Što je veći upadni kut sunčevih zraka, to. Kutovi sunca i sjenčanje

Na istoj geografskoj točki u različito doba dana sunčeve zrake padaju na zemlju pod različitim kutovima. Izračunavanjem ovog kuta i poznavanjem geografskih koordinata može se točno izračunati astronomsko vrijeme. Moguć je i suprotan učinak. Uz pomoć kronometra koji pokazuje točno astronomsko vrijeme možete georeferencirati točku.

Trebat će vam

• - gnomon;
• - vladar;
• - horizontalna površina;
• - razina tekućine za uspostavljanje vodoravne površine;
• - kalkulator;
• - tablice tangensa i kotangenata.

Uputa

• Pronađite strogo vodoravnu površinu. Provjerite s razinom. Mogu se koristiti i uređaji s mjehurićima i elektronički uređaji. Ako koristite libelu, mjehurić bi trebao biti točno u sredini. Radi lakšeg daljnjeg rada, pričvrstite list papira na površinu. U ovom slučaju najbolje je koristiti milimetarski papir. Kao vodoravnu površinu možete uzeti list debele, izdržljive šperploče. Ne bi trebalo imati depresije i neravnine.
• Na milimetarskom papiru nacrtajte točku ili križić. Postavite gnomon okomito tako da se njegova os podudara s vašom oznakom. Gnomon je šipka ili stup postavljen strogo okomito. Njegov vrh ima oblik oštrog stošca.
• Postavite drugu točku na krajnju točku sjene gnomona. Označite ga kao točku A, a prvu - kao točku C. Trebali biste znati visinu gnomona s dovoljnom točnošću. Što je veći gnomon, rezultat će biti točniji.
• Izmjerite udaljenost od točke A do točke C na bilo koji način. Imajte na umu da su mjerne jedinice iste kao visina gnomona. Ako je potrebno, pretvorite u najprikladnije jedinice.
• Na posebnom listu papira nacrtajte crtež koristeći dobivene podatke. Na crtežu biste trebali dobiti pravokutni trokut u kojem je pravi kut C položaj gnomona, krak CA duljina sjene, a krak CB visina gnomona.
• Izračunajte kut A koristeći tangens ili kotangens koristeći formulu tgA=BC/AC. Poznavajući tangentu, odredite stvarni kut.
• Dobiveni kut je kut između vodoravne površine i sunčeve zrake. Upadni kut je kut između okomice spuštene na podlogu i grede. Odnosno, jednak je 90º-A.

Najvažniji izvor iz kojeg površina Zemlje i atmosfera dobivaju toplinsku energiju je Sunce. Šalje ogromnu količinu energije zračenja u svjetski prostor: toplinsku, svjetlosnu, ultraljubičastu. Elektromagnetski valovi koje emitira Sunce šire se brzinom od 300 000 km/s.

Zagrijavanje zemljine površine ovisi o kutu upada sunčevih zraka. Sve sunčeve zrake padaju na Zemljinu površinu paralelno jedna s drugom, ali budući da Zemlja ima sferni oblik, sunčeve zrake padaju na različite dijelove njezine površine pod različitim kutovima. Kada je Sunce u zenitu, njegove zrake padaju okomito i Zemlja se jače zagrijava.

Ukupna energija zračenja koju šalje Sunce naziva se solarno zračenje, obično se izražava u kalorijama po površini godišnje.

Sunčevo zračenje određuje temperaturni režim troposfere Zemljinog zraka.

Treba napomenuti da je ukupna količina sunčevog zračenja više od dvije milijarde puta veća od količine energije koju prima Zemlja.

Zračenje koje dopire do Zemljine površine sastoji se od izravnog i difuznog.

Zračenje koje dolazi na Zemlju izravno sa Sunca u obliku izravne sunčeve svjetlosti na nebu bez oblaka naziva se ravno. Nosi najveću količinu topline i svjetlosti. Da naš planet nema atmosferu, Zemljina bi površina primala samo izravno zračenje.

Međutim, prolazeći kroz atmosferu, oko četvrtine sunčevog zračenja se raspršuje molekulama plina i nečistoćama, odstupa od izravnog puta. Neki od njih dospijevaju na površinu Zemlje, formirajući se raspršeno sunčevo zračenje. Zahvaljujući raspršenom zračenju svjetlost prodire i na mjesta gdje ne prodire izravna sunčeva svjetlost (izravno zračenje). Ovo zračenje stvara dnevnu svjetlost i daje boju nebu.

Ukupno sunčevo zračenje

Sve zrake sunca koje udare u zemlju su ukupno sunčevo zračenje tj. ukupnost izravnog i difuznog zračenja (slika 1).

