Auringon korkeus horisontin yläpuolella: muutos ja mittaus. Auringonnousu joulukuussa

Aurinko on kaiken lähde maan päällä: valon, lämmön, elämän. Vain auringonvalo antoi ihmisille lämpöä ennen kuin he oppivat tekemään tulta – aurinkoenergia oli ensimmäinen, jonka ihmisyhteisö hallitsi. Ei ihme, että tämä yhteisö itse syntyi paleontologien mukaan päiväntasaajan kuuman auringon alla Keski-Afrikassa. Ilmeisesti Auringon energiasta tulee tulevina aikakausina hyväksyttävin luonnollisuutensa (saa ilmaiseksi), ehtymättömyytensä ja ekologisen puhtautensa ansiosta. Miksi hän on pysynyt varjoissa toistaiseksi? Miksi ihminen halusi tuhansien vuosien ajan lämmittää itseään ja valmistaa ruokaa polttamalla polttopuita, hiiltä, ​​öljyä, luomalla nerokkaita rakenteita nopeille joille ja puhaltamalla tuulia sekä uuttamalla (äskettäin) vaarallista radioaktiivista uraania? Koska teknologisesti kehittymättömälle yhteiskunnalle, joka on ketjutettu maan pintaan, aurinkovoimalat olisivat pieniä, tilaa vieviä, säästä riippuvaisia ​​- käytännössä kilpailukyvyttömiä. Vain tieteiskirjailijat arvasivat tulevaisuuden väistämättömän nousunsa.

Avaruuteen pääsyn, kiertorata-asemien luomisen ja elektroniikan (ensisijaisesti puolijohteiden) nopean kehityksen myötä tilanne muuttui dramaattisesti. Nyt aurinkoenergia ei ole kaukainen unelma, vaan jokapäiväinen todellisuus, joka vie yhä enemmän tilaa tieteellisten laitosten ja teollisten organisaatioiden toiminnassa.

Aurinkoenergia on ehtymätöntä – teknisten kykyjemme jatkuvan kasvun myötä.

Maahan tulevan auringon säteilyn suurin vuotiheys on noin 1 kW/m 2 aallonpituusalueella 0,3-2,5 µm. Tätä säteilyä kutsutaan lyhytaaltoiseksi ja se sisältää näkyvän spektrin. Asutuilla alueilla, sijainnista, vuorokaudenajasta ja säästä riippuen Maahan saapuvan aurinkoenergian virtaukset vaihtelevat 3-30 MJ/m2 vuorokaudessa. Auringon säteilylle on ominaista fotonienergia, jonka jakautumamaksimi on noin 2 eV, joka määräytyy Auringon pinnan noin 6000 K lämpötilasta. Tämä on energiavuo saatavilla olevasta lähteestä, jonka lämpötila on paljon korkeampi kuin perinteiset tekniset lähteet. Säteily etenee nopeudella 3x10 8 m/s ja saavuttaa maan ilmakehän noin 8 minuutissa. Sen lämpöenergiaa voidaan käyttää standarditeknisillä laitteilla (esim. höyryturbiinit) sekä fotokemiallisten ja fotofysikaalisten vuorovaikutusten perusteella kehitetyillä menetelmillä. Myös ilmakehän ja Maan pintaan yhdistävät säteilyenergiavirrat ovat luokkaa 1 kW/m 2, mutta ne kattavat toisen spektrialueen - 5-25 µm, jota kutsutaan pitkäaaltoiseksi maksimissaan noin 10 µm. Spektrin mukaan lyhyt- ja pitkäaaltoiset säteilyt sijaitsevat melko kaukana toisistaan ​​ja ovat helposti erotettavissa.

