Мощность уф излучения солнца на поверхности земли. Некоторые физические основы эффективного аккумулирования солнечной энергии солнечным соляным прудом

От каких же причин она меняется, когда доходит до земной поверхности?

Таких причин несколько.

Известно, что Земля вращается вокруг Солнца не по кругу, а по эллипсу. Вследствие этого расстояние между Землей и Солнцем в продолжение всего года непрерывно меняется. Наименьшее расстояние бывает в январе, когда Земля находится в перигелии, а наибольшее - в июле, при нахождении Земли в афелии.

Благодаря этому каждый квадратный сантиметр поверхности, поставленной перпендикулярно к солнечным лучам, в январе будет получать солнечной радиации на 7 процентов больше, чем в июле. Эти периодические изменения, повторяющиеся из года в год, поддаются самому точному расчету и ни в каких измерениях не нуждаются.

Далее, в зависимости от высоты Солнца над горизонтом длина пути солнечного луча в атмосфере меняется очень значительно. Чем ниже Солнце над горизонтом, тем меньше солнечной радиации должно доходить до земной поверхности. Зная рассеивающие и поглощающие свойства так называемой идеальной атмосферы, то есть абсолютно чистой и сухой, можно рассчитать, какова была бы в этом случае радиация у земной поверхности, и сравнить с ней радиацию, наблюдаемую в естественных условиях.

Такое сопоставление сделано в табл. 1, в которой приведены величины для высот Солнца от 5-до 60 градусов.

Как видно из таблицы, наличие даже идеальной атмосферы очень сильно сказывается на солнечной радиации: чем меньше высота Солнца, тем значительнее ослабляется радиация.

Если бы атмосферы не было совсем, то при любой высоте Солнца мы всегда наблюдали бы одну и ту же величину - 1,88 калории. При высоте же Солнца 60 градусов идеальная атмосфера ослабляет солнечную радиацию на 0,22 калории, реальная же атмосфера ослабляет ее еще на 0,35 калории главным образом за счет содержания в реальной атмосфере водяных паров и пыли. В этом случае к земной поверхности доходит только 1,31 калории. При высоте Солнца 30 градусов идеальная атмосфера уменьшает радиацию на 0,31 калории, а до Земли доходит 1,11 калории. При высоте Солнца 5 градусов соответствующие цифры будут 0,73 и 0,39 калории. Вот как сильно атмосфера ослабляет солнечную радиацию!

На рис. 5 это свойство атмосферы видно особенно наглядно. Здесь по вертикали отложены высоты Солнца, по горизонтали - проценты ослабления.

Горизонтальная штриховка показывает ослабление солнечной радиации при идеальной атмосфере, наклонная - ослабление, вызываемое содержащимися в реальной атмосфере водяными парами и пылью, вертикальная - количество радиации, доходящей в конечном результате до земной поверхности.

Из этого графика видно, например, что при средней прозрачности атмосферы и при высоте Солнца 60 градусов до земной поверхности доходит 70 процентов радиации, при 30 градусах-60 процентов, а при 5 градусах - только 20 процентов.

Конечно, в отдельных случаях прозрачность атмосферы может значительно отличаться от средней, особенно в сторону ее уменьшения.

Интенсивность радиации, падающей на горизонтальную поверхность, зависит еще от угла ее падения.

Это поясняет рис. 6. Допустим, что солнечный луч сечением 1 квадратный метр падает на плоскость аб под разными углами. В положении I , когда луч падает перпендикулярно, вся энергия, заключающаяся в солнечном луче, распределится на площадь 1 квадратный метр. В положении II солнечные лучи падают под углом менее 90 градусов; в этом случае пучок солнечных лучей такого же поперечного сечения, как и в первом случае, падает на площадь вг , которая больше аб ; следовательно, на единицу площади придется уже меньшее количество энергии.

В положении III лучи падают под еще меньшим углом; та же лучистая энергия распределится по еще большей площади де, и на единицу ее приходится еще меньшая величина.

Если луч будет падать под углом 30 градусов, то радиация на единицу площади получится в 2 раза меньше, чем при нормальном ее падении; при высоте Солнца 10 градусов ее получится меньше в 6 раз, а при высоте 5 градусов - в 12 раз.

Вот потому-то зимой при малой высоте Солнца приток радиации так мал. С одной стороны, он уменьшается оттого, что солнечный луч проходит длинный путь в атмосфере и много энергии теряет по пути; с другой стороны, и сама радиация падает под малым углом. Обе эти причины действуют в одну сторону, и напряжение солнечной радиации по сравнению с летним получается совсем ничтожное, а следовательно, и эффект нагрева незначителен; особенно, если еще принять во внимание, что зимние дни коротки.

Итак, основными причинами, которые влияют на количество солнечной радиации, достигающей земной поверхности, являются высота Солнца над горизонтом и угол падения радиации. Поэтому мы заранее должны ожидать значительных изменений солнечной радиации в зависимости от широты места.

Так как систематические наблюдения над солнечной радиацией к настоящему времени производятся уже на многих пунктах и в течение продолжительного времени, то интересно посмотреть, какие наибольшие величины были получены за это время в естественных условиях.

Солнечная постоянная - 1,88 калории. Такова величина радиации при отсутствии атмосферы. При идеальной атмосфере, в средних широтах, в летнее время, в околополуденные часы радиация была бы равна примерно 1,65 калории.