Riža. 1. Ukupno sunčevo zračenje godišnje

Raspodjela sunčevog zračenja po zemljinoj površini

Sunčevo zračenje je neravnomjerno raspoređeno po Zemlji. Ovisi:

1. na gustoću i vlažnost zraka – što su veće, to zemljina površina prima manje zračenja;

2. od geografske širine područja – količina zračenja raste od polova prema ekvatoru. Količina izravnog sunčevog zračenja ovisi o duljini puta koji sunčeve zrake putuju kroz atmosferu. Kada je Sunce u zenitu (upadni kut zraka je 90°), njegove zrake najkraćim putem pogađaju Zemlju i intenzivno odaju svoju energiju malom području. Na Zemlji se to događa u pojasu između 23° N. sh. i 23°S š., tj. između trop. Kako se udaljavate od ove zone prema jugu ili sjeveru, povećava se duljina puta sunčevih zraka, odnosno smanjuje se kut njihovog upada na površinu zemlje. Zrake počinju padati na Zemlju pod manjim kutom, kao da klize, približavajući se tangenti u području polova. Kao rezultat toga, isti tok energije raspoređuje se na veće područje, pa se količina reflektirane energije povećava. Dakle, u području ekvatora, gdje sunčeve zrake padaju na zemljinu površinu pod kutom od 90°, količina izravnog sunčevog zračenja koju prima zemljina površina je veća, a kako se krećete prema polovima, ta količina se povećava oštro smanjena. Osim toga, duljina dana u različitim razdobljima u godini također ovisi o zemljopisnoj širini područja, što također određuje količinu sunčevog zračenja koje ulazi na zemljinu površinu;

3. od godišnjeg i dnevnog kretanja Zemlje - u srednjim i visokim geografskim širinama dotok sunčevog zračenja jako varira prema godišnjim dobima, što je povezano s promjenom podnevne visine Sunca i duljine dana. ;

4. o prirodi zemljine površine – što je površina svjetlija, to više sunčeve svjetlosti odbija. Sposobnost površine da reflektira zračenje naziva se albedo(od lat. bjelina). Snijeg posebno snažno odbija zračenje (90%), pijesak slabije (35%), još slabije černozem (4%).

Zemljina površina, apsorbira sunčevo zračenje (apsorbirano zračenje), zagrijava i isijava toplinu u atmosferu (reflektirano zračenje). Niži slojevi atmosfere u velikoj mjeri odgađaju zemaljsko zračenje. Zračenje koje apsorbira zemljina površina troši se na zagrijavanje tla, zraka i vode.

Onaj dio ukupnog zračenja koji ostaje nakon refleksije i toplinskog zračenja zemljine površine naziva se ravnoteža zračenja. Ravnoteža zračenja Zemljine površine varira tijekom dana i godišnjih doba, ali u prosjeku za godinu posvuda ima pozitivnu vrijednost, s izuzetkom ledenih pustinja Grenlanda i Antarktika. Ravnoteža zračenja doseže svoje najveće vrijednosti na niskim geografskim širinama (između 20°N i 20°S) - preko 42*10 2 J/m 2 , na geografskoj širini od oko 60° na obje hemisfere smanjuje se na 8*10 2 - 13 * 10 2 J / m 2.

Sunčeve zrake daju atmosferi do 20% svoje energije koja je raspoređena po cijeloj debljini zraka, pa je zagrijavanje zraka uzrokovano njima relativno malo. Sunce zagrijava zemljinu površinu koja zbog toga predaje toplinu atmosferskom zraku konvekcija(od lat. konvekcija- doprema), tj. okomito kretanje zraka zagrijanog na zemljinoj površini, umjesto kojeg se spušta hladniji zrak. Tako atmosfera prima najviše topline - u prosjeku tri puta više nego izravno od Sunca.

Prisutnost ugljičnog dioksida i vodene pare ne dopušta toplini koja se reflektira od zemljine površine da slobodno izlazi u svemir. Oni stvaraju Efekt staklenika, zbog čega pad temperature na Zemlji tijekom dana ne prelazi 15°C. U nedostatku ugljičnog dioksida u atmosferi, Zemljina bi se površina tijekom noći ohladila za 40-50 °C.

Kao rezultat rasta razmjera ljudske gospodarske aktivnosti - izgaranja ugljena i nafte u termoelektranama, emisija iz industrijskih poduzeća, povećanja emisija automobila - povećava se sadržaj ugljičnog dioksida u atmosferi, što dovodi do povećanje učinka staklenika i prijeti globalnim klimatskim promjenama.

