Слънчева константа - GRIN
Презентация/есе (училище) 2001 10 страници
Проба за четене
Структура:
1. Слънце и слънчева константа
2. Различни методи за определяне на слънчевата константа
2. 1. Пример за експеримент 1 - Експеримент от ръка
2. 2. Експериментален пример 2 - Определяне на слънчевата константа
2. 2. Експериментален пример 3 - измерване на слънчевата константа
3-ти експеримент - определяне на слънчевата константа
3. 1. Задача
3. 2. Преглед
3. 3. Прилагане
3. 4. Таблици с измерени стойности
3. 5. Оценка
3. 6. Разглеждане на грешки
1. Слънце и слънчева константа
Енергията, която слънцето излъчва всеки час, всеки ден - която постоянно излъчва, представлява не само астрономически интерес, тъй като това излъчване определя живота на земята. Животът на нашата планета не би бил възможен без слънцето като енергиен източник. В момента онова, в което грее слънцето в миналото, се използва като енергиен източник: суров петрол, природен газ, дърва и въглища.
Това, което се излъчва от слънцето, е доста трудно да се измери от земната повърхност, тъй като земната атмосфера поглъща значителна част от радиацията дори в най-ясните дни във високите планини, включително в видимия диапазон. В допълнение, земната атмосфера е напълно непропусклива за ултравиолетово и инфрачервено лъчение на големи площи. Дори и с най-внимателната корекция на тези ефекти, измерванията от земната повърхност са засегнати от грешки, които надхвърлят границата от един процент. Преди няколко десетилетия резултатите от измерванията се различават с до пет процента, а понякога, дори и само в редки случаи, несигурността на измерванията се отчита като истински колебания в излъчването.
Докато днес излъчената енергия се дава във ватове на квадратен метър, единицата калории на квадратен сантиметър и минута е била обичайна. И двете единици могат лесно да бъдат обединени една в друга. Калорията е описателно количество: Тя показва количеството топлина, което един грам вода загрява с една степен. Единицата за енергия, валидна днес, е джаул, единицата за мощност - т.е. Енергия за време - един ват.
Точната дефиниция на слънчевата константа днес е: Слънчевата константа е енергийният поток, излъчван от слънцето, който всяка секунда прониква в единица площ (1 m²), ориентирана перпендикулярно на посоката на излъчване на разстояние 1 AU от слънцето.
Съответно истинската слънчева константа може да бъде измерена само от земята.
По-новите измервания на мощността на слънчевата радиация бяха извършени от спътници. По-дълга поредица от измервания, проведени на борда на Слънчевата максимална мисия (SMM) в началото на 80-те години, доведоха до слънчевата константа (на морското равнище) S = 1367 вата на квадратен метър - преобразувана в по-старата единица: 1,96 калории на квадратен сантиметър и минута. Това съответства на текущата работа на котлон върху печката или ютия.
Тази стойност обаче вече се колебае на земята, на надморска височина от 3400 м слънчевата константа е например 1,6 kW/m², тъй като атмосферата става все по-тънка и по-тънка и следователно абсорбцията става все по-малка и по-малка. Извън земната атмосфера в орбита близо до земята тя е дори 1,9 kW/m².
В този контекст възниква интересен въпрос: Колко квадратни метра площ ще са необходими на всеки гражданин, за да задоволи всички свои енергийни нужди? Статистическите данни за 1992 г. показват общо потребление от 409 милиона тона въглища в Западна Германия. Това е 6,3 тона SKE на жител или еквивалент на 51 400 киловатчаса на жител годишно. Стойността от 50 000 киловатчаса далеч надвишава количеството, което се появява в сметката за електричество в домакинствата, тъй като включва цялото промишлено потребление на енергия. Включвайки го, през почти 8 800 часа през годината необходимата мощност, която всеки гражданин трябва да предостави на секунда, е 5,9 киловата. Слънцето доставя 1,4 киловата на квадратен метър, така че всеки гражданин ще се нуждае от площ от 4,3 квадратни метра за консумацията на енергия. Дори в гъсто населена Германия с над 250 жители на квадратен километър, всеки гражданин разполага с 3800 квадратни метра, т.е. площ, която е почти 1000 пъти по-голяма от тази, необходима за консумация на енергия.
