Солнечная постоянная - Solar constant

Спектр солнечного излучения в верхней части атмосферы в линейном масштабе и нанесен на график волновое число.

В солнечная постоянная (граммSC) это плотность потока среднее значение солнечный электромагнитное излучение (солнечное излучение) на единицу площади. Его измеряют на поверхности, перпендикулярной лучам, один астрономическая единица (AU) от Солнца (примерно расстояние от Солнца до Земли).

Солнечная постоянная включает все типы солнечная радиация и не только видимый свет. По данным спутниковых измерений, он составляет 1,361. килограммВт за квадратный метр (кВт / м²) при солнечный минимум (время в 11-летнем солнечный цикл когда количество солнечные пятна минимальна) и примерно на 0,1% больше (примерно 1,362 кВт / м²) при солнечный максимум.[1]

Солнечная «постоянная» не является физическая постоянная в современном CODATA научный смысл; то есть это не похоже на Постоянная Планка или скорость света которые в физике абсолютно постоянны. Солнечная постоянная - это среднее значение переменной величины. За последние 400 лет он колебался менее чем на 0,2 процента.[2] Миллиарды лет назад это было значительно ниже.

Эта константа используется при вычислении радиационное давление, который помогает в вычислении силы на солнечный парус.

Расчет

Солнечное излучение измеряется спутниками выше Атмосфера Земли,[3] а затем настраивается с помощью закон обратных квадратов сделать вывод о величине солнечного излучения за один Астрономический блок (AU) для оценки солнечной постоянной.[4] Приведено примерное среднее значение,[1] 1,3608 ± 0,0005 кВт / м², что составляет 81,65 кДж / м² в минуту, что эквивалентно примерно 1,951 калории в минуту на квадратный сантиметр, или 1,951. Langleys в минуту.

Солнечная энергия почти, но не совсем постоянна. Вариации в полное солнечное излучение (TSI) были небольшими и их трудно было точно обнаружить с помощью технологий, доступных до эры спутников (± 2% в 1954 г.). Общая выработка солнечной энергии сейчас оценивается как разная (за последние три 11-летних солнечное пятно циклов) примерно на 0,1%;[5] видеть солнечная вариация для подробностей.

Исторические измерения

В 1838 г. Клод Пуийе сделал первую оценку солнечной постоянной. Используя очень простой пиргелиометр он разработал, он получил значение 1,228 кВт / м²,[6] близко к текущей оценке.

В 1875 г. Жюль Виоль возобновил работу Пуийе и предложил несколько большую оценку 1,7 кВт / м², частично основанную на измерении, которое он сделал из Монблан во Франции.

В 1884 г. Сэмюэл Пирпон Лэнгли попытался оценить солнечную постоянную из Гора Уитни В Калифорнии. Сняв показания в разное время дня, он попытался скорректировать эффекты, связанные с атмосферным поглощением. Однако предложенное им окончательное значение, 2,903 кВт / м², было слишком большим.

Болограф Лэнгли 1903 года с ошибочной солнечной постоянной 2,54 калорий в минуту на квадратный сантиметр.

Между 1902 и 1957 годами измерения Чарльз Грили Эббот и другие на различных высотных объектах обнаружили значения от 1,322 до 1,465 кВт / м². Эббот показал, что одна из поправок Лэнгли была применена ошибочно. Результаты Эббота варьировались от 1,89 до 2,22 калорий (от 1,318 до 1,548 кВт / м²), что, по-видимому, связано с Солнцем, а не с атмосферой Земли.[7]

В 1954 году солнечная постоянная была оценена как 2,00 кал / мин / см.2 ± 2%.[8] Текущие результаты примерно на 2,5 процента ниже.