Sunčeve zrake, prošavši kroz atmosferu, padaju na površinu Zemlje i zagrijavaju je, a ona zauzvrat odaje toplinu atmosferi. To objašnjava karakterističnu značajku troposfere: pad temperature zraka s visinom. Ali postoje trenuci kada su gornji slojevi atmosfere topliji od donjih. Takva se pojava naziva temperaturna inverzija(od lat. inversio - okretanje).

Sunce je izvor svega na Zemlji: svjetlosti, topline, života. Samo je sunčeva svjetlost ljudima davala toplinu prije nego što su naučili ložiti vatru - sunčeva energija prva je ovladala ljudskoj zajednici. Nije ni čudo što je sama ova zajednica nastala, prema paleontolozima, pod vrelim suncem ekvatora, u središnjoj Africi. Energija Sunca će po svemu sudeći postati najprihvatljivija u budućim razdobljima zbog svoje prirodnosti (daje se besplatno), neiscrpnosti i ekološke čistoće. Zašto je do sada ostala u sjeni? Zašto se tisućama godina čovjek radije grijao i kuhao hranu paljenjem drva, ugljena, nafte, stvaranjem domišljatih građevina na brzim rijekama i puhanjem vjetrova, vađenjem (u zadnje vrijeme) opasnog radioaktivnog urana? Jer za tehnološki nerazvijeno društvo, okovano uz zemljinu površinu, solarne elektrane bile bi male, glomazne, ovisne o vremenu – praktički nekonkurentne. Samo su pisci znanstvene fantastike slutili njihov budući neizbježni uzlet.

S pristupom svemiru, stvaranjem orbitalnih postaja i brzim razvojem elektronike (prvenstveno poluvodiča), situacija se dramatično promijenila. Sunčeva energija sada više nije daleki san, već svakodnevna stvarnost koja zauzima sve više mjesta u aktivnostima znanstvenih institucija i industrijskih organizacija.

Solarna energija je neiscrpna – uz beskonačan rast naših tehničkih mogućnosti.

Najveća gustoća toka sunčevog zračenja koje pada na Zemlju iznosi približno 1 kW/m 2 u području valnih duljina od 0,3-2,5 µm. Ovo zračenje naziva se kratkovalno i uključuje vidljivi spektar. Za naseljena područja, ovisno o lokaciji, dobu dana i vremenu, tokovi sunčeve energije koji dopiru do Zemlje variraju od 3 do 30 MJ/m2 dnevno. Sunčevo zračenje karakterizira energija fotona pri distribucijskom maksimumu od oko 2 eV, određena prema temperaturi površine Sunca od oko 6000 K. To je energetski tok iz dostupnog izvora puno više temperature od tradicionalnih tehničkih izvora. Zračenje se širi brzinom od 3x10 8 m/s i do zemljine atmosfere stiže za oko 8 minuta. Njegovu toplinsku energiju moguće je koristiti standardnim tehničkim uređajima (primjerice: parne turbine) i metodama razvijenim na temelju fotokemijskih i fotofizičkih interakcija. Energijski tokovi zračenja koji povezuju atmosferu sa Zemljinom površinom također su oko 1 kW/m 2 , ali pokrivaju drugi spektralni raspon - od 5 do 25 µm, koji se naziva dugovalnim s maksimumom od oko 10 µm. Prema spektru, kratkovalno i dugovalno zračenje nalaze se prilično udaljeno jedno od drugog i lako se razlikuju.

1 Upadni kut Sunca i zenitni kut

Sunce je zvijezda Sunčevog sustava, koja je izvor ogromne količine topline i zasljepljujuće svjetlosti za planet Zemlju. Unatoč 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. Naš planet se okreće oko Sunca u orbiti. Ako se Zemlja tijekom godine promatra iz svemirske letjelice, tada se može primijetiti da Sunce uvijek obasjava samo jednu polovinu Zemlje, dakle, tamo će biti dan, au to vrijeme će na suprotnoj polovici biti noć. Zemljina površina prima toplinu samo danju.

Naša Zemlja se neravnomjerno zagrijava. Neravnomjerno zagrijavanje Zemlje objašnjava se njezinim sfernim oblikom, pa je upadni kut sunčeve zrake u različitim područjima različit, što znači da različiti dijelovi Zemlje primaju različitu količinu topline. Na ekvatoru sunčeve zrake padaju okomito i jako zagrijavaju Zemlju. Što je dalje od ekvatora, upadni kut zrake postaje manji, a samim tim i ova područja primaju manje topline. Snop iste snage sunčevog zračenja zagrijava mnogo manje područje u blizini ekvatora, budući da pada okomito. Osim toga, zrake koje padaju pod manjim kutom nego na ekvatoru, prodirući u atmosferu, u njoj prolaze duži put, uslijed čega se dio sunčevih zraka raspršuje u troposferi i ne dopire do zemljine površine. Sve to ukazuje na to da kako se udaljavate od ekvatora prema sjeveru ili jugu, temperatura zraka opada, jer se smanjuje kut upada sunčeve zrake.