Что же дают непосредственные наблюдения в естественных условиях?

В табл. 2 приведена сводка наибольших величин солнечной радиации, полученных по наблюдениям за продолжительное время.

На территории СССР наибольшая измеренная величина радиации (для небольшой высоты над уровнем моря) - 1,51 калории. Второй столбец чисел показывает, какой процент радиации по сравнению с возможной при отсутствии атмосферы дошел до земной поверхности; оказывается, в самом лучшем случае доходит только 80 процентов; 20 процентов не допускает атмосфера. В полярных странах этот процент лишь немного меньше (70), что объясняется большой прозрачностью атмосферы в Арктике, особенно, если учесть, что высота Солнца во время наблюдений была там значительно меньше, чем в пунктах, расположенных южнее.

Вполне естественно, что на горах и вообще в более высоких слоях атмосферы интенсивность солнечной радиации должна увеличиваться, так как уменьшается масса атмосферы, проходимой солнечным лучом. При современном развитии авиации можно было бы ожидать, что произведены многочисленные измерения на разных высотах, но, к сожалению, дело обстоит не так: измерения на высотах единичны. Объясняется это сложностью актинометрических измерений на аэростатах и особенно на аэропланах; к тому же методика высотных измерений радиации разработана еще очень мало.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

Источник информации: Осадчий Геннадий Борисович

Размещено 22.10.2012

Для определения основных и второстепенных факторов, влияющих на эффективность аккумулирования солнечной энергии солнечным соляным прудом, базовым модулем ряда систем и установок энергетики возобновляемых источников энергии (ВИЭ) , обратимся к рисунку 1 - где приведено параллельное и последовательное продвижение теплоты Солнца к горячему рассолу солнечного соляного пруда. А также происходящие изменения значений различных видов солнечного излучения и их суммарного значения на этом пути.

Рисунок 1 – Гистограмма изменения интенсивности солнечного излучения (энергии) на пути к горячему рассолу солнечного соляного пруда.

Для оценки эффективности активного использования различных видов солнечного излучения определимся с тем, какие из природных, техногенных и эксплуатационных факторов оказывают позитивное, а какие негативное влияние на концентрацию (увеличение поступления) солнечного излучения в пруд и аккумулирование его горячим рассолом.

Земля и атмосфера получают от Солнца в год 1,3∙10 24 кал тепла. Оно измеряется интенсивностью, т.е. количеством лучистой энергии (в калориях), которое поступает от Солнца за единицу времени на площадь поверхности, перпендикулярную солнечным лучам.

Лучистая энергия Солнца доходит до Земли в виде прямой и рассеянной радиации, т.е. суммарной. Она поглощается земной поверхностью и превращается в тепло не полностью, часть её теряется в виде отраженной радиации.

Прямая и рассеянная (суммарная), отраженная и поглощенная радиация относятся к коротковолновой части спектра. Наряду с коротковолновой радиацией к земной поверхности поступает длинноволновое излучение атмосферы (встречное излучение), в свою очередь земная поверхность излучает длинноволновую радиацию (собственное излучение).

Прямое солнечное излучение относится к основному природному фактору поступления энергии к водной поверхности солнечного соляного пруда.

Солнечная радиация, поступающая на деятельную поверхность в виде пучка параллельных лучей, исходящих непосредственно от диска Солнца, называется прямой солнечной радиацией.

Прямая солнечная радиация относится к коротковолновой части спектра (с длинами λ волн от 0,17 до 4 мкм, фактически земной поверхности достигают лучи с длиной волны от 0,29 мкм).

Солнечный спектр можно разделить на три основных области:

Ультрафиолетовое излучение (λ < 0,4 мкм) - 9 % интенсивности.

Коротковолновая ультрафиолетовая области (λ < 0,29 мкм) практически полностью отсутствует на уровне моря вследствие поглощения О2, О3, О, N2 и их ионами;

Ближний ультрафиолет диапазон (0,29 мкм < λ < 0,4 мкм) достигает Земли малой долей излучения, но вполне достаточной для загара;

Видимое излучение (0,4 мкм < λ < 0,7 мкм) - 45 % интенсивности.

Видимое излучение чистая атмосфера пропускает практически полностью, и она становится «окном», открытым для прохода на Землю этого вида солнечной энергии. Наличие аэрозолей и загрязнений атмосферы могут быть причинами значительного поглощения излучения этого спектра.

Инфракрасное излучение (λ > 0,7 мкм) - 46 % интенсивности. Ближняя инфракрасная область (0,7 мкм <λ < 2,5 мкм). На этот диапазон спектра приходится почти половина интенсивности солнечного излучения. Более 20 % солнечной энергии поглощается в атмосфере, в основном парами воды и СО2 (диоксидом углерода). Концентрация СО2 в атмосфере относительно постоянна и составляет 0,03 %, а концентрация паров воды меняется очень сильно - почти до 4 %.

При длинах волн более 2,5 мкм слабое внеземное излучение интенсивно поглощается СО2 и водой, так что только небольшая часть этого диапазона солнечной энергии достигает поверхности Земли.

Дальний инфракрасный диапазон (λ > 12 мкм) солнечного излучения практически не поступает на Землю .

