Чим більший кут падіння сонячних променів, тим. Кути падіння сонячних променів та затінення

В одній і тій же географічній точці в різний час доби сонячне проміння падає на землю під різними кутами. Обчисливши цей кут і знаючи географічні координати, можна точно обчислити астрономічний час. Можлива і зворотна дія. За допомогою хронометра, що показує точний астрономічний час, можна виконати географічну прив'язку точки.

Вам знадобиться

• - гномон;
• - Лінійка;
• - Горизонтальна поверхня;
• - Рідинний рівень для встановлення горизонтальної поверхні;
• - Калькулятор;
• - таблиці тангенсів та котангенсів.

Інструкція

• Знайдіть горизонтальну поверхню. Проконтролюйте її за допомогою рівня. Можна використовувати як бульбашковий, і електронний прилад. Якщо ви користуєтеся рідинним рівнем, бульбашка повинна бути строго в центрі. Для зручності подальшої роботи закріпіть на поверхні аркуш паперу. Найкраще в даному випадку використовувати міліметрівку. Як горизонтальну поверхню можна взяти лист товстої міцної фанери. На ній не повинно бути западин і пагорбів.
• Намалюйте на міліметрі крапку або хрест. Встановіть гномон вертикально так, щоб його вісь збігалася з вашою міткою. Гномоном називається встановлений строго вертикально стрижень або жердину. Його вершина має форму гострого конусу.
• У точці закінчення тіні гномона поставте другу точку. Позначте її як точку А, а першу - як точку С. Висота гномона повинна бути відома з достатньою точністю. Чим більший гномон, тим точніше вийде результат.
• Виміряйте відстань від точки А до точки С будь-яким доступним вам способом. Зверніть увагу на те, щоб одиниці виміру були тими самими, що й висота гномона. Якщо є потреба, переведіть у найзручніші одиниці.
• На окремому аркуші паперу виконайте креслення, використовуючи отримані дані. На кресленні повинен вийти прямокутний трикутник, у якого прямий кут С – місце встановлення гномона, катет СА – довжина тіні, а катет СВ – висота гномона.
• Обчисліть кут А за допомогою тангенсу або котангенсу за допомогою формули tgА=ВС/АС. Знаючи тангенс, визначте власне кут.
• Отриманий кут є кутом між горизонтальною поверхнею та сонячним променем. Кутом падіння називається кут між перпендикуляром, опущеним на поверхню, та променем. Тобто він дорівнює 90 º-А.

Найважливішим джерелом, від якого поверхня Землі та атмосфера одержують теплову енергію, є Сонце. Воно посилає у світовий простір колосальну кількість променистої енергії: теплової, світлової, ультрафіолетової. Електромагнітні хвилі, що випромінюються Сонцем, поширюються зі швидкістю 300 000 км/с.

Від величини кута падіння сонячних променів залежить нагрівання земної поверхні. Всі сонячні промені приходять на поверхню Землі паралельно один одному, але так як Земля має кулясту форму, сонячні промені падають на різні ділянки поверхні під різними кутами. Коли Сонце в зеніті, його промені падають прямовисно і Земля нагрівається сильніше.

Вся сукупність променистої енергії, що посилається Сонцем, називається сонячною радіацією,зазвичай вона виявляється у калоріях на одиницю поверхні на рік.

Сонячна радіація визначає температурний режим повітряної тропосфери Землі.

Необхідно зауважити, що загальна кількість сонячного випромінювання більш ніж у два мільярди разів перевищує кількість енергії, яку отримує Земля.

Радіація, що досягає земної поверхні, складається з прямої та розсіяної.

Радіація, що приходить на Землю безпосередньо від Сонця у вигляді прямих сонячних променів при безхмарному небі, називається прямий.Вона несе найбільшу кількість тепла та світла. Якби наша планета не мала атмосфери, земна поверхня отримувала тільки пряму радіацію.

Однак, проходячи через атмосферу, приблизно четверта частина сонячної радіації розсіюється молекулами газів та домішками, відхиляється від прямого шляху. Деяка їхня частина досягає поверхні Землі, утворюючи розсіяну сонячну радіацію.Завдяки розсіяній радіації світло проникає й у місця, куди прямі сонячні промені (пряма радіація) не проникають. Ця радіація створює денне світло і надає кольору небу.