Связь с другими измерениями

Солнечное излучение

Основная статья: Солнечное излучение
Смотрите также: Энергетический бюджет Земли

Фактическое прямое солнечное излучение в верхней части атмосферы колеблется примерно на 6,9% в течение года (с 1,412 кВт / м² в начале января до 1,321 кВт / м² в начале июля) из-за различного расстояния Земли от Солнца, и обычно на намного меньше, чем 0,1% изо дня в день. Таким образом, в целом земной шар (который имеет поперечное сечение 127 400 000 км²), мощность 1,730 × 1017 W (или 173 000 тераватты ),[9] плюс-минус 3,5% (половина годового диапазона примерно 6,9%). Солнечная постоянная не остается постоянной в течение длительных периодов времени (см. Солнечная вариация ), но в течение года солнечная постоянная меняется намного меньше, чем солнечная освещенность, измеренная в верхней части атмосферы. Это связано с тем, что солнечная постоянная оценивается на фиксированном расстоянии 1 Астрономический блок (AU), в то время как солнечное излучение будет зависеть от эксцентриситет орбиты Земли. Его расстояние до Солнца ежегодно колеблется в пределах 147,1 · 106 км в перигелий и 152,1 · 106 км в афелий. Кроме того, несколько длительных (от десятков до сотен тысячелетий) циклов тонких изменений орбиты Земли (Циклы Миланковича ) влияют на солнечную освещенность и инсоляцию (но не на солнечную постоянную).

Земля получает общее количество излучения, определяемое ее поперечным сечением (π · RE²), но по мере его вращения эта энергия распределяется по всей площадь поверхности (4 · π · RE²). Следовательно, среднее приходящее солнечное излучение с учетом угла, под которым падают лучи, и того факта, что в любой момент половина планеты не получает солнечного излучения, составляет одну четвертую солнечной постоянной (приблизительно 340 Вт / м²). Сумма, достигающая поверхности Земли (как инсоляция ) дополнительно уменьшается за счет атмосферного ослабления, которое меняется. В любой момент количество солнечной радиации, получаемой в определенном месте на поверхности Земли, зависит от состояния атмосферы, широта, и время суток.

Видимая величина

Солнечная постоянная включает все длины волн солнечного электромагнитного излучения, а не только видимый свет (видеть Электромагнитный спектр ). Это положительно коррелирует с кажущаяся величина Солнца, что составляет -26,8. Солнечная постоянная и величина Солнца - это два метода описания видимой яркости Солнца, хотя величина основана только на визуальных данных Солнца.

Общее излучение Солнца

В угловой диаметр Земли, если смотреть с Солнца, составляет примерно 1/11 700 радианы (около 18 угловые секунды ), имея в виду телесный угол Земли, если смотреть с Солнца, составляет примерно 1/175000000 стерадиан. Таким образом, Солнце излучает примерно в 2,2 миллиарда раз больше радиации, чем улавливает Земля, другими словами, примерно 3,846 × 1026 Вт.[10]

Прошлые изменения солнечного излучения

Космические наблюдения солнечной радиации начались в 1978 году. Эти измерения показывают, что солнечная постоянная непостоянна. Это зависит от 11-летнего солнечного пятна. солнечный цикл. Когда мы возвращаемся в прошлое, нужно полагаться на реконструкции освещенности с использованием солнечных пятен за последние 400 лет или космогенных радионуклидов за последние 10 000 лет. Такие реконструкции показывают, что солнечное излучение изменяется с определенной периодичностью. Это следующие циклы: 11 лет (цикл Швабе), 88 лет (цикл Глейсберга), 208 лет (цикл ДеВриза) и 1000 лет (цикл Эдди).[11][12][13][14][15]

В течение миллиардов лет Солнце постепенно расширяется и излучает больше энергии с большей площадью поверхности. Нерешенный вопрос о том, как объяснить явные геологические свидетельства наличия жидкой воды на Земле миллиарды лет назад, в то время, когда светимость Солнца составляла всего 70% от его текущего значения, известен как слабый парадокс молодого Солнца.

