Visina sunca iznad horizonta: promjena i mjerenje. Izlazak sunca u decembru

Sunce je izvor svega na Zemlji: svetlosti, toplote, života. Samo je sunčeva svjetlost davala toplinu ljudima prije nego što su naučili da prave vatru - solarna energija je prva kojom je ovladala ljudska zajednica. Nije ni čudo da je sama ova zajednica nastala, prema paleontolozima, pod vrelim suncem na ekvatoru, u centralnoj Africi. Očigledno će energija Sunca postati najprihvatljivija u budućim erama zbog svoje prirodnosti (daje se besplatno), neiscrpnosti i ekološke čistoće. Zašto je do sada ostala u senci? Zašto se, hiljadama godina, čovjek radije grijao i kuhao hranu spaljivanjem drva za ogrjev, uglja, ulja, stvarajući genijalne strukture na brzim rijekama i vjetrovima, izvlačeći (nedavno) opasni radioaktivni uranijum? Jer za tehnološki nerazvijeno društvo, vezano za površinu zemlje, solarne elektrane bi bile male, glomazne, ovisne o vremenskim prilikama – praktički nekonkurentne. Samo su pisci naučne fantastike nagađali njihov budući neizbježni uzlet.

Pristupom svemiru, stvaranjem orbitalnih stanica i brzim razvojem elektronike (prije svega poluvodiča), situacija se dramatično promijenila. Sada solarna energija nije daleki san, već svakodnevna stvarnost koja zauzima sve više prostora u aktivnostima naučnih institucija i industrijskih organizacija.

Sunčeva energija je neiscrpna - uz beskrajan rast naših tehničkih mogućnosti.

Najveća gustina protoka sunčevog zračenja koja pada na Zemlju je približno 1 kW/m 2 u opsegu talasnih dužina od 0,3-2,5 µm. Ovo zračenje se naziva kratkotalasno i uključuje vidljivi spektar. Za naseljena područja, u zavisnosti od lokacije, doba dana i vremenskih prilika, tokovi sunčeve energije koji dopiru do Zemlje variraju od 3 do 30 MJ/m2 dnevno. Sunčevo zračenje karakteriše energija fotona na maksimumu distribucije od oko 2 eV, određena iz temperature površine Sunca od oko 6000 K. To je tok energije iz pristupačnog izvora mnogo više temperature od tradicionalnih tehničkih izvora. Zračenje se širi brzinom od 3x10 8 m/s i stiže do Zemljine atmosfere za oko 8 minuta. Njegova toplinska energija se može koristiti standardnim tehničkim uređajima (na primjer: parne turbine) i metodama razvijenim na bazi fotokemijskih i fotofizičkih interakcija. Tokovi energije zračenja koji povezuju atmosferu sa površinom Zemlje su također oko 1 kW/m 2 , ali pokrivaju još jedan spektralni raspon - od 5 do 25 µm, koji se naziva dugovalna dužina sa maksimumom od oko 10 µm. Prema spektru, kratko- i dugovalna zračenja nalaze se dosta daleko jedno od drugog i mogu se lako razlikovati.

1 Upadni ugao Sunca i zenit ugao

Sunce je zvijezda Sunčevog sistema, koja je izvor ogromne količine topline i zasljepljujuće svjetlosti za planetu Zemlju. Uprkos činjenici da je Sunce na znatnoj udaljenosti od nas i samo mali dio njegovog zračenja dopire do nas, to je sasvim dovoljno za razvoj života na Zemlji. Naša planeta se okreće oko Sunca u orbiti. Ako se Zemlja posmatra sa svemirskog broda tokom godine, onda se može primetiti da Sunce uvek osvetljava samo jednu polovinu Zemlje, dakle, tamo će biti dan, a u to vreme će biti noć na suprotnoj polovini. Zemljina površina prima toplotu samo tokom dana.

Naša Zemlja se zagreva neravnomerno. Neravnomjerno zagrijavanje Zemlje objašnjava se njenim sfernim oblikom, pa je ugao upada sunčeve zrake u različitim područjima različit, što znači da različiti dijelovi Zemlje primaju različite količine topline. Na ekvatoru, sunčevi zraci padaju okomito i snažno zagrijavaju Zemlju. Što je dalje od ekvatora, upadni ugao zraka postaje manji, a samim tim i ove teritorije primaju manje topline. Isti snop sunčeve radijacije zagrijava mnogo manje područje u blizini ekvatora, budući da pada okomito. Osim toga, zrake koje padaju pod manjim uglom nego na ekvatoru, prodiru u atmosferu, putuju u njoj dužom putanjom, uslijed čega se dio sunčevih zraka raspršuje u troposferi i ne dopire do zemljine površine. Sve ovo ukazuje da kako se udaljavate od ekvatora prema sjeveru ili jugu, temperatura zraka opada, kako se smanjuje upadni ugao sunčeve zrake.