1 Auringon tulokulma ja zeniittikulma

Aurinko on aurinkokunnan tähti, joka on valtavan määrän lämpöä ja sokaisevan valon lähde maapallolle. Huolimatta siitä, että Aurinko on huomattavan etäisyyden päässä meistä ja vain pieni osa sen säteilystä saavuttaa meidät, tämä riittää elämän kehittymiseen maapallolla. Planeettamme pyörii auringon ympäri kiertoradalla. Jos Maata tarkkaillaan avaruusaluksesta vuoden aikana, niin voidaan huomata, että Aurinko valaisee aina vain puolet maapallosta, joten siellä on päivä ja tuolloin yö vastakkaisella puoliskolla. Maapallon pinta saa lämpöä vain päiväsaikaan.

Maapallomme lämpenee epätasaisesti. Maan epätasainen lämpeneminen selittyy sen pallomaisella muodolla, joten auringon säteen tulokulma eri alueilla on erilainen, mikä tarkoittaa, että maapallon eri osat saavat eri lämpöä. Päiväntasaajalla auringonsäteet putoavat pystysuoraan ja ne lämmittävät maata voimakkaasti. Mitä kauempana päiväntasaajasta, säteen tulokulma pienenee, ja tämän seurauksena nämä alueet saavat vähemmän lämpöä. Sama auringon säteilyteho lämmittää paljon pienemmän alueen päiväntasaajan lähellä, koska se putoaa pystysuoraan. Lisäksi päiväntasaajaa pienemmässä kulmassa putoavat, ilmakehään tunkeutuvat säteet kulkevat siinä pidemmän matkan, minkä seurauksena osa auringonsäteistä on hajallaan troposfäärissä eivätkä saavuta maan pintaa. Kaikki tämä osoittaa, että kun siirryt päiväntasaajalta pohjoiseen tai etelään, ilman lämpötila laskee, kun auringonsäteen tulokulma pienenee.

Maan pinnan kuumenemisasteeseen vaikuttaa myös se, että maapallon akseli on vinossa kiertoradan tasoon nähden, jota pitkin maapallo tekee täyden kierroksen Auringon ympäri, 66,5° kulmassa ja on aina suunnattu pohjoispää kohti napatähteä.

Kuvittele, että Auringon ympäri liikkuvan Maan akseli on kohtisuorassa kiertoradan tasoon nähden. Silloin eri leveysasteilla oleva pinta saisi tasaisen lämpömäärän ympäri vuoden, auringonsäteen tulokulma olisi koko ajan vakio, päivä olisi aina yhtä suuri kuin yö, vuodenaikojen vaihtelua ei olisi. Päiväntasaajalla nämä olosuhteet poikkeaisivat vähän nykyisestä. Maan akselin kaltevuus vaikuttaa merkittävästi maan pinnan lämpenemiseen ja siten koko ilmastoon juuri lauhkeilla leveysasteilla.

Vuoden aikana eli Maan täydellisen kierroksen aikana Auringon ympäri neljä päivää ovat erityisen huomionarvoisia: 21. maaliskuuta, 23. syyskuuta, 22. kesäkuuta, 22. joulukuuta.

Trooppiset ja napaympyrät jakavat Maan pinnan vyöhykkeiksi, jotka eroavat toisistaan ​​auringon valaistuksen ja Auringosta tulevan lämmön määrän suhteen. Valaistusvyöhykkeitä on 5: pohjoinen ja eteläinen napa-alue, jotka saavat vähän valoa ja lämpöä, trooppinen vyöhyke, jossa on kuuma ilmasto sekä pohjoinen ja eteläinen lauhkea vyöhyke, jotka saavat enemmän valoa ja lämpöä kuin napa-alueet, mutta vähemmän kuin napaalueet. trooppiset.

Kuva 1.1 - Maan sijainti aurinkoon nähden

Joten johtopäätöksenä voimme tehdä yleisen johtopäätöksen: maan pinnan epätasainen lämmitys ja valaistus liittyvät maapallomme pallomaisuuteen ja maan akselin kalteluun jopa 66,5 ° Auringon ympäri kiertävään kiertoradalle.