С точки зрения применения солнечной энергии на Земле следует учитывать только излучение в интервале длин волн 0,29 – 2,5 мкм.

Большая часть солнечной энергии за пределами атмосферы приходится на диапазон длин волн 0,2 – 4 мкм, а на поверхности Земли - на диапазон 0,29 – 2,5 мкм .

Проследим, как перераспределяются, в общем виде, потоки энергии, которую дает Земле Солнце. Возьмем 100 условных единиц солнечной мощности (1,36 кВт/м 2), попадающей на Землю, и проследим за их путями в атмосфере. Один процент (13,6 Вт/м 2), короткий ультрафиолет солнечного спектра, поглощается молекулами в экзосфере и термосфере, разогревая их. Ещё три процента (40,8 Вт/м 2) ближнего ультрафиолета поглощаются озоном стратосферы.

Инфракрасный хвост солнечного спектра (4 % или 54,4 Вт/м 2) остается в верхних слоях тропосферы, содержащей пары воды (выше водяного пара практически нет).

Оставшиеся 92 доли солнечной энергии (1,25 кВт/м 2) приходятся на «окно прозрачности» атмосферы 0,29 мкм <λ < 2,5 мкм. Они проникают в плотные приземные слои воздуха. Значительная часть их (45 единиц или 612 Вт/м 2), преимущественно в синей видимой части спектра, рассеиваются воздухом, придавая голубой цвет небу. Прямые солнечные лучи - оставшиеся 47 процентов (639,2 Вт/м 2) начального светового потока - достигают поверхности. Она отражает примерно 7 процентов (95,2 Вт/м 2) из этих 47 % (639,2 Вт/м 2) и этот свет по пути в космос отдает ещё 3 единицы (40,8 Вт/м 2) диффузному рассеянному свету неба. Сорок же долей энергии солнечных лучей, и ещё 8 от атмосферы (всего 48 или 652,8 Вт/м 2) поглощаются поверхностью Земли, нагревая сушу и океан.

Рассеянная в атмосфере световая мощность (всего 48 долей или 652,8 Вт/м 2) частично поглощается ею (10 долей или 136 Вт/м 2), а остальное распределяется между поверхностью Земли и космосом. В космическое пространство уходит больше, чем попадает на поверхность, 30 долей (408 Вт/м 2) наверх, 8 долей (108,8 Вт/м 2) вниз.

Это была описана общая, осредненная, картина перераспределения солнечной энергии в атмосфере Земли. Однако, она не позволяет решать частные задачи использования солнечной энергии для удовлетворения потребностей человека в конкретной зоне его проживания и трудовой деятельности и вот почему.

Атмосфера Земли лучше отражает косые солнечные лучи, поэтому часовая инсоляция на экваторе и в средних широтах намного больше чем в высоких.

Значениям высоты Солнца (возвышениям над горизонтом) 90, 30, 20, и 12 ⁰ (воздушная (оптическая) масса (m) атмосферы соответствует 1, 2, 3, и 5) при безоблачной атмосфере соответствует интенсивность около 900, 750, 600 и 400 Вт/м 2 (при 42 ⁰ - m = 1,5, а при 15 ⁰ - m = 4). В действительности полная энергия падающего излучения превышает указанные значения, поскольку она включает не только прямую составляющую, но и рассеянную при воздушных массах 1, 2, 3 и 5 величина рассеянной составляющей интенсивности излучения на горизонтальную поверхность при этих условиях соответственно равна 110, 90, 70 и 50 Вт/м 2 (с коэффициентом 0,3 – 0,7 для вертикальной плоскости, т. к. видна только половина неба). Кроме того, на участках небосклона близких к Солнцу, присутствует «околосолнечный ореол» в радиусе ≈ 5⁰.

В таблице 1 приведены данные по инсоляции для различных регионов Земли.

Таблица 1 – Инсоляция прямой составляющей по регионам для чистой атмосферы.

Из таблицы 1 видно, что дневное количество солнечного излучения максимально не на экваторе, а вблизи 40 ⁰. Подобный факт также является следствием наклона земной оси к плоскости её орбиты. В период летнего солнцестояния Солнце в тропиках почти весь день находится над головой и продолжительность светового дня - 13,5 часов, больше чем на экваторе в день равноденствия. С повышением географической широты продолжительность дня возрастает, и хотя интенсивность солнечного излучения при этом уменьшается, максимальное значение дневной инсоляции приходится на широту около 40 ⁰ и остается почти постоянным (для условий безоблачного неба) вплоть до полярного круга.

Следует подчеркнуть, что данные таблицы 1 справедливы лишь для чистой атмосферы. С учетом облачности и загрязнений атмосферы промышленными отходами, характерных для многих стран мира, приведенные в таблице величины следует уменьшать, по крайней мере, вдвое. Например, для Англии 70 г. XX века, до начала борьбы за охрану окружающей среды, годовое количество солнечной радиации составляло лишь 900 кВт∙ч/м 2 вместо 1700 кВт∙ч/м 2 .