Разбира се, тези цифри са надценени, защото енергията се използва и от нечовешката природа; денят се приемаше за 24 часа; не беше взето предвид, че част от енергията се абсорбира в атмосферата. Оценката обаче може да покаже, че енергията, излъчвана от слънцето, е напълно достатъчна, за да задоволи завинаги всички нужди на човечеството. Само малка част от наличното пространство ще бъде необходима за създаване на приемни повърхности за превръщане на слънчевата енергия в често срещани форми на енергия. Използването на слънчева енергия ще бъде предизвикателство за не толкова далечното бъдеще, защото изкопаемите енергийни източници са ограничени и ядрената енергия се оказа проблематична. Независимо от това, екологичните и регенериращи методи за генериране на енергия от слънцето, слънчевата топлинна енергия и фотоволтаиците, все още не са подходящи за покриване на потреблението ни на енергия. Ефективността им е твърде ниска, а произтичащата консумация на пространство е твърде висока
Може би един ден ще получим достъп до метода за производство на енергия, който слънцето използва, за да произведе толкова огромни количества енергия, ядрен синтез. Изследователите предполагат, че първата електроцентрала за ядрен синтез на земята ще влезе в мрежа след около 30 години.
Но колко постоянна е слънчевата константа, т.е.енергията, която постоянно ни се излъчва? През седмици и месеци колебанията са по-малко от едно на хиляда.
По-големи краткосрочни колебания от няколко на хиляда могат да се отдадат на увеличената поява на слънчеви петна. Дългосрочните ефекти не могат да бъдат доказани със сигурност. Възможно е да има незначителни промени от около 0,1% в рамките на един цикъл на слънчеви петна. В контекста на днешната много висока точност на измерване, може да се приеме, че слънчевата константа е реална константа, при условие че ефектите от звездната еволюция в диапазона от милиони или дори милиарди години могат да бъдат пренебрегнати.
2. Различни методи за определяне на слънчевата константа
Всички изброени тук експерименти основно следват една и съща схема. Тялото се загрява или затопля от слънчева радиация, това затопляне се измерва и слънчевата константа се изчислява от енергията, необходима за затоплянето. Разбира се, точната стойност за слънчевата константа не може да бъде определена в нито един от следващите експерименти. Източниците на грешки са твърде сериозни за това.
2. 1. Пример 1 - Експеримент от ръка за определяне на слънчевата константа
Първият експериментален пример, който искам да добавя тук, не е експеримент, с който слънчевата константа може да бъде точно определена, по-скоро е експеримент, в който, както не е обичайно във физиката, зависи от усещането и познанията. Но това може да се извърши с много малко ресурси.
Трябват ви човек за изпитване, крушка и сантиметрова линийка. Освен това, разбира се, слънцето трябва да грее, малко вятър също би било от полза.
За извършване: На изпитваното лице се разрешава да грее слънцето на едната буза. Другата е осветена с крушката. Лампата се използва за приближаване до голата буза, докато изпитваното лице не мисли, че двете му бузи се загряват еднакво. Тя трябва да държи очите си затворени, докато прави това.
Сега измерете разстоянието r от центъра на лампата до бузата и отчетете мощността P на лампата с нажежаема жичка.
Сега е моментът да се изчисли. Да приемем, че е отчетена мощност P лампа = 60 W и е измерен радиус r = 7 cm. След това лампата би облъчила бузата от разстояние 7 см точно толкова силно, колкото слънцето от 150 000 000 км. Той ще разпредели силата си равномерно върху площта на сфера с радиус r = 7 cm, която си представяме около лампата (бузата на субекта е парче от тази сферична област). Тази сфера има повърхността
Лампа = 4 x p x r² = 4 x 3.14 x (7 cm) ² = 615 cm².