Сумарна сонячна радіація

Усі сонячні промені, що надходять на Землю, становлять сумарну сонячну радіацію,тобто сукупність прямої та розсіяної радіації (рис. 1).

Рис. 1. Сумарна сонячна радіація протягом року

Розподіл сонячної радіації по земній поверхні

Сонячна радіація розподіляється землі нерівномірно. Це залежить:

1. від щільності та вологості повітря - що вони вище, тим менше радіації отримує земна поверхня;

2. від географічної широти території — кількість радіації зростає від полюсів до екватора. Кількість прямої сонячної радіації залежить від довжини шляху, що проходить сонячне проміння в атмосфері. Коли Сонце перебуває у зеніті (кут падіння променів 90°), його промені потрапляють Землю найкоротшим шляхом і інтенсивно віддають свою енергію малої площі. На Землі це відбувається у смузі між 23° з. ш. та 23° пд. ш., тобто між тропіками. У міру віддалення від цієї зони на південь чи північ довжина шляху сонячних променів збільшується, т. е. зменшується кут їх падіння на земну поверхню. Промені починають падати на Землю під меншим кутом, ніби ковзаючи, наближаючись у районі полюсів до дотичної лінії. В результаті той же потік енергії розподіляється на велику площу, тому збільшується кількість відбитої енергії. Таким чином, в районі екватора, де сонячні промені падають на земну поверхню під кутом 90°, кількість отримуваної земної поверхнею прямої сонячної радіації вище, а в міру пересування до полюсів ця кількість різко скорочується. Крім того, від широти місцевості залежить і тривалість дня у різні пори року, що також визначає величину сонячної радіації, що надходить на земну поверхню;

3. від річного та добового руху Землі - у середніх та високих широтах надходження сонячної радіації сильно змінюється по порах року, що пов'язано зі зміною південної висоти Сонця та тривалості дня;

4. від характеру земної поверхні — що світліша поверхня, то більше вписувалося сонячних променів вона відбиває. Здатність поверхні відбивати радіацію називається альбедо(Від лат. Білизна). Особливо сильно відбиває радіацію сніг (90%), слабкіший пісок (35%), ще слабкіший чорнозем (4%).

Земна поверхня поглинає сонячну радіацію (поглинена радіація),нагрівається і сама випромінює тепло в атмосферу (Відбита радіація).Нижні шари атмосфери значною мірою затримують земне випромінювання. Поглинена земною поверхнею радіація витрачається на нагрівання ґрунту, повітря, води.

Та частина сумарної радіації, яка залишається після відображення та теплового випромінювання земної поверхні, називається радіаційним балансом.Радіаційний баланс земної поверхні змінюється протягом доби та по сезонах року, проте в середньому за рік має позитивне значення усюди, за винятком крижаних пустель Гренландії та Антарктиди. Максимальних значень радіаційний баланс досягає в низьких широтах (між 20° пн. ш. і 20° пд. ш.) — понад 42*10 2 Дж/м 2 , на широті близько 60° обох півкуль він знижується до 8*10 2 13*10 2 Дж/м2.

Сонячні промені віддають атмосфері до 20% своєї енергії, яка розподіляється по всій товщі повітря, і тому нагрівання повітря, що викликається ними, відносно невелике. Сонце нагріває поверхню Землі, яка передає тепло атмосферному повітрю за рахунок конвекції(Від лат. convectio- доставка), тобто вертикального переміщення нагрітого біля земної поверхні повітря, на місце якого опускається холодніше повітря. Саме так атмосфера отримує більшу частину тепла — у середньому втричі більше, ніж безпосередньо від Сонця.

Присутність у вуглекислого газу та водяної пари не дозволяє теплу, відбитому від земної поверхні, безперешкодно йти у космічний простір. Вони створюють парниковий ефект,завдяки якому перепад температури Землі протягом доби вбирається у 15 °З. За відсутності в атмосфері вуглекислого газу земна поверхня остигала за ніч на 40-50 °С.