Первые данные, о прозрачности атмосферы на Байкале были получены В.В. Буфалом в 1964г. Он показал, что значения прямой солнечной радиации над Байкалом в среднем на 13 % выше, чем в Иркутске. Средний спектральный коэффициент прозрачности атмосферы на Северном Байкале в летний период составляет для красного, зеленого и синего фильтров соответственно 0,949, 0,906, 0,883. В летний период атмосфера более неустойчива в оптическом отношении, чем зимой, и эта неустойчивость значительно меняется от дополуденных к послеполуденным часам. В зависимости от годового хода ослабления водяным паром и аэрозолями меняется и их вклад в общее ослабление солнечной радиации. В холодную часть года основную роль играют аэрозоли, в теплую - водяной пар. Байкальская котловина и озеро Байкал отличаются сравнительно высокой интегральной прозрачностью атмосферы. При оптической массе m = 2 средние значения коэффициента прозрачности колеблются от 0,73 (летом) до 0,83 (зимой) При этом межсуточные изменения интегральной прозрачности атмосферы велики, особенно в полуденные часы - от 0,67 до 0,77 .

Аэрозоли существенно снижают поступление в акваторию пруда прямого солнечного излучения, причем они поглощают в основном излучение видимого спектра , с той длиной волны, которая беспрепятственно проходит пресный слой пруда, и это для аккумулирования прудом солнечной энергии имеет большое значения. (Слой воды толщиной 1 см практически непрозрачен для инфракрасного излучения с длиной волны более 1 мкм). Поэтому вода толщиной в несколько сантиметров используется как теплозащитный фильтр. Для стекла длинноволновая граница пропускания инфракрасного излучения составляет - 2,7 мкм.

Большое количество частиц пыли, беспрепятственно переносимое по степи также снижает прозрачность атмосферы.

Электромагнитное излучение испускают все нагретые тела, причем, чем холоднее тело, тем меньше интенсивность излучения и тем дальше в длинноволновую область смещен максимум его спектра. Существует очень простое соотношение λ max X T = c 1 [ c 1 = 0,2898 см∙град. (закон Вина)], с помощью которого легко установить, где находится максимум излучения тела с температурой T (⁰К). Например, человеческое тело, имеющее температуру 37 + 273 = 310 ⁰К, испускает инфракрасные лучи с максимумом вблизи значения λ max = 9,3 мкм . А стенки, например, гелиосушилки, с температурой 90 ⁰С будут испускать инфракрасные лучи с максимумом вблизи значения λ = 8 мкм.

Видимое солнечное излучение (0,4 мкм < λ < 0,7 мкм) имеет 45 % интенсивности потому, что температура поверхности Солнца 5780 ⁰К.

В свое время большим прогрессом явился переход от электрической лампы накаливания с угольной нитью к современной лампе с вольфрамовой нитью. Все дело в том, что угольную нить можно довести до температуры 2100 ⁰К, а вольфрамовую - до 2500 ⁰К. Почему эти 400 ⁰К так важны? Все дело в том, что цель лампы накаливания - не греть, а давать свет. Следовательно, надо добиться такого положения, чтобы максимум кривой приходился на видимое изучение. Идеалом было бы располагать такой нитью, которая выдерживала бы температуру поверхности Солнца. Но даже переход с 2100 до 2500 ⁰К повышает долю энергии, приходящейся на видимое излучение, от 0,5 до 1,6 % .

Инфракрасные лучи, исходящие от тела, нагретого всего до 60 – 70 ⁰С, каждый может почувствовать, поднося ладонь снизу (для устранения тепловой конвекции).

Приход прямого солнечного излучения в акваторию пруда соответствует его приходу на горизонтальную поверхность облучения. При этом, изложенное выше показывает, неопределенность количественной характеристики прихода в конкретный момент времени, как сезонного, так и суточного. Постоянной характеристикой является только высота Солнца (оптическая масса атмосферы).

Аккумулирование же солнечного излучения земной поверхностью и прудом существенно различаются.

Естественные поверхности Земли обладают различной отражательной (поглощательной) способностью. Так, темные поверхности (чернозем, болота торфяные) имеют низкое значение альбедо около 10 %. (Альбедо поверхности - это отношение потока излучения, отраженного этой поверхностью в окружающее пространство, к потоку, упавшему на неё).

Светлые поверхности (белый песок) обладают большим альбедо, 35 – 40 %. Альбедо поверхностей с травяным покровом колеблются в пределах 15 – 25 %.

Альбедо крон лиственного леса летом равно 14 – 17 %, хвойного леса - 12 – 15 %. Альбедо поверхности уменьшается с увеличением высоты Солнца.

Альбедо же водных поверхностей заключается в пределах 3 – 45 %, в зависимости от высоты Солнца и степени волнения.

При спокойной водной поверхности альбедо зависит только от высоты Солнца (рисунок 2).

Рисунок 2 – Зависимость коэффициента отражения солнечного излучения для спокойной водной поверхности от высоты Солнца.

Вступление солнечного излучения и прохождение его через слой воды имеет свои особенности.

В общем виде оптические свойства воды (её растворов) в видимой области солнечного излучения представлены на рисунке 3.

Ф о - поток (мощность) падающего излучения;

Ф отр - поток отраженного водной поверхностью излучения;

Ф погл - поток поглощенного водной массой излучения;

Ф пр - поток прошедшего водную массу излучения.

Коэффициент отражения тела p = Ф отр /Ф о;

Коэффициент поглощения а = Ф пол /Ф о;

Коэффициент пропускания ч = Ф пр /Ф о;

Рисунок 3 – Оптические свойства воды (её растворов) в видимой области солнечного излучения

На плоской границе двух сред воздух - вода наблюдаются явления отражения и преломления света.