Na stepen zagrevanja zemljine površine utiče i to što je Zemljina os nagnuta u odnosu na ravan orbite, duž koje Zemlja pravi potpunu revoluciju oko Sunca, pod uglom od 66,5° i uvek je usmerena sjeverni kraj prema Polarnoj zvijezdi.

Zamislite da Zemlja, koja se kreće oko Sunca, ima Zemljinu osu okomitu na ravan orbite rotacije. Tada bi površina na različitim geografskim širinama primala konstantnu količinu toplote tokom cele godine, ugao upada sunčevog zraka bio bi konstantan sve vreme, dan bi uvek bio jednak noći, ne bi bilo promene godišnjih doba. Na ekvatoru bi se ovi uslovi malo razlikovali od sadašnjih. Nagib zemljine ose ima značajan uticaj na zagrevanje zemljine površine, a samim tim i na celokupnu klimu, upravo u umerenim geografskim širinama.

Tokom godine, odnosno tokom potpunog okretanja Zemlje oko Sunca, posebno se izdvajaju četiri dana: 21. mart, 23. septembar, 22. jun, 22. decembar.

Tropi i polarni krugovi dijele Zemljinu površinu na pojaseve koji se razlikuju po sunčevom osvjetljenju i količini topline primljene od Sunca. Postoji 5 zona osvjetljenja: sjeverni i južni polarni pojas koji primaju malo svjetlosti i topline, tropski pojas sa toplom klimom i sjeverni i južni umjereni pojas koji primaju više svjetlosti i topline od polarnih, ali manje od one tropske.

Slika 1.1 – Položaj Zemlje u odnosu na Sunce

Dakle, u zaključku, možemo izvući opći zaključak: neravnomjerno zagrijavanje i osvjetljenje zemljine površine povezani su sa sferičnosti naše Zemlje i sa nagibom Zemljine ose do 66,5 ° prema orbiti rotacije oko Sunca.

Upadni ugao zraka je ugao između upadne zrake i okomite na reflektujuću površinu u tački preloma zraka. U istoj geografskoj tački u različito doba dana, sunčevi zraci padaju na zemlju pod različitim uglovima.

Slika 1.2 – Upad sunčevog zraka i njegov odraz

Količina sunčeve svjetlosti i topline koja ulazi na površinu zemlje direktno je proporcionalna upadnom kutu zraka. Sunčevi zraci mogu pasti na Zemlju pod uglom od 0 do 90 stepeni. Ugao pod kojim zraci udaraju u zemlju je drugačiji, jer naša planeta ima oblik lopte. Što je veći, to je lakši i topliji.

Dakle, ako snop dolazi pod uglom od 0 stepeni, on samo klizi duž površine zemlje bez da je zagreva. Ovaj ugao upada se javlja na sjevernom i južnom polu, iza arktičkog kruga. Pod pravim uglom, sunčeve zrake padaju na ekvator i na površinu između južnog i sjevernog tropskog pojasa. Ovaj indikator se smatra maksimalnim kutom upada sunčeve svjetlosti. Kao što znate, iz kursa VII razreda, 21. marta i 23. septembra, Sunce je u zenitu iznad ekvatora, zraci ovde padaju pod najvećim uglom. Odavde, prema sjeveru i jugu, ugao upada sunčevih zraka se smanjuje. Kao rezultat toga, da bismo izračunali ugao upada zraka na određenu tačku koja se nalazi na obje hemisfere, možemo napisati sljedeći izraz:

ω=90°-φ (1)

gdje je, ω ugao upada sunčevih zraka;

φ je geografska širina na kojoj se tačka nalazi.

Ako je ugao sunčevih zraka na tlu ravan, to znači da je sunce u zenitu.

Zenit - ugao upada sunčevih zraka, jednak 90 °.

Dakle, ugao upada zraka na površinu zemlje i visina sunca iznad horizonta su međusobno jednaki. Zavise od geografske širine. Što je bliža geografska širina, što je ugao upada zraka bliži 90 stepeni, što je sunce više iznad horizonta, to je toplije i svjetlije.

Zenitni ugao Sunca se menja u zavisnosti od rotacije Zemlje oko Sunca i rotacije Zemlje oko svoje ose.