Внаслідок зростання масштабів господарської діяльності людини — спалювання вугілля та нафти на ТЕС, викидів промисловими підприємствами, збільшення автомобільних викидів — вміст вуглекислого газу в атмосфері підвищується, що веде до посилення парникового ефекту та загрожує глобальною зміною клімату.

Сонячні промені, пройшовши атмосферу, потрапляють на поверхню Землі та нагрівають її, а та, у свою чергу, віддає тепло атмосфері. Цим пояснюється характерна риса тропосфери: зниження температури повітря з висотою. Але трапляються випадки, коли вищі шари атмосфери виявляються теплішими, ніж нижчі. Таке явище зветься температурної інверсії(Від латів. inversio - перевертання).

Сонце – джерело всього Землі: світла, тепла, життя. Тільки сонячне світло дарувало людям тепло до того, як вони навчилися видобувати вогонь, – сонячна енергетика була першою, освоєною людською спільнотою. Недарма саме це співтовариство виникло, як стверджують палеонтологи, під спекотним сонцем екватора, у Центральній Африці. Мабуть, енергетика Сонця стане найприйнятнішою і в майбутні епохи завдяки своїй природності (дається даром), невичерпності та екологічній чистоті. Чому ж досі вона залишалася в тіні? Чому протягом тисячоліть людина вважала за краще зігрівати себе і готувати їжу, спалюючи дрова, вугілля, нафту, створюючи хитромудрі споруди на швидких річках і продувних вітрах, видобуваючи (останнім часом) небезпечний радіоактивний уран? Тому що для технічно нерозвиненого суспільства, прикутого до земної поверхні, сонячні енергостанції були б малопотужними, громіздкими, які залежать від погоди – практично неконкурентними. Тільки фантасти чуттям вгадували їхній майбутній неминучий зліт.

З виходом у космос, створенням орбітальних станцій та бурхливим розвитком електроніки (насамперед напівпровідників) ситуація різко змінилася. Зараз сонячна енергетика – не далека мрія, а щоденна реальність, що займає дедалі більше місця у діяльності наукових інститутів та промислових організацій.

Сонячна енергія невичерпна – при безкінечному зростанні наших технічних можливостей.

p align="justify"> Найбільша щільність потоку сонячного випромінювання, що припадає на Землю, становить приблизно 1 кВт/м 2 в діапазоні довжин хвиль 0.3-2.5 мкм. Це випромінювання називається короткохвильовим та включає видимий спектр. Для населених районів залежно від місця, часу доби та погоди потоки сонячної енергії, що досягають Землі, змінюються від 3 до 30 МДж/м 2 на день. Сонячне випромінювання характеризується енергією фотонів у максимумі розподілу близько 2 еВ, визначеної за температурою поверхні Сонця близько 6000 К. Це енергетичний потік від доступного джерела набагато вищої температури, ніж у традиційних технічних джерел. Випромінювання поширюється зі швидкістю 3х108 м/с і досягає земної атмосфери приблизно за 8 хвилин. Теплова енергія його може бути використана за допомогою стандартних технічних пристроїв (наприклад: парових турбін) та методами, розробленими на основі фотохімічних та фотофізичних взаємодій. Потоки енергії випромінювання, що пов'язують атмосферу з поверхнею Землі, також близько 1 кВт/м 2 , але вони перекривають інший спектральний діапазон - від 5 до 25 мкм, званий довгохвильовим максимум близько 10 мкм. По спектру коротко- і довгохвильове випромінювання розташовані один від одного досить далеко і можуть бути легко помітні.

1 Кут падіння Сонця та зенітний кут

Сонце – зірка Сонячної системи, яка є для планети Земля джерелом величезної кількості тепла та сліпучого світла. Незважаючи на те, що Сонце знаходиться від нас на значній відстані і до нас доходить лише невелика частина його випромінювання, цього цілком достатньо для розвитку життя на Землі. Наша планета обертається навколо Сонця по орбіті. Якщо з космічного корабля спостерігати Землю протягом року, можна помітити, що Сонце завжди висвітлює лише одну половину Землі, отже, там буде день, але в протилежної половині у цей час буде ніч. Земна поверхня отримує тепло лише вдень.