При отражении света луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр к отражающей поверхности, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости, и угол отражения равен углу падения. В случае преломления падающий луч, перпендикуляр, восстановленный в точке падения луча к границе раздела двух сред, и преломленный луч лежат в одной плоскости. Угол падения a и угол преломления B (рисунок 4) связаны sin a / sin B = n 2 , где n 2 - абсолютный показатель преломления второй среды, n 1 - первой. Поскольку для воздуха n=1 , то формула примет вид sin a / sin B = n 2 .

Рисунок 4 – Преломление лучей при переходе из воздуха в воду

Когда лучи идут из воздуха в воду, то они приближаются к «перпендикуляру падения»; например, луч, падающий на воду под углом к перпендикуляру к поверхности воды, вступает в неё уже под углом, который меньше, чем (рис 4,а). Но когда падающий луч, скользя по поверхности воды, падает на водную поверхность почти под прямым углом к перпендикуляру, например, под углом 89 ⁰ и менее, то он вступает в воду под углом, меньшем чем прямой, а именно под углом всего 48,5 ⁰. Под большим углом к перпендикуляру, чем 48,5 ⁰, луч вступить в воду не может: это для воды «предельный» угол (рисунок 4,б).

Следовательно, лучи, падающие на воду под всевозможными углами, сжимаются под водой в довольно тесный конус с углом раствора 48,5 ⁰ + 48,5 ⁰ = 97 ⁰ (рис 4,в).

Кроме того преломление воды зависит от её температуры (таблица 2), однако изменения эти столь не значительны что не могут представлять интереса для инженерной практики, по рассматриваемой теме.

Таблица 2 – Показатель преломления воды при различной температуре t

Проследим теперь за ходом лучей, идущих обратно (из точки Р) - из воды в воздух (рисунок 5). По законам оптики, пути будут те же самые, и все лучи, заключенные в упомянутом 97-градусном конусе, выйдут в воздух под различными углами, распределяясь по всему 180 - градусному пространству над водой.

Подводные лучи, находящиеся вне упомянутого угла (97-градусного) не выйдут из-под воды, а отразятся целиком от её поверхности, как от зеркала.

Если n 2 < n 2 (вторая среда оптически менее плотная), то a < B . Наибольшему значению B = 90 ⁰ соответствует угол падения, определяемый равенством sin a o = n 2 /n 1 . При угле падения a > a o существует только отраженный луч, преломленный луч отсутствует (явление полного внутреннего отражения).

Всякий подводный луч, встречающий поверхность воды под углом, большим «предельного» (т.е. большим 48,5 ⁰), не преломляется, а отражается: он претерпевает «полное внутреннее отражение». Отражение называется в данном случае полным потому, что здесь отражаются все падающие лучи, между тем как даже самое лучшее зеркало из полированного серебра отражает только часть падающих на него лучей, остальную же поглощает. Вода при указанных условиях является идеальным зеркалом. В данном случае речь идет о видимом свете. Вообще говоря, показатель преломления воды, как и других веществ, зависит от длины волны (это явление называется дисперсией). Как следствие этого предельный угол, при котором наступает полное внутреннее отражение, не один и тот же для разных длин волн, но для видимого света при отражении на границе вода - воздух этот угол изменяется меньше чем на 1⁰ .
Благодаря тому, что под большим углом к перпендикуляру, чем 48,5⁰, солнечный луч вступить в воду не может: это для воды «предельный» угол (рисунок 4,б), то водная масса, во всем диапазоне значений высоты Солнца изменяется не столь незначительно, чем воздушная - она всегда меньше

Однако, поскольку, плотность воды в 800 раз больше плотности воздуха, то поглощение солнечного излучения водой будет меняться существенно.

Кроме того, если световое излучение проходит сквозь прозрачную среду, то спектр такого света обладает некоторыми особенностями. Определенные линии в нем сильно ослаблены, т. е. волны соответствующей длины сильно поглощаются рассматриваемой средой. Такие спектры называются спектрами поглощения.

Вид спектра поглощения зависит от рассматриваемого вещества.

Поскольку раствор солей солнечного соляного пруда может содержать различные концентрации хлористых натрия и магния и их отношения, то однозначно говорить о спектрах поглощения нет смысла. Хотя исследований и данных по этому вопросу предостаточно.

Так, например, исследованиями, проведенными в СССР (Ю. Усмановым) по выявлению коэффициента пропускания излучения различных длин волн для воды и раствора хлористого магния различной концентрации получены следующие результаты (рисунок 6). А Б. Дж. Бринквортом показана графическая зависимость поглощения солнечной радиации и монохроматическая плотность потока солнечной радиации (излучения) в зависимости от длин волн (рисунок 7).

Следовательно, количественное поступление прямого солнечного излучения к горячему рассолу пруда, после вступления в воду, будет зависеть: от монохроматической плотности потока солнечной радиации (излучения); от высоты Солнца. А также от альбедо поверхности пруда, от чистоты верхнего слоя солнечного соляного пруда, состоящего из пресной воды, с толщиной обычно 0,1 – 0,3 м, где подавить перемешивание не удается, состава, концентрации и толщины раствора в градиентном слое (изолирующем слое с увеличивающейся книзу концентрацией рассола), от чистоты воды и рассола.

