960-х гг. измерения С.п. производились аппаратурой, поднятой на большие высоты, в частности с ракет и спутников. Согласно внеатмосферным измерениям, С.п. составляет (13676) Вт/м 2 , или 1,959 кал./(см 2 мин). Независимые определения С.п. по данным измерений распределения энергии в спектре Солнца дают величину (137314) Вт/м 2 . Зная С.п., можно определить светимость Солнца и его ср. . Действительно, энергия, излучаемая Солнцем по всем направлениям, проходит через поверхность сферы радиусом м. На каждый м 2 этой сферы приходится энергия Вт. Следовательно, светимость Солнца Вт (T э =5770 К). Земля получает лишь долю излучаемой Солнцем энергии.

С.п. не явл. истинно постоянной величиной. Ее вариации, обусловленные гл. обр. солнечными пятнами, составляют не более сотых долей %, причем сильнее всего поток излучения меняется в рентг. и радиодиапазонах. В пределах 11-летнего цикла солнечной активности С.п. может меняться, по-видимому, не более чем на неск. десятых долей %. Для выявления вариаций С.п. необходимы длинные ряды абс. измерений с погрешностью, не превышающей 0,1%.

Точные данные о С.п. необходимы многим смежным наукам: геофизике, климатологии, экологии; особенно важны сведения о том, как изменяется и изменялась в прошлом С.п. (напр., с 11-летним циклом солнечной активности), каковы ее вековые изменения. Изменения С.п. на 0,1% на протяжении одного года ведут к изменению глобальной температуры Земли не менее чем на 0,1 К, что уже влияет на климат (оценка сильно зависит от принятой модели атмосферы Земли). Полагают, что изменения климата Земли с характерными временами 2500 лет и 80-100 лет, по крайней мере частично, объясняются изменениями С.п. Точные измерения С.п., ее спектр. составляющих вне земной атмосферы и у поверхности Земли, помогут решить экологическую проблему влияния деятельности человека на климат Земли, на атмосферный слой озона (озоносферу) и т.п.