Tokom godine, Zemlja opisuje eliptičnu putanju oko Sunca. Posmatraču na Zemlji, naprotiv, izgleda da se Sunce kreće preko nebeskog svoda i opisuje putanju koja se zove ekliptika tokom godine. Ravan ekliptike čini ugao od 23 O 27' (oko 23 i po gardusa) sa ravninom Zemljinog ekvatora.

Slika 1.3 - Kretanje Zemlje duž ekliptike i preseka Sunca sa ravninom ekvatora

Krećući se duž ekliptike, Sunce prelazi ravan ekvatora 21. marta (dan prolećne ravnodnevice) i 24. septembra (dan jesenjeg ekvinocija) i dostiže maksimalnu visinu od 23 i po stepena iznad ravni ekvator - 22. juna ljetni solsticij (za posmatrača na sjevernoj hemisferi) i minimalna visina 22. decembra (zimski solsticij).

U tom procesu mijenja se deklinacija Sunca u odnosu na Zemljin ekvator.

Osim toga, Zemlja se još uvijek okreće oko svoje ose, zbog čega zenitni ugao zavisi i od satnog ugla.

Dakle, uzimajući u obzir promjenu deklinacije Sunca, geografske širine posmatrača i vremena u odnosu na pravo podne, zenit ugao, uzimajući u obzir sfernu geometriju, određuje se formulom:

(2)

gdje, - geografska širina;

Deklinacija Zemljine orbite;

t - trenutno vrijeme;

t p - vrijeme pravog podneva (u sekundama), u nazivniku trajanje dana (također u sekundama).

Položaj Sunca na nebu se stalno mijenja. Ljeti je Sunce više na nebu nego zimi; zimi se uzdiže južno od pravca prema istoku, a ljeti - sjeverno od ovog pravca.Grafički se to može prikazati skicom puta Sunca preko neba tokom godine; brojevi u krugovima označavaju doba dana. Da bi se obezbedili najefikasniji uslovi senčenja, potrebno je odrediti položaj Sunca. Na primjer, da bi se odredile dimenzije uređaja za zasjenjenje koji sprječava direktnu sunčevu svjetlost da uđe u prozor između 10:00 i 14:00 sati, potrebno je znati ugao ulaska sunčeve svjetlosti (upadni ugao). Druga situacija koja zahtijeva takve informacije opisana je u odjeljku Solarno zračenje.

Položaj Sunca na nebu određen je pomoću dva ugaona mjerenja: visine i azimuta Sunca. Visina Sunca a mjeri se od horizontale; solarni azimut |3 se mjeri iz pravca prema jugu (slika 6.23). Ovi uglovi se mogu izračunati ili uzeti iz prethodno sastavljenih tabela ili nomograma.

Izračun zavisi od tri varijable: geografske širine L, deklinacije 6 i satnog ugla Z. Geografsku širinu možete pronaći na bilo kojoj dobroj karti. Deklinacija, ili mjera koliko se Sunce pomaknulo sjeverno ili južno od ekvatora, varira od mjeseca do mjeseca (Slika 6.24). Satni ugao ovisi o lokalnom solarnom vremenu: R = 0,25 (broj minuta od lokalnog solarnog podneva). Sunčevo vrijeme (vrijeme prikazano direktno sunčanim satom) mjeri se od solarnog podneva, kada je sunce na najvišoj tački na nebu. Zbog promjene brzine Zemljine orbite u različito doba godine, geografska dužina dana (mjereno od podneva do sljedećeg solarnog podneva) se donekle razlikuje od geografske dužine dana prema srednjem solarnom vremenu (mjereno konvencionalnim satovi). Prilikom izračunavanja lokalnog solarnog vremena ova razlika se uzima u obzir, uz korekciju geografske dužine, ako se posmatrač ne nalazi na standardnom vremenskom meridijanu svoje vremenske zone.

Da biste ispravili lokalno standardno vrijeme (koristite precizan sat) prema lokalnom solarnom vremenu, potrebno je izvršiti nekoliko operacija:

1) ako je na snazi ​​porodiljsko vrijeme, onda oduzeti 1 sat;

2) odrediti meridijan ove tačke. Odredite standardni vremenski meridijan za ovu lokaciju (75° za istočno standardno vrijeme, 90° za centralno standardno vrijeme, 150° za standardno vrijeme Aljaske-Havaji). Pomnožite razlike između meridijana sa 4 min/deg. Ako se ova tačka nalazi istočno od meridijana zone, onda standardnom vremenu dodajte minute korekcije; ako je na zapadu, onda ih oduzmite;

3) dodati jednačinu vremena (slika 6.25) za

Slika 6 23 Položaj Sunca na nebu)