Päikesekiirguse intensiivsuse tabel. Päikesekiirguse energiahinnang
Mis põhjustel see muutub, kui tegemist on maa pind?
Selliseid põhjuseid on mitu.
Teada on, et Maa ei pöörle ümber Päikese mitte ringis, vaid ellipsis. Selle tulemusena muutub Maa ja Päikese vaheline kaugus aastaringselt pidevalt. Väikseim vahemaa on jaanuaris, kui Maa on periheelis, ja suurim juulis, kui Maa on afeelis.
Tänu sellele kõigile ruutsentimeetrit päikesekiirtega risti asetatud pind saab vastu päikesekiirgus 7 protsenti rohkem kui juulis. Need perioodilised muudatused, mida korratakse aastast aastasse, on kõige täpsemini arvutatavad ja ei nõua mõõtmisi.
Lisaks muutub päikesekiire teepikkus atmosfääris sõltuvalt Päikese kõrgusest horisondi kohal väga oluliselt. Mida madalamal on Päike horisondi kohal, seda vähem peaks päikesekiirgust maapinnale jõudma. Teades nn ideaalse ehk absoluutselt puhta ja kuiva atmosfääri hajumis- ja neeldumisomadusi, on võimalik välja arvutada, milline oleks sel juhul kiirgus maapinnal ning võrrelda sellega looduslikes tingimustes täheldatavat kiirgust. .
See võrdlus on toodud tabelis. 1, mis annab päikesekõrguse väärtused vahemikus 5 kuni 60 kraadi.
Nagu tabelist näha, mõjutab isegi ideaalse atmosfääri olemasolu päikesekiirgust suuresti: mida madalam on Päikese kõrgus, seda märgatavamalt kiirgus nõrgeneb.
Kui atmosfäär ei oleks üldse, siis jälgiksime Päikese igal kõrgusel alati sama väärtust - 1,88 kalorit. Päikese kõrgusel 60 kraadi võrra nõrgendab ideaalne atmosfäär päikesekiirgust 0,22 kalori võrra, reaalne atmosfäär aga veel 0,35 kalori võrra, seda peamiselt veeauru ja tolmu sisalduse tõttu reaalses atmosfääris. Sel juhul jõuab maapinnale vaid 1,31 kalorit. Päikesekõrguse 30 kraadi juures vähendab ideaalne atmosfäär kiirgust 0,31 kalori võrra ja Maale jõuab 1,11 kalorit. Päikese kõrgusel 5 kraadi oleks vastavad näitajad 0,73 ja 0,39 kalorit. Nii palju atmosfäär päikesekiirgust nõrgendab!
Joonisel fig. 5 on see atmosfääri omadus eriti selgelt nähtav. Siin on Päikese kõrgused joonistatud vertikaalselt ja sumbumise protsendid horisontaalselt.
Horisontaalne varjutus näitab päikesekiirguse sumbumist ideaalses atmosfääris, kaldus varjutus näitab reaalses atmosfääris sisalduva veeauru ja tolmu põhjustatud sumbumist, vertikaalne varjutus näitab kiirguse hulka, mis lõpuks jõuab maapinnani.
Sellelt graafikult on näiteks selge, et atmosfääri keskmise läbipaistvuse ja 60-kraadise päikese kõrguse korral jõuab maapinnani 70 protsenti kiirgusest, 30 kraadi juures 60 protsenti ja 5 kraadi juures vaid 20 protsenti. protsenti.
Muidugi võib atmosfääri läbipaistvus teatud juhtudel keskmisest oluliselt erineda, eriti selle vähenemise suunas.
Horisontaalsele pinnale langeva kiirguse intensiivsus sõltub ka langemisnurgast.