Тъй като и двете бузи се нагряват еднакво, слънцето също би изпратило 60 вата към около 0,0615 м² площ за събиране.
Сега можете да използвате измерванията си, за да изчислите колко мощност грее слънцето върху един квадратен метър от земната повърхност.
P лампа: Лампа = P слънце: 1 m²
След като вмъкнете примерните стойности и промените уравнението според P слънце, получавате стойност за мощността на слънцето, която също показва слънчевата константа, тъй като мощността на квадратен метър е изчислена, от 976 W/m² (за примерните стойности, избрани тук).
2. 2. Пример 2 - Определяне на слънчевата константа
За втория експериментален пример се нуждаете от значително повече и по-специализирано оборудване, отколкото за първия. Но този експеримент е и по-научен и дава по-точни стойности.
Необходими са ви почернели електрически котлони, източник на напрежение и измервателно устройство за напрежението и едно за тока.
Изпълнението на експеримента е разделено на два опита:
Експеримент 1: Почернената плоча е ориентирана перпендикулярно на падащата слънчева радиация. Първоначално нарастващата температура на котлона се измерва и се записва равновесната температура Т, която в крайна сметка е установена.
Експеримент 2: Сега плочата се загрява електрически без излагане на слънчева светлина. Напрежението се настройва по такъв начин, че по време на слънчевото облъчване да се установи същата температура Т, както преди. След като това бъде постигнато, напрежението и токът се отчитат от измервателните устройства.
Продуктът на напрежението и силата на тока дава електрическата мощност P, която е точно същата като мощността, която е причинила нагряването на плочата от слънчева радиация. Ако площта А на котлона е известна, слънчевата константа S - с отклонение поради влиянието на земната атмосфера - се получава от S = P: A.
Разбира се, и в този експеримент се измерва стойност за слънчевата константа, която е под реалния изход на слънцето. Това отново може да се обясни с атмосферното поглъщане, което поглъща част от енергията. Но вятърът може да има и разрушителен ефект върху експеримента, тъй като пренася топлинната енергия далеч от котлона.
2. 3. Експериментален пример 3 - измерване на слънчевата константа
Този опит може да се намери в много книги по астрономия и физика. Проектиран е по такъв начин, че да може лесно да се изпълнява в клас.
За този експеримент ви е необходима напълнена с вода колба на Erlenmeyer или подобен съд, а също така ви е необходим и течен термометър.
Преди да може да се проведе експериментът, трябва да се направят някои подготовки. Първо се определя масата на колбата на Ерленмайер, това е необходимо за оценката. След това е необходимо да се определи обемът на количеството вода, с което се пълни колбата. Накрая дъното на колбата на Ерленмайер се почернява с пламък или нещо подобно и се изчислява площта му А.
За целта: Напълнената с вода колба на Erlenmeyer, в която е потопен термометърът, е подравнена с почерненото дъно, перпендикулярно на падащата слънчева радиация. Постъпващата радиация се абсорбира почти изцяло от черната зона А и води до една от продължителността на експеримента? t завишено повишаване на температурата? Т вода и колба. Следователно общата радиационна енергия S, пристигаща във времето? T трябва да бъде измерима като увеличение на топлинната енергия на водата и колбата:
където топлинните мощности C на устройството са резултат от специфичните топлинни мощности и маси вода и стъкло:
Следователно слънчевата константа може да бъде изчислена по следната формула:
Тестовете, проведени по този начин, водят до стойности от около 1000 W/m² за S.
Тук също трябва да се има предвид, че част от слънчевата радиация се абсорбира в атмосферата и възникват енергийни загуби, когато експериментът се провежда и експериментът се настройва, така че истинската стойност на слънчевата константа трябва да бъде по-висока.
3-ти експеримент - определяне на слънчевата константа
3. 1. Задача
Задачата беше да измерим слънчевата константа възможно най-точно с устройството, построено от г-н Кликс в хода на годишната работа по астрономия.