Na stupanj zagrijavanja zemljine površine utječe i činjenica da je zemljina os nagnuta prema ravnini orbite, duž koje Zemlja čini potpuni krug oko Sunca, pod kutom od 66,5° i uvijek je usmjerena prema sjeverni kraj prema Polarnoj zvijezdi.

Zamislimo da Zemlja, gibajući se oko Sunca, ima Zemljinu os okomitu na ravninu orbite rotacije. Tada bi površina na različitim geografskim širinama tijekom cijele godine dobivala konstantnu količinu topline, kut upada sunčeve zrake bio bi cijelo vrijeme stalan, dan bi uvijek bio jednak noći, ne bi bilo izmjene godišnjih doba. Na ekvatoru bi se ti uvjeti malo razlikovali od sadašnjih. Nagib zemljine osi ima značajan utjecaj na zagrijavanje zemljine površine, a time i na cjelokupnu klimu, upravo u umjerenim geografskim širinama.

Tijekom godine, odnosno za vrijeme potpunog kruga Zemlje oko Sunca, posebno se ističu četiri dana: 21. ožujka, 23. rujna, 22. lipnja, 22. prosinca.

Tropi i polarni krugovi dijele Zemljinu površinu na pojaseve koji se razlikuju po sunčevom osvjetljenju i količini topline primljene od Sunca. Postoji 5 osvijetljenih zona: sjeverna i južna polarna zona, koje primaju malo svjetla i topline, tropska zona s vrućom klimom, te sjeverna i južna umjerena zona, koje primaju više svjetlosti i topline od polarnih, ali manje od one tropske.

Slika 1.1 - Položaj Zemlje u odnosu na Sunce

Dakle, zaključno, možemo izvući opći zaključak: neravnomjerno zagrijavanje i osvjetljenje zemljine površine povezani su sa sferičnosti naše Zemlje i s nagibom zemljine osi do 66,5 ° u odnosu na orbitu rotacije oko Sunca.

Upadni kut zrake je kut između upadne zrake i okomice na reflektirajuću površinu u točki preloma zrake. Na istoj geografskoj točki u različito doba dana sunčeve zrake padaju na zemlju pod različitim kutovima.

Slika 1.2 - Upad sunčeve zrake i njezina refleksija

Količina sunčeve svjetlosti i topline koja ulazi u zemljinu površinu izravno je proporcionalna upadnom kutu zraka. Sunčeve zrake mogu padati na Zemlju pod kutom od 0 do 90 stupnjeva. Kut pod kojim zrake padaju na zemlju je različit, jer naš planet ima oblik lopte. Što je veći, to je lakši i topliji.

Dakle, ako zraka dolazi pod kutom od 0 stupnjeva, ona samo klizi po površini zemlje bez zagrijavanja. Ovaj upadni kut javlja se na sjevernom i južnom polu, iza Arktičkog kruga. Sunčeve zrake pod pravim kutom padaju na ekvator i na površinu između južnog i sjevernog tropa. Ovaj se pokazatelj smatra maksimalnim kutom upada sunčeve svjetlosti. Kao što znate, iz tečaja VII razreda, 21. ožujka i 23. rujna, Sunce je u zenitu iznad ekvatora, zrake ovdje padaju pod najvećim kutom. Odavde se prema sjeveru i jugu upadni kut sunčevih zraka smanjuje. Kao rezultat toga, za izračunavanje kuta upada zraka na određenu točku koja se nalazi na obje hemisfere, možemo napisati sljedeći izraz:

ω=90°-φ (1)

gdje je ω upadni kut sunčevih zraka;

φ je geografska širina na kojoj se točka nalazi.

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

Zenit - kut upadanja sunčevih zraka, jednak 90 °.

Dakle, kut upadanja zraka na površinu zemlje i visina sunca iznad horizonta jednaki su jedni drugima. Ovise o geografskoj širini. Što je bliža nultoj geografskoj širini, što je upadni kut zraka bliži 90 stupnjeva, što je sunce više iznad horizonta, to je toplije i svjetlije.

Zenitni kut Sunca mijenja se ovisno o rotaciji Zemlje oko Sunca i rotaciji Zemlje oko svoje osi.