Наша земля нагрівається нерівномірно. Нерівномірне нагрівання Землі пояснюється її кулястою формою, тому кут падіння сонячного променя у різних районах різний, отже, різні ділянки Землі отримують різну кількість тепла. На екваторі сонячні промені падають прямовисно, і вони сильно нагрівають Землю. Чим далі від екватора, тим кут падіння променя стає меншим, а отже, і меншою кількістю тепла отримують ці території. Один і той же за потужністю пучок сонячного випромінювання обігріває у екватора набагато меншу площу, оскільки він падає прямовисно. Крім того, промені, що падають під меншим кутом, ніж на екваторі, пронизуючи атмосферу, проходять у ній більший шлях, внаслідок чого частина сонячних променів розсіюється в тропосфері і не доходить до земної поверхні. Все це свідчить про те, що при віддаленні від екватора на північ або на південь зменшується температура повітря, оскільки зменшується кут падіння сонячного променя.

На ступінь нагріву земної поверхні впливає також і те, що земна вісь нахилена до площини орбіти, за якою Земля здійснює повний оборот навколо Сонця, під кутом 66,5 ° і постійно спрямована північним кінцем у бік Полярної зірки.

Уявімо, що Земля, рухаючись навколо Сонця, має земну вісь, перпендикулярну до площини орбіти обертання. Тоді б поверхня на різних широтах отримувала б незмінну протягом року кількість тепла, кут падіння сонячного променя був увесь час постійним, завжди день дорівнював би ночі, не відбувалося б зміни пір року. На екваторі ці умови мало відрізнялися б від нинішніх. Істотний вплив на нагрівання земної поверхні, отже, і весь клімат нахил земної осі має у помірних широтах.

Протягом року, тобто за час повного обороту Землі навколо Сонця, особливо примітні чотири дні: 21 березня, 23 вересня, 22 червня, 22 грудня.

Тропики та полярні кола поділяють поверхню Землі на пояси, які різняться між собою сонячною освітленістю та кількістю тепла, що отримується від Сонця. Виділяють 5 поясів освітленості: північний та південний полярні, які отримують мало світла та тепла, тропічний пояс із жарким кліматом та північний та південний помірні пояси, які отримують світла та тепла більше, ніж полярні, але менше, ніж тропічні.

Малюнок 1.1 – Положення Землі щодо Сонця

Отже, на закінчення можна зробити загальний висновок: нерівномірне нагрівання та освітлення земної поверхні пов'язані з кулястістю нашої Землі і з нахилом земної осі до 66,5 ° до орбіти обертання навколо Сонця.

Кутом падіння променя назвемо кут між падаючим променем і перпендикуляром до поверхні, що відбиває в точці зламу променя. В одній і тій же географічній точці в різний час доби сонячне проміння падає на землю під різними кутами.

Малюнок 1.2 – Падіння променя сонця та її відображення

Кількість сонячного світла та тепла, що надходить на земну поверхню, прямо пропорційна куту падіння променів. Сонячне проміння може падати на Землю під кутом від 0 до 90 градусів. Кут попадання променів на землю різний, тому що наша планета має форму кулі. Чим він більший, тим світліший і тепліший.

Таким чином, якщо промінь йде під кутом 0 градусів, він лише ковзає вздовж поверхні землі, не нагріваючи її. Такий кут падіння буває на Північному та Південному полюсах, за полярним колом. Під прямим кутом сонячні промені падають на екватор і поверхню між Південним і Північним Тропиком. Цей показник вважається максимальним кутом падіння сонячних променів. Як Вам відомо, з курсу VII класу, 21 березня та 23 вересня Сонце знаходиться у зеніті над екватором, промені падають тут під максимальним кутом. Звідси у напрямку північ і південь кут падіння сонячних променів зменшується. Внаслідок цього, для обчислення кута падіння променів на той чи інший пункт, розташованих в обох півкулях, можемо написати наступне вираз:

ω =90°-φ (1)

де, ω - Кут падіння сонячних променів;

φ – географічна широта, де розташований пункт.

Якщо кут потрапляння сонячного проміння на землю прямий, це говорить про те, що сонце в зеніті.

Зеніт - кут падіння сонячних променів, рівний 90 °.