Из рисунков 6 и 7 следует, что вода обладает наибольшей пропускной способностью в видимой области солнечного спектра. Это является очень благоприятным фактором для прохождения солнечной радиации через верхний пресный слой солнечного соляного пруда.

Рисунок 6. Зависимость пропускной способности раствора хлористого магния от концентрации. Рисунок 7. Поглощение солнечной радиации в воде.

Список Литературы:

1. Осадчий Г.Б. Солнечная энергия, её производные и технологии их использования (Введение в энергетику ВИЭ) / Г.Б. Осадчий. Омск: ИПК Макшеевой Е.А., 2010. 572 с.;

2. Твайделл Дж. Возобновляемые источники энергии / Дж. Твайделл, А. Уэйр. М.: Энергоатомиздат, 1990. 392 с.;

3. Даффи Дж. А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии / Дж. А. Даффи, У. А. Бекман. М.: Мир, 1977. 420 с.;

4. Климатические ресурсы Байкала и его бассейна /Н. П. Ладейщиков, Новосибирск, Наука, 1976, 318с.;

5. Пикин С. А. Жидкие кристаллы/ С. А. Пикин, Л. М. Блинов. М.: Наука, 1982. 208 с.;

6. Китайгородский А. И. Физика для всех: Фотоны и ядра/ А. И. Китайгородский. М.: Наука, 1984. 208 с.;

7. Кухлинг Х. Справочник по физике. / Х. Кухлинг. М.: Мир, 1982. 520 с.;

8. Енохович А. С. Справочник по физике и технике/ А. С. Енохович. М.: Просвещение, 1989. 223 с.;

9 . Перельман Я. И. Занимательная физика. Книга 2 / Я. И. Перельман. М.: Наука, 1986. 272 с.

Обсудить на форуме

К природным излучений относятся излучения Солнца, атмосферы и земной поверхности.

Параметры солнечного излучения

Солнце представляет собой раскаленный шар диаметром 1,392 109 м, масса которой составляет 1,991 1030 кг. Расстояние между Солнцем и Землей равна 1,496 1011 м. Температура Солнца в центре - 2 107 ° С, на поверхности - 6000 ° С. При такой высокой температуры происходит ионизация молекул солнечного среды и ядерные реакции. Эти процессы сопровождаются выделением большого количества энергии.

К основным параметрам солнечного излучения относятся интенсивность, спектральный состав и периодичность.

Интенсивность солнечного излучения

Наблюдение за Солнцем с помощью пиргелиометра

спутника Nimbus позволило определить интенсивность солнечного излучения в пределах 1369-1375 Вт / м2 (среднее значение 1373 Вт / м2). Эта величина получила название солнечной постоянной.

Общая мощность солнечного излучения составляет для сферы радиусом d = 1,496 1011 м (расстояние между Солнцем и Землей):

Радиус земного шара равен .

Площадь поперечного сечения м2.

Площадь всей поверхности Земли составляет м2.

Мощность солнечного излучения на поверхности Земли (учитываем, что Земля вращается и площадь облучаемого в 4 раза меньше, чем вся площадь поверхности):

Следовательно, интенсивность солнечного излучения, падающего на земную поверхность, равна:

В Украине средняя интенсивность солнечного излучения варьирует от 185-215 Вт / м2 (Крым) до 115-145 Вт / м2 (Полесье).

Солнечное излучение по интенсивности распределяется так: две трети в виде прямого солнечного света, одна треть в виде диффузно рассеянного света (рис. 11.1).

Рис. 11.1.

Прямое солнечное излучение соответствует тому излучению, измеряется на земной поверхности перпендикулярно ей за исключением диффузного излучения.

Диффузное излучение соответствует излучению, рассеивается на частицах атмосферы или отражается от них.

Прямая солнечная инсоляция равна солнечной постоянной за исключением потери на поглощение и рассеивание. Солнечная стала зависит от расстояния между Солнцем и Землей, солнечных циклов; потери солнечного излучения зависят от времени дня (возвышение Солнца), облачного покрова, содержания влажности и различных загрязнителей.

Излучающие свойства Солнца описываются уравнением:

(11.1)

где - суммарная энергетическая освещенность солнечным излучением земной поверхности, Вт / м2; - энергетическая освещенность земной поверхности прямым солнечным излучением, Вт / м2, а - то же, но диффузным солнечным излучением, Вт / м2.

Средние значения суммарной энергетической освещенности и за счет диффузного солнечного излучения составляют: = 900 Вт / м2; = 200 Вт / м2 (чистое небо) = 800 Вт / м2; = 350 Вт / м2 (небо наполовину покрыт кучевыми облаками) = 300 Вт / м2 (небо полностью покрыто облаками) .

Солнечная интенсивность распределяется так: 19 % прямого солнечного излучения поглощается атмосферой, в частности такими газами как озон, двуокись углерода, водная пара, кислород, азот; 20% солнечного излучения отражается облаками; 6% рассеивается атмосферой; 4% отражается земной поверхностью; 51% поглощается земной поверхностью (грунтом и водой), после чего это излучение появляется в виде латентной теплоты (23 %), ощутимой теплоты (7%), инфракрасного излучения земной поверхности (21%). Около 23 % составляет диффузное солнечное излучение. На интенсивность солнечного излучения влияют время года, время суток, широта, расстояние между Солнцем и Землей, поглощение солнечного излучения земной атмосферой.