Seda illustreerib joonis fig. 6. Oletame, et päikesekiir ristlõikega 1 ruutmeeter langeb tasapinnale ab erinevate nurkade all. rase I, kui kiir langeb risti, jaotub kogu päikesekiires olev energia 1 ruutmeetri suurusele alale. rase II päikesekiired langevad alla 90 kraadise nurga all; sel juhul langeb alale sama ristlõikega päikesekiirte kiir nagu esimesel juhul vg, mis on suurem ab; seetõttu kulub pindalaühiku kohta vähem energiat.
rase III kiired langevad veelgi väiksema nurga all; sama kiirgusenergia jaotub veelgi suuremale alale de ja ühiku väärtus on veelgi väiksem.
Kui kiir langeb 30-kraadise nurga all, on kiirgus pindalaühiku kohta 2 korda väiksem kui tavalise esinemissageduse korral; Päikese kõrgusel 10 kraadi on see 6 korda väiksem ja 5 kraadi kõrgusel 12 korda väiksem.
Seetõttu on talvel, kui päike on madalal kõrgusel, kiirguse sissevool nii väike. Ühest küljest see väheneb, kuna päikesekiir liigub atmosfääris pika tee ja kaotab teel palju energiat; teisest küljest langeb kiirgus ise väikese nurga all. Mõlemad põhjused mõjuvad ühes suunas ning päikesekiirguse pinge võrreldes suvega on täiesti tühine ning seetõttu on kütteefekt ebaoluline; eriti kui arvestada ka seda, et talvepäevad on lühikesed.
Seega on peamised põhjused, mis mõjutavad maapinnale jõudva päikesekiirguse hulka, Päikese kõrgus horisondi kohal ja kiirguse langemisnurk. Seetõttu peaksime eelnevalt eeldama olulisi muutusi päikesekiirguses sõltuvalt paiga laiuskraadist.
Kuna päikesekiirguse süstemaatilisi vaatlusi on nüüdseks tehtud paljudes punktides ja pikka aega, on huvitav näha, millised on selle aja jooksul looduslikes tingimustes suurimad väärtused.
Päikesekonstant - 1,88 kalorit. See on kiirguse hulk atmosfääri puudumisel. Ideaalses atmosfääris, keskmistel laiuskraadidel, suvel, keskpäeva paiku, oleks kiirgus umbes 1,65 kalorit.
Mida annavad otsesed vaatlused looduslikes tingimustes?
Tabelis 2 näitab kokkuvõtet päikesekiirguse kõrgeimatest väärtustest, mis on saadud pika aja jooksul tehtud vaatlustest.
NSV Liidu territooriumil on kiirguse kõrgeim mõõdetud väärtus (madal kõrgusel merepinnast) 1,51 kalorit. Teine arvude veerg näitab, kui suur protsent kiirgusest jõudis maapinnale võrreldes sellega, mis oleks olnud võimalik atmosfääri puudumisel; selgub, väga parimal juhul jõuab vaid 80 protsenti; Atmosfäär ei luba 20 protsenti. Polaarriikides on see protsent vaid veidi madalam (70), mis on seletatav atmosfääri suure läbipaistvusega Arktikas, eriti kui arvestada, et Päikese kõrgus vaatluste ajal oli seal oluliselt väiksem kui lõuna pool asuvates punktides.
On täiesti loomulik, et mägedes ja üldiselt kõrgemates atmosfäärikihtides päikesekiirguse intensiivsus suureneb, kuna päikesekiire läbitav atmosfääri mass väheneb. Kell kaasaegne areng lennunduses võiks eeldada, et erinevatel kõrgustel tehti palju mõõtmisi, kuid kahjuks see nii ei ole: kõrgustel tehtud mõõtmised on üksikud. See on seletatav aktinomeetriliste mõõtmiste keerukusega õhupallidel ja eriti lennukitel; Lisaks pole veel väga palju välja töötatud ka kõrgmäestiku kiirguse mõõtmise metoodikat.
Kui leiate vea, tõstke esile mõni tekstiosa ja klõpsake Ctrl+Enter.