Вариации из-за атмосферных условий

Не более 75% солнечной энергии действительно достигает поверхности Земли,[16] поскольку даже при безоблачном небе он частично отражается и поглощается атмосферой. Даже легкие перистые облака уменьшают это значение до 50%, более сильные перистые облака - до 40%. Таким образом, солнечная энергия, поступающая на поверхность, когда солнце находится прямо над головой, может варьироваться от 550 Вт / м² при перистых облаках до 1025 Вт / м² при ясном небе.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Копп, G .; Лин, Дж. Л. (2011). «Новое, более низкое значение общей солнечной радиации: доказательства и климатическое значение». Письма о геофизических исследованиях. 38 (1): н / д. Bibcode:2011GeoRL..38.1706K. Дои:10.1029 / 2010GL045777.
  2. ^ http://lasp.colorado.edu/home/sorce/data/tsi-data/ Данные полной солнечной освещенности, SORCE
  3. ^ «Спутниковые наблюдения полной солнечной радиации». acrim.com.
  4. ^ «Предупреждение о статусе NOAA».
  5. ^ Уилсон, Ричард С .; H.S. Хадсон (1991). «Светимость Солнца за полный солнечный цикл». Природа. 351 (6321): 42–4. Bibcode:1991 Натур 351 ... 42 Вт. Дои:10.1038 / 351042a0.
  6. ^ Измерение солнечной постоянной Клода Пуйе, автор J-L Dufresne, La Météorologie В архиве 2010-03-05 на Wayback Machine, No. 60, pp. 36–43, февраль 2008 г.
  7. ^ Одно или несколько предыдущих предложений включают текст из публикации, которая сейчас находится в всеобщее достояние: Сэмпсон, Ральф Аллен (1911). "солнце ". В Чисхолме, Хью (ред.). Британская энциклопедия. 26 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. п. 87.
  8. ^ Фрэнсис С. Джонсон (декабрь 1954 г.). «Солнечная постоянная». Журнал метеорологии. 11 (6): 431–439. Bibcode:1954JAtS ... 11..432J. Дои:10.1175 / 1520-0469 (1954) 011 <0431: TSC> 2.0.CO; 2.
  9. ^ Арчер, Д. (2012). Глобальное потепление: понимание прогноза. ISBN  978-0-470-94341-0.
  10. ^ «☀ Солнце - Образовательные факты и история звезды, которую мы называем Солнцем». www.nineplanets.org. 26 сентября 2019.
  11. ^ Ванга; и другие. (2005). «Моделирование магнитного поля и излучения Солнца с 1713 года». Астрофизический журнал. 625 (1): 522–538. Bibcode:2005ApJ ... 625..522 Вт. Дои:10.1086/429689.
  12. ^ Steinhilber et al. (2009), Письма о геофизических исследованиях, том 36, L19704, Дои:10.1051/0004-6361/200811446
  13. ^ Виейра; и другие. (2011). «Эволюция солнечного излучения в голоцене». Астрономия и астрофизика. 531: A6. arXiv:1103.4958. Bibcode:2011A и A ... 531A ... 6 В. Дои:10.1051/0004-6361/201015843.
  14. ^ Штайнхильбер; и другие. (2012). «9400 лет космической радиации и солнечной активности от ледяных кернов и годичных колец». Труды Национальной академии наук. 109 (16): 5967–5971. Bibcode:2012PNAS..109.5967S. Дои:10.1073 / pnas.1118965109. ЧВК  3341045. PMID  22474348.
  15. ^ Vieira, L.E.A .; Нортон, А .; Kretzschmar, M .; Schmidt, G.A .; Чунг, М.С.М. (2012). «Как наклон земной орбиты влияет на приходящую солнечную радиацию» (PDF). Geophys. Res. Латыш. 39 (16): L16104. Bibcode:2012GeoRL..3916104V. Дои:10.1029 / 2012GL052950.
  16. ^ Рейман, Ханс-Георг; Вайпрехт, Юрген Kompendium für das Astronomische Praktikum