Tijekom godine Zemlja opisuje eliptičnu putanju oko Sunca. Promatraču na Zemlji, naprotiv, čini se da se Sunce tijekom godine kreće nebeskim svodom i opisuje putanju zvanu ekliptika. Ravnina ekliptike zatvara kut od 23 O 27' (oko 23 i pol gardusa) s ravninom zemljinog ekvatora.

Slika 1.3 - Kretanje Zemlje po ekliptici i sjecište Sunca s ravninom ekvatora

Krećući se po ekliptici, Sunce 21. ožujka (na dan proljetnog ekvinocija) i 24. rujna (na dan jesenskog ekvinocija) prelazi ravninu ekvatora i dostiže najveću visinu od 23 i pol stupnja iznad ravnine ekvator - 22. lipnja ljetni solsticij (za promatrača na sjevernoj hemisferi) i minimalna visina 22. prosinca (zimski solsticij).

Pritom se mijenja deklinacija Sunca u odnosu na zemljin ekvator.

Osim toga, Zemlja se još okreće oko svoje osi, zbog čega zenitni kut ovisi i o satnom kutu.

Dakle, uzimajući u obzir promjenu deklinacije Sunca, geografsku širinu promatrača i vrijeme u odnosu na pravo podne, zenitni kut, uzimajući u obzir sfernu geometriju, određuje se formulom:

(2)

gdje, - zemljopisna širina;

Deklinacija Zemljine putanje;

t - trenutno vrijeme;

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

Položaj Sunca na nebu stalno se mijenja. Ljeti je Sunce više na nebu nego zimi; zimi izlazi južno od pravca prema istoku, a ljeti - sjeverno od ovog pravca.Grafički se to može prikazati skicom putanje Sunca po nebu tijekom godine; brojevi u kružićima označavaju doba dana. Za što učinkovitije uvjete zasjenjenja potrebno je odrediti položaj Sunca. Na primjer, za određivanje dimenzija zasjenila koje sprječava ulazak izravnog sunčevog svjetla u prozor između 10:00 i 14:00 sati, potrebno je znati kut ulaska sunčevog svjetla (upadni kut). Još jedna situacija koja zahtijeva takve informacije opisana je u odjeljku Sunčevo zračenje.

Položaj Sunca na nebu određuju dva kutna mjerenja: visina i azimut Sunca. Visina Sunca a mjeri se od horizontale; solarni azimut |3 mjeri se iz pravca prema jugu (sl. 6.23). Ovi se kutovi mogu izračunati ili uzeti iz unaprijed sastavljenih tablica ili nomograma.

Izračun ovisi o tri varijable: geografskoj širini L, deklinaciji 6 i satnom kutu Z. Zemljopisna širina se može pronaći na svakoj dobroj karti. Deklinacija, ili mjera koliko se Sunce pomaknulo sjeverno ili južno od ekvatora, varira od mjeseca do mjeseca (slika 6.24). Satni kut ovisi o lokalnom solarnom vremenu: R = 0,25 (broj minuta od lokalnog solarnog podneva). Sunčevo vrijeme (vrijeme koje izravno pokazuje sunčani sat) mjeri se od sunčevog podneva, kada je sunce na najvišoj točki na nebu. Zbog promjene brzine Zemljine orbite u različito doba godine, zemljopisna dužina dana (mjerena od podneva do sljedećeg solarnog podneva) donekle se razlikuje od dužine dana prema srednjem solarnom vremenu (mjerenom konvencionalnim satovi). Pri računanju lokalnog sunčevog vremena ta razlika se uzima u obzir, zajedno s korekcijom za zemljopisnu dužinu, ako se promatrač ne nalazi na standardnom vremenskom meridijanu svoje vremenske zone.

Kako biste ispravili lokalno standardno vrijeme (koristite točan sat) prema lokalnom solarnom vremenu, morate izvršiti nekoliko operacija:

1) ako je na snazi ​​porodiljno vrijeme, oduzmite 1 sat;

2) odredite meridijan ove točke. Odredite standardni vremenski meridijan za ovu lokaciju (75° za istočno standardno vrijeme, 90° za središnje standardno vrijeme, 150° za standardno vrijeme Aljaske i Havaja). Pomnožite razlike između meridijana s 4 min/stup. Ako se ta točka nalazi istočno od meridijana zone, dodajte minute korekcije standardnom vremenu; ako je na zapadu, onda ih oduzmite;

3) dodajte jednadžbu vremena (Slika 6.25) za

Slika 6 23 Položaj Sunca na nebu)