Спектральный состав солнечного излучения

Спектр солнечного излучения составляет 200-5000 нм; максимум излучения приходится на 500 нм. Спектр солнечного излучения, достигающего земной поверхности состоит из ультрафиолетовой (100-400 нм), видимой (380-760 нм) и инфракрасной (более 760 нм) частей (табл. 11.1). На ультрафиолетовую часть спектра приходится 5%, на видимую 35% и на инфракрасную - 60% солнечного излучения.

11.1. Диапазоны спектра оптического излучения

Периодичность солнечного излучения

Циклические изменения солнечной активности известны как солнечные циклы. Различают солнечные циклы с периодичностью 11, 22, 87, 210 и 2300.

Солнечная радиация – это интегральный поток корпускулярных частиц (протоны, γ-частицы, электроны, нейтроны, нейтрины) и электромагнитного (фотонного) излучения.

В результате солнечной активности образуется большое количество корпускулярных частиц, которые движутся со скоростью – от 300 до 2000 км/сек и достигают атмосферы Земли за 2 суток, однако задерживаются его магнитным полем. Образуется также электромагнитное излучение, двигающееся со скоростью 300 000 км/сек и достигающее Земли за 8 мин.

Корпускулярные частицы: α-частицы, β-частицы, протоны, электроны, нейтроны, позитроны и т. п.

Электромагнитный состав:

· γ- излучение (длина волны <0,1 нм) задерживаются

· рентгеновское излучение (0,1–10 нм) магнитным

· крайний, канцерогенный ультрафиолет (10-120 нм) полем Земли

· ультрафиолетовое излучение (120-400 нм; 0,6-3% достигает Земли, другая часть рассеивается)

· видимое (400–760 нм; 40% достигает Земли)

· инфракрасное (760–10 000 нм, 59% достигает Земли)

· далекое инфракрасное (10 000–100 000 нм)

· радиочастоты (>100 000 нм)

Физические свойства, биологическое действие и, соответственно, возможные нарушения, в состоянии здоровья возникающие при недостаточном или избыточном облучении, зависят от длины волны преобладающей в составе солнечной радиации на данной территории. Корпускулярные частицы и волны, имеющие длину менее чем 280 нм, полностью поглощаются в озоновом слое, в верхних слоях земной атмосферы. Однако, загрязнение атмосферы промышленными выбросами, особенно фреоном, способствует разрушению и утончению озонового слоя атмосферы, появлению в некоторых регионах так называемых “озоновых дыр”, сквозь которые к поверхности земли проникают более опасные для всего живого, с меньшей длиной волны УФ лучи.

Количество солнечного излучения, которое достигает Земли, называется световым климатом и зависит от природных и антропогенных факторов. В зависимости от обеспечения ультрафиолетом регионов выделяют зоны:

УФ-ДЕФИЦИТА (северные регионы, >57 широты);

УФ-КОМФОРТА (42-57 широты);

УФ-избытка (южные регионы, <42 широты).

Интегральный (суммарный) поток радиации Солнца измеряется пиранометром (например, пиранометр Янишевского) и выражается в мкал/см 2 ×мин.

Физические свойства и биологическое действие ультрафиолетового излучения

Весь диапазон УФ-излучения Солнца и искусственных источников делятся на три области:

· область А – длинноволновое УФ-излучение λ = 320–400 нм;

· область В – средневолновое УФ-излучение λ = 280–320 нм;

· область С – коротковолновое УФ- излучение: λ = 10–280 нм.

Биологическое действие УФИ:

А. Биогенное:

1. Общестимулирующее – В-спектр. Благодаря фотолизу белков кожи (УФ лучи проникают в кожу на глубину 3-4 мм) с образуются токсичные продукты фотолиза – гистамин, холин, аденазин, пиримидиновые соединения и др. Последние всасываются в кровь, стимулируют обмен веществ в организме, ретикулоэндотелиальную систему, костный мозг, повышают количество гемоглобина, эритроцитов, лейкоцитов, активность тканевых ферментов, функцию печени, стимулируют деятельность нервной системы и так далее.Общестимулирующее действие УФИ усиливается благодаря ее эритемному эффекту – рефлекторному расширению капилляров кожи, особенно наряду с интенсивным инфракрасным облучением. Эритемный эффект при избыточном облучении может закончиться ожогом кожи.

2. Д-витаминообразующее воздействие УФИ свойственно для области В. Эффект заключается в расщеплении кальциферола: из эргостерина (7,8-дегидрохолестерина) в кожном жире (секрете сальных желез) под воздействием УФО вследствии расщепления бензолового кольца образуется витамин Д 2 (ергохолекальциферол) и витамин Д 3 (холекальциферол), а из провитамина 2,2-дегидроэргостерина – витамин Д 4 .

3. Пигментообразующий эффект УФИ – область А, В. Обусловлен образованием меланина. Меланин защищает кожу (и весь организм) от избытка УФИ, видимого и инфракрасного излучения.