Teabe allikas: Osadchiy Gennadi Borisovich
Postitatud 22.10.2012
Mitmete taastuvenergiaallikate (TAV) energiasüsteemide ja -paigaldiste põhimooduli, päikesesoola tiigi päikeseenergia salvestamise efektiivsust mõjutavate peamiste ja väiksemate tegurite väljaselgitamiseks pöördume joonise 1 poole, mis näitab paralleelset ja Päikese soojuse järjestikune liikumine päikesesoola tiigi kuuma soolveesse . Nagu ka käimasolevad muutused väärtushinnangutes erinevat tüüpi päikesekiirgus ja nende koguväärtus sellel teel.
Joonis 1 – Päikese kiirguse intensiivsuse (energia) muutuste histogramm teel päikesesoola tiigi kuuma soolvee poole.
Erinevat tüüpi päikesekiirguse aktiivse kasutamise efektiivsuse hindamiseks teeme kindlaks, millised looduslikest, tehislikest ja töötavatest teguritest on positiivsed ja millised Negatiivne mõju päikesekiirguse kontsentratsiooni (suurenenud sissevõtu) kohta tiiki ja selle akumuleerumise kohta kuuma soolveega.
Maa ja atmosfäär saavad Päikeselt 1,3∙10 24 cal soojust aastas. Seda mõõdetakse intensiivsusega, s.o. kiirgusenergia hulk (kalorites), mis tuleb Päikeselt ajaühikus päikesekiirtega risti oleva pinna kohta.
Päikese kiirgusenergia jõuab Maale otsese ja hajutatud kiirgusena, s.o. kokku See neeldub maapinnal ja ei muutu täielikult soojuseks, osa sellest kaob peegeldunud kiirguse kujul.
Otsene ja hajutatud (kogu), peegeldunud ja neeldunud kiirgus kuuluvad spektri lühilaineossa. Koos lühilainekiirgusega jõuab maapinnale ka atmosfääri pikalaineline kiirgus (vastukiirgus), maapinnast omakorda kiirgab pikalaineline kiirgus (oma kiirgus).
Otsene päikesekiirgus viitab peamisele looduslikule tegurile päikesesoola tiigi veepinna energiaga varustamisel.
Päikese kiirgust, mis saabub aktiivsele pinnale paralleelsete kiirte kiirena, mis väljub otse Päikese kettalt, nimetatakse otseseks päikesekiirguseks.
Otsene päikesekiirgus kuulub spektri lühilaineossa (lainepikkustega λ 0,17–4 μm; tegelikult jõuavad maapinnale kiired lainepikkusega 0,29 μm).
Päikese spektri võib jagada kolmeks peamiseks piirkonnaks:
Ultraviolettkiirgus (λ< 0,4 мкм) - 9 % интенсивности.
Lühikese laine ultraviolettpiirkond (λ< 0,29 мкм) практически полностью отсутствует на уровне моря вследствие поглощения О2, О3, О, N2 и их ионами;
Ultraviolettkiirguse vahemik (0,29 mikronit< λ < 0,4 мкм) достигает Земли малой долей излучения, но вполне достаточной для загара;
Nähtav kiirgus (0,4 µm< λ < 0,7 мкм) - 45 % интенсивности.
Selge atmosfäär edastab nähtava kiirguse peaaegu täielikult ja sellest saab "aken", mis avaneb seda tüüpi päikeseenergia Maale pääsemiseks. Aerosoolide olemasolu ja õhusaaste võivad selles spektris põhjustada märkimisväärset kiirguse neeldumist.
Infrapunakiirgus (λ > 0,7 µm) - intensiivsus 46%. Lähedal infrapuna piirkond(0,7 µm<λ < 2,5 мкм). На этот диапазон спектра приходится почти половина интенсивности солнечного излучения. Более 20 % солнечной энергии поглощается в атмосфере, в основном парами воды и СО2 (диоксидом углерода). Концентрация СО2 в атмосфере относительно постоянна и составляет 0,03 %, а концентрация паров воды меняется очень сильно - почти до 4 %.