Säteen tulokulma on tulevan säteen ja heijastuspintaan nähden kohtisuoran välinen kulma säteen mutkakohdassa. Samassa maantieteellisessä kohdassa eri vuorokaudenaikoina auringonsäteet putoavat maan päälle eri kulmissa.

Kuva 1.2 - Auringon säteen tulo ja sen heijastus

Maan pinnalle tuleva auringonvalon ja lämmön määrä on suoraan verrannollinen säteiden tulokulmaan. Auringon säteet voivat pudota maan päälle kulmassa 0-90 astetta. Kulma, jossa säteet osuvat maahan, on erilainen, koska planeetallamme on pallon muotoinen. Mitä suurempi se on, sitä kevyempi ja lämpimämpi se on.

Siten, jos säde tulee 0 asteen kulmaan, se liukuu vain maan pintaa pitkin lämmittämättä sitä. Tämä tulokulma esiintyy pohjois- ja etelänavalla, napapiirin takana. Suorassa kulmassa auringonsäteet putoavat päiväntasaajalle ja eteläisen ja pohjoisen tropiikin väliselle pinnalle. Tätä ilmaisinta pidetään auringonvalon enimmäistulokulmana. Kuten tiedät, Aurinko on VII-luokan kurssilta 21. maaliskuuta ja 23. syyskuuta zeniitissä päiväntasaajan yläpuolella, säteet putoavat tähän suurimmassa kulmassa. Tästä pohjoiseen ja etelään päin auringonsäteiden tulokulma pienenee. Tämän seurauksena voimme kirjoittaa seuraavan lausekkeen, jotta voimme laskea säteiden tulokulman tietyssä molemmilla pallonpuoliskolla sijaitsevassa pisteessä:

ω=90°-φ (1)

missä ω on auringonsäteiden tulokulma;

φ on maantieteellinen leveysaste, jossa piste sijaitsee.

Jos auringonsäteiden kulma maassa on suora, tämä tarkoittaa, että aurinko on zeniitissään.

Zenith - auringonsäteiden tulokulma, joka on 90 °.

Siten säteiden tulokulma maan pinnalle ja auringon korkeus horisontin yläpuolella ovat keskenään yhtä suuret. Ne riippuvat maantieteellisestä leveysasteesta. Mitä lähempänä nollaa leveysastetta, sitä lähempänä säteiden tulokulma on 90 astetta, sitä korkeammalla aurinko on horisontin yläpuolella, sitä lämpimämpi ja kirkkaampi.

Auringon zeniittikulma muuttuu riippuen Maan pyörimisestä Auringon ympäri ja Maan pyörimisestä akselinsa ympäri.

Maapallo kiertää vuoden aikana elliptistä kiertorataa Auringon ympäri. Maan tarkkailijasta päinvastoin näyttää siltä, ​​että Aurinko liikkuu taivaanvahvuuden poikki ja kuvaa polkua, jota kutsutaan ekliptikaksi vuoden aikana. Ekliptiikan taso muodostaa 23 O 27' (noin 23 ja puoli gardus) kulman maan päiväntasaajan tason kanssa.

Kuva 1.3 - Maan liike ekliptiikkaa pitkin ja auringon ja päiväntasaajan leikkauspiste

Ekliptiikkaa pitkin Aurinko ylittää päiväntasaajan tason 21. maaliskuuta (kevätpäiväntasaus) ja 24. syyskuuta (syyspäiväntasauksen päivä) ja saavuttaa maksimikorkeuden 23 ja puoli astetta maanpinnan tason yläpuolelle. päiväntasaaja - 22. kesäkuuta kesäpäivänseisaus (pohjoisen pallonpuoliskon tarkkailijalle) ja vähimmäiskorkeus 22. joulukuuta (talvipäivänseisaus).

Tässä prosessissa Auringon deklinaatio suhteessa maan päiväntasaajaan muuttuu.

Lisäksi maapallo pyörii edelleen akselinsa ympäri, minkä seurauksena zeniittikulma riippuu myös tuntikulmasta.