Б. Абиогенное:

1. Бактерицидное действие свойственно для области С. Под влиянием УФИ сначала возникает возбуждение бактерий с активацией их жизнедеятельности, которое с увеличением дозы УФИ сменяется бактериостатическим эффектом, а затем – фотодеструкцией, денатурацией белков, гибелью микроорганизмов.

2. Канцерогенное действие УФИ появляется в условиях жаркого тропического климата и на производстве с высоким уровнем и длительным воздействием технических источников УФИ (электросварка и т. п.).

3. Мутагенное.

4. Аллергическое.

Недостаточность УФ-излучения (световое голодание) приводят к:

· снижению резистентности организма и, как следствие, к увеличению заболеваемости, обострению хронической патологии

· возникновению рахита у детей

· возникновению остеопороза у взрослых

Профилактика: солнечная ванна, солярии, фотарии, витамин D в медикаментозной форме

Избыток УФ-излучения приводят к:

· эритеме, ожогам

· снижению резистентности организма и, как следствие, увеличению заболеваемости, обострению хронической патологии

· поражению глаз (фотоофтальмия при природном происхождении УФИ, например, в горах, электрофтальмия при искусственном происхождении, например, у электросварщиков, кератоконъюнктивиты, катаракта, птеригий – рак роговицы)

· фотодерматозу, солнечному эластозу (нарушение образования коллагена)

· рак кожи

· выведению из организма витаминов В 2 , РР, С

· нарушению липидного обмена

Профилактика: одежда из натуральной ткани, головные уборы, солнцезащитные и специальные очки, используемые на производстве.

Методы определения интенсивности УФИ:

1) Фотохимический по Н.З.Куличковой – основанный на распаде щавелевой кислоты пропорционально интенсивности и длительности УФ-облучения. Прибором для измерения интенсивности ультрафиолетового излучения фотохимическим методом является кварцевая пробирка с раствором щавелевой кислоты и азотнокислого уранила. Единица измерения: миллиграмм распавшейся щавелевой кислоты на см 2 поверхности раствора за единицу времени (мин, час). Физиологичная доза облучения – 1 мг/см 2 , профилактическая доза – 0,5 мг/см 2 .

2) Фотоэлектрический метод – измерение интенсивности УФИ ультрафиолетметром или уфиметром (фотоинтенсиметром или фотоэкспозиметром) в мкВт/см 2

3) Биологический (эритемний) метод – определение эритемной дозы при помощи биодозиметра М.Ф. Горбачева. Биологическая (эритемная) доза (биодоза) является минимальным временем облучения участка кожи ультрафиолетовым излучением, в результате которого возникает ее слабое покраснение (эритема ). Биодозиметр является планшеткой с 6 отверстиями-окошками, которые закрываться двигающейся пластинкой. Биодозиметр располагается на незагорелой чувствительной к ультрафиолетовому излучению части кожи (нижняя часть кожи живота либо внутренняя часть предплечья) исследуемого, располагающегося на расстоянии 0,5 м от источника излучения.

В начале исследования открывают все отверстия. В дальнейшем, через 1 минуту закрывают первое, через 2 минуты – второе, через 3 минуты – третье и т.д.

Контроль появления эритемы следует проводить через 6 – 8 часов после облучения. Биодозу (в минутах) определяют в соответствии с номером отверстия (по времени экспозиции), в котором было зарегистрировано наименьшее покраснение.

Профилактическая доза ультрафиолетового излучения составляет 1/8 биодозы, физиологическая доза –1/4-1/2 биодозы. Максимальная доза – 1 биодоза для детей и 2 биодозы для взрослых.

Например:

Для определения биологической (эритемной) дозы биодозиметр Горбачева-Дальфельда разместили на коже нижней трети брюшной полости школьника и облучали на протяжении 6 минут.

Протуберанец на поверхности

Излучение Солнца, которое известно как солнечный свет, представляет собой смесь электромагнитных волн, от инфракрасных (ИК) до ультрафиолетовых лучей (UV). Оно включает в себя видимый свет, который находится между ИК и УФ в электромагнитном спектре.

Скорость распространения электромагнитных волн

Все электромагнитные волны (ЭМ) распространяются со скоростью приблизительно 3,0х10*8 м/с в вакууме. Пространство не является идеальным вакуумом, оно, на самом деле, содержит частицы в низкой концентрации, электромагнитные волны, нейтрино и магнитные поля. Поскольку, среднее расстояние между Землей и Солнцем более 149,6 млн. км, то требуется около 8 минут, чтобы излучение добралось до Земли. Солнце светит не только в ИК, видимом и УФ диапазоне. В основном, оно выделяет гамма-лучи высокой энергии.

Однако, фотоны гамма-излучения проходят длинный путь до поверхности, они постоянно поглощаются солнечной плазмой и повторно излучаются с изменением своей частоты.

К тому времени, как они добираются до поверхности, фотоны гамма лучей представляют собой ИК, видимый и УФ спектры. Инфракрасное излучение это тепло которое мы ощущаем. Без него и видимого света, жизнь на Земле была бы невозможна. Во время солнечных вспышек, оно также испускает рентгеновские лучи. Когда электромагнитное излучение Солнца достигает атмосферы Земли, часть его поглощается, в то время, как остальное долетает до поверхности Земли.

В частности, УФ излучение поглощается озоновым слоем и повторно излучается в виде тепла, что приводит к нагреву стратосферы.