Таким чином, кут падіння променів на поверхню землі та висота сонця над горизонтом рівні між собою. Залежать від географічної широти. Чим ближче до нульової широти, тим кут падіння променів ближче до 90 градусів, тим вище сонце над горизонтом, тим тепліше і світліше.

Зенітний кут Сонця змінюється залежно від обертання Землі навколо Сонця та обертання Землі навколо своєї осі.

Протягом року Земля описує навколо Сонця еліптичну орбіту. Спостерігачеві, що знаходиться на Землі, навпаки, здається, що Сонце рухається небесним склепінням і описує протягом року шлях, званий екліптикою. Площина екліптики становить кут 23 Про 27 (близько 23 з половиною гардусу) з площиною земного екватора.

Рисунок 1.3 – Рух Землі з екліптики та перетин Сонця площину екватора

Рухаючись екліптикою, Сонце перетинає площину екватора 21 березня (день весняного рівнодення) і 24 вересня (день осіннього рівнодення) і досягає максимальної висоти 23 з половиною градуси вище площини екватора - 22 червня літнє сонцестояння (для спостерігача в північному півша2) грудня (день зимового сонестояння).

У цьому змінюється відмінювання Сонця відносного земного екватора.

Крім того, Земля ще обертається навколо своєї осі, внаслідок чого зенітний кут залежить від часового кута.

Таким чином, з урахуванням зміни відмінювання Сонця, широти спостерігача та часу щодо справжнього півдня, зенітний кут з урахуванням сферичної геометрії визначається за формулою:

(2)

де - широта;

Відмінювання орбіти Землі;

t – поточний час;

t p - час справжнього півдня (у секундах), у знаменнику тривалість доби (також у секундах).

Положення Сонця на небі постійно змінюється. Влітку Сонце вище на небі, ніж узимку; взимку воно піднімається на південь від напрямку строго на схід, а влітку - на північ від цього напрямку. цифри у гуртках вказують час дня. Щоб передбачити найбільш ефективну умову затінення, необхідно визначити положення Сонця. Наприклад, щоб визначити розміри затіняючого пристрою, що запобігає попаданню прямих сонячних променів у вікно між 10 і 14 год, потрібно знати кут надходження сонячного світла (кут падіння). Інша ситуація, яка потребує такої інформації, описується у розділі «Сонячна радіація».

Положення Сонця на небі визначається двома кутовими вимірами: висотою та азимутом Сонця. Висота Сонця вимірюється від горизонталі; сонячний азимут |3 вимірюється від напряму на південь (рис. 6.23). Ці кути можна обчислити або взяти із заздалегідь складених таблиць або номограм.

Розрахунок залежить від трьох змінних: широти L, відмінювання 6 та годинного кута Я. Широту можна дізнатися з будь-якої гарної карти. Відмінювання чи міра того, наскільки північ чи південь від екватора перемістилося Сонце, змінюється місяць від місяця (рис. 6.24). Часовий кут залежить від місцевого сонячного часу: Я = 0,25 (кількість хвилин від місцевого сонячного полудня). Сонячний час (час, що показується безпосередньо сонячним годинником) відраховується від сонячного півдня, коли Сонце знаходиться в найвищій точці небосхилу. Через зміну швидкості руху Землі по орбіті в різну пору року довгота доби (вимірювана від півдня до наступного сонячного півдня) дещо відрізняється від довготи доби за середнім сонячним часом (вимірюваним звичайним годинником). При обчисленні місцевого сонячного часу ця різниця береться до уваги поряд з поправкою на довготу, якщо спостерігач не стоїть на меридіані часового поясу свого часового поясу.

Для коригування місцевого поясного часу (скористайтеся точним годинником) за місцевим сонячним часом необхідно виконати кілька операцій:

1) якщо діє декретний час, то відніміть 1 год;

2) визначте меридіан цього пункту. Визначте меридіан часу для цього пункту (75° для східного поясного часу, 90° для центрального поясного часу, 150° для поясного часу Аляска - Гаваї). Помножте різницю між меридіанами на 4 хв/град. Якщо цей пункт знаходиться на схід від поясного меридіана, додайте поправні хвилини до поясного часу; якщо він знаходиться на захід, то відніміть їх;

3) додайте рівняння часу (рис 6.25) для цікавої

Рис 6 23 Положення Сонця на небосхилі )