Näin ollen, kun otetaan huomioon muutos Auringon deklinaatiossa, tarkkailijan leveysaste ja aika suhteessa todelliseen keskipäivään, zeniittikulma, ottaen huomioon pallomainen geometria, määritetään kaavalla:

(2)

missä, - leveysaste;

Maan kiertoradan deklinaatio;

t - nykyinen aika;

t p - todellisen keskipäivän aika (sekunteina), nimittäjässä päivän kesto (myös sekunneissa).

Auringon sijainti taivaalla muuttuu jatkuvasti. Kesällä Aurinko on korkeammalla taivaalla kuin talvella; talvella se nousee suoraan itään suuntautuvasta suunnasta etelään ja kesällä tämän suunnan pohjoiseen Tämä voidaan esittää graafisesti luonnoksella Auringon polusta taivaalla vuoden aikana; ympyröissä olevat numerot osoittavat vuorokaudenajan. Tehokkaimman varjostustilan aikaansaamiseksi on tarpeen määrittää Auringon sijainti. Esimerkiksi sellaisen varjostuslaitteen koon määrittämiseksi, joka estää suoraa auringonvaloa pääsemästä ikkunaan kello 10:00 ja 14:00 välillä, sinun on tiedettävä auringonvalon tulokulma (tulokulma). Toinen tällaisia ​​tietoja vaativa tilanne on kuvattu Auringon säteily -osiossa.

Auringon sijainti taivaalla määritetään kahdella kulmamittauksella: Auringon korkeudella ja atsimuutilla. Auringon korkeus a mitataan vaakatasosta; auringon atsimuutti |3 mitataan suunnasta suoraan etelään (kuva 6.23). Nämä kulmat voidaan laskea tai ottaa valmiista taulukoista tai nomogrammeista.

Laskenta riippuu kolmesta muuttujasta: leveysaste L, deklinaatio 6 ja tuntikulma Z. Leveysaste löytyy mistä tahansa hyvästä kartasta. Deklinaatio eli mitta, kuinka kauas päiväntasaajasta pohjoiseen tai etelään aurinko on siirtynyt, vaihtelee kuukausittain (kuva 6.24). Tuntikulma riippuu paikallisesta aurinkoajasta: R = 0,25 (minuuttien lukumäärä paikallisesta aurinkopäivästä). Aurinkoaika (aurinkokellon suoraan näyttämä aika) mitataan auringon keskipäivästä, jolloin Aurinko on korkeimmillaan taivaalla. Maan kiertoradan nopeuden muutoksesta eri vuodenaikoina vuorokauden pituusaste (mitattu keskipäivästä seuraavaan aurinkokeskipäivään) poikkeaa jonkin verran vuorokauden pituusasteesta keskimääräisen aurinkoajan mukaan (mitattuna tavanomaisella kellot). Paikallista aurinkoaikaa laskettaessa tämä ero otetaan huomioon pituusasteen korjauksen kanssa, jos havainnoija ei ole aikavyöhykkeensä normaaliaikameridiaanilla.

Korjaaksesi paikallista normaaliaikaa (käytä tarkkaa kelloa) paikallisen aurinkoajan mukaan, sinun on suoritettava useita toimintoja:

1) jos äitiysaika on voimassa, vähennä 1 tunti;

2) määritä tämän pisteen pituuspiiri. Määritä tämän paikan normaaliaikameridiaani (75° itäiselle normaaliajalle, 90° keskiaikaiselle aikavälille, 150° Alaskan ja Havaijin normaaliajalle). Kerro meridiaanien väliset erot 4 minuutilla/aste. Jos tämä piste sijaitsee vyöhykemeridiaanin itäpuolella, lisää korjausminuutit normaaliaikaan; jos se on lännessä, vähennä ne;

3) lisää aikayhtälö (Kuva 6.25) varten

Kuva 6 23 Auringon sijainti taivaalla)