3. 2. Преглед
Преди всичко ще опиша как е конструирано устройството и какво трябва да се има предвид преди измерванията.
Устройството се състои от дървена рамка, която е проектирана да бъде подвижна, така че да може да бъде ориентирана перпендикулярно на слънчевата радиация. На тази рамка има пластмасов цилиндър, в който има алуминиев цилиндър, добре защитен от топлинни загуби от стиропор, той е черен, за да може да абсорбира голяма част от лъчистата енергия. Живачен термометър с много точна скала измерва температурата си. Преди измерванията се дава малко вода през отвора за термометъра; той служи като термична връзка между алуминия и термометъра. Предната повърхност на пластмасовия цилиндър е маскирана с отразяващ филм, за да отразява слънчевата радиация, която свети върху зоната извън черната зона.
Преди да започнете измерванията, трябва да се извършат някои подготовки. Първо трябва да се определят масата и специфичният топлинен капацитет на алуминиевия цилиндър. Последното може да се намери във всяка таблица и е: cAl = 0,9 kJ/(kg · K) -1. Тъй като липсваше точна информация за структурата на устройството, определянето на масата на алуминиевия цилиндър беше изпълнено с проблеми и произтичащите от това неточности. След определяне на обема се изчислява маса mAl 116 g. След това беше определена черната зона A с площ A = 10 cm² (преобразувана за допълнителни изчисления: A = 0,0010 m²).
В допълнение към измервателното устройство е необходим часовник за измерване на часовата разлика t.
3. 3. Прилагане
Преди всяко измерване в устройството се излива малко вода (както е описано по-горе). Изчаквате няколко минути, докато стартовата температура T0 е зададена. След това устройството е подравнено перпендикулярно на слънчевата радиация и часовникът се стартира. Ако термометърът покачи повишаване на температурата с един градус, това и разликата във времето? t зададе. След това устройството е подравнено перпендикулярно на слънчевата радиация и часовникът се стартира. Когато термометърът покачи повишаване на температурата
3. 4. Таблица с измерена стойност
Фигура не е включена в този екстракт
Изчислените стойности на слънчевата константа вече са включени в таблицата за по-добър преглед (за изчисление вижте оценка).
3. 5. Оценка
Постъпващата радиационна енергия се абсорбира от черната зона А и води до повишаване на температурата? T алуминий в разликата във времето? T.
Следователно слънчевата константа може да бъде определена по следната формула:
Стойностите за площта на повърхността А на черната зона, масата mAl на алуминиевия цилиндър и топлинният капацитет cAl на алуминия са известни от предварителния преглед, а останалите стойности за началната температура T0, времевата разлика? T и температурната разлика? T могат да бъдат взети от таблицата на измерените стойности. В който ? T е разликата между моментната температура T и началната температура T0.
Средната слънчева константа SØ, определена от всички стойности за S, е SØ =
1030 W/m², много повече е трудно измеримо от Земята и следователно това е приемлива стойност.
3. 6. Разглеждане на грешки
Източниците на грешки в този експеримент са многобройни, като: Разсейването на топлината от вятъра, атмосферното поглъщане и неточната маса на алуминиевото тяло са някои от тях. Колко силно е разсейването на топлината чрез вятър, може да се види на малък пример: При слънчеви бани, когато слънцето грее силно, скоро имате усещане за топлина върху кожата си, но щом се появи малко вятър, това усещане изчезва много бързо. Тъй като алуминият е добър проводник на топлина, той отделя топлинна енергия също толкова бързо, колкото и я абсорбира.
Освен това устройството изтече и загуби вода, което означава допълнителни топлинни загуби.
Фактът, че точните размери на сърцевината на устройството, алуминиевият цилиндър, не са били известни, оказа най-траен ефект върху експеримента.
Поредица на Beck´sche Wolfgang Mättig - Учебникът на слънцето - основен курс по астрономия