Lainepikkustel, mis on suuremad kui 2,5 mikronit, neelavad nõrga maavälise kiirguse intensiivselt CO2 ja vesi, nii et ainult väike osa sellest päikeseenergia vahemikust jõuab Maa pinnale.
Päikese kiirguse kauge infrapuna ulatus (λ > 12 μm) Maale praktiliselt ei ulatu.
Päikeseenergia kasutamise seisukohalt Maal tuleks arvestada vaid kiirgusega lainepikkuste vahemikus 0,29 - 2,5 mikronit.
Suurem osa päikeseenergiast väljaspool atmosfääri jääb lainepikkuste vahemikku 0,2–4 µm, Maa pinnal aga 0,29–2,5 µm.
Vaatame, kuidas need ümber jaotatakse üldine vaade, energiavood, mida Päike Maale annab. Võtame 100 tavalist päikeseenergia ühikut (1,36 kW/m2), mis langevad Maale ja jälgime nende radu atmosfääris. Üks protsent (13,6 W/m2), päikesespektri lühike ultraviolettkiirgus, neeldub eksosfääris ja termosfääris olevate molekulide poolt, soojendades neid. Veel kolm protsenti (40,8 W/m2) peaaegu ultraviolettkiirgust neelab stratosfääriosoon.
Päikesespektri infrapunasaba (4% ehk 54,4 W/m2) jääb troposfääri ülemistesse kihtidesse, sisaldades veeauru (üleval veeauru praktiliselt pole).
Ülejäänud 92 päikeseenergia osa (1,25 kW/m2) jäävad atmosfääri läbipaistvusaknasse 0,29 mikronit<λ < 2,5 мкм. Они проникают в плотные приземные слои воздуха. Значительная часть их (45 единиц или 612 Вт/м 2), преимущественно в синей видимой части спектра, рассеиваются воздухом, придавая голубой цвет небу. Прямые солнечные лучи - оставшиеся 47 процентов (639,2 Вт/м 2) начального светового потока - достигают поверхности. Она отражает примерно 7 процентов (95,2 Вт/м 2) из этих 47 % (639,2 Вт/м 2) и этот свет по пути в космос отдает ещё 3 единицы (40,8 Вт/м 2) диффузному рассеянному свету неба. Сорок же долей энергии солнечных лучей, и ещё 8 от атмосферы (всего 48 или 652,8 Вт/м 2) поглощаются поверхностью Земли, нагревая сушу и океан.
Atmosfääris hajutatud valgusvõimsus (kokku 48 osa ehk 652,8 W/m2) neeldub selles osaliselt (10 osa ehk 136 W/m2), ülejäänu jaotub Maa pinna ja kosmose vahel. Kosmosesse läheb rohkem kui pinnale, 30 jagamist (408 W/m2) üles, 8 jagu (108,8 W/m2) alla.
See kirjeldas üldist, keskmist pilti päikeseenergia ümberjaotumisest Maa atmosfääris. Kuid see ei võimalda lahendada päikeseenergia kasutamisega seotud konkreetseid probleeme, et rahuldada inimese vajadusi konkreetses elu- ja tööpiirkonnas, ja siin on põhjus.
Maa atmosfäär peegeldab paremini kaldus päikesekiiri, seega on ekvaatoril ja keskmistel laiuskraadidel tunnis insolatsioon palju suurem kui kõrgetel laiuskraadidel.
Päikese kõrguse väärtused (kõrgused horisondi kohal) 90, 30, 20 ja 12 ⁰ (atmosfääri õhu (optiline) mass (m) vastab 1, 2, 3 ja 5) pilvitu atmosfääri korral vastab intensiivsusele umbes 900, 750, 600 ja 400 W/m2 (42 ⁰ - m = 1,5 ja 15 ⁰ - m = 4 juures). Tegelikult ületab langeva kiirguse koguenergia näidatud väärtusi, kuna see ei hõlma mitte ainult otsest komponenti, vaid ka kiirguse intensiivsuse hajutatud komponenti horisontaalpinnal nendes tingimustes, hajutatud õhumasside 1, 2, 3 juures. ja 5, vastavalt 110, 90, 70 ja 50 W/m2 (koefitsiendiga 0,3–0,7 vertikaaltasapinna puhul, kuna näha on vaid pool taevast). Lisaks on Päikesele lähedal asuvates taevapiirkondades ≈ 5⁰ raadiuses "ümbruspäikese halo".
Tabelis 1 on toodud andmed insolatsiooni kohta Maa erinevate piirkondade kohta.
Tabel 1 – otsese komponendi insolatsioon piirkondade kaupa puhta atmosfääri jaoks.
Tabelist 1 on näha, et päevane päikesekiirguse hulk on maksimaalne mitte ekvaatoril, vaid 40⁰ lähedal. See asjaolu tuleneb ka Maa telje kaldest oma orbiidi tasapinna suhtes. Suvise pööripäeva ajal on Päike troopikas pea kogu päeva pea kohal ja päevavalguse kestus on 13,5 tundi, rohkem kui ekvaatoril pööripäeva päeval. Geograafilise laiuskraadi suurenedes päeva pikkus pikeneb ja kuigi päikesekiirguse intensiivsus väheneb, tekib päevase insolatsiooni maksimaalne väärtus umbes 40⁰ laiuskraadil ja jääb peaaegu konstantseks (pilvetu taeva tingimustes) kuni polaarjooneni.
Tuleb rõhutada, et tabelis 1 toodud andmed kehtivad ainult puhta atmosfääri kohta. Arvestades paljudele maailma riikidele omast pilvisust ja tööstusjäätmetest tulenevat õhusaastet, tuleks tabelis toodud väärtusi vähendada vähemalt poole võrra. Näiteks Inglismaa jaoks oli 1970. aastal enne keskkonnakaitsevõitluse algust päikesekiirguse aastane kogus 1700 kWh/m2 asemel vaid 900 kWh/m2.
Esimesed andmed Baikali järve atmosfääri läbipaistvuse kohta sai V.V. Bufal 1964. aastal See näitas, et otsese päikesekiirguse väärtused Baikali kohal on keskmiselt 13% kõrgemad kui Irkutskis. Põhja-Baikali atmosfääri keskmine spektraalne läbipaistvuse koefitsient on suvel vastavalt 0,949, 0,906, 0,883 punase, rohelise ja sinise filtri puhul. Suvel on atmosfäär optiliselt ebastabiilsem kui talvel ja see ebastabiilsus varieerub oluliselt pärastlõunast pärastlõunani. Olenevalt iga-aastasest veeauru ja aerosoolide sumbumise käigust muutub ka nende panus päikesekiirguse üldisesse sumbumisse. Aasta külmal poolel mängivad peamist rolli aerosoolid, soojal veeaurud. Baikali jõgikonda ja Baikali järve eristavad atmosfääri suhteliselt kõrge terviklik läbipaistvus. Optilise massi m = 2 korral jäävad läbipaistvusteguri keskmised väärtused vahemikku 0,73 (suvi) kuni 0,83 (talv). Samal ajal on igapäevased muutused atmosfääri terviklikus läbipaistvuses suured, eriti keskpäeval - 0,67 kuni 0,77.
Aerosoolid vähendavad oluliselt otsese päikesekiirguse sattumist tiigi akvatooriumi ning neelavad peamiselt nähtavast spektrist kiirgust, mille lainepikkus läbib kergesti värsket tiigikihti ning sellel on suur tähtsus päikese akumuleerumisel. energiat tiigi ääres. (1 cm paksune veekiht on infrapunakiirgusele, mille lainepikkus on üle 1 mikroni, praktiliselt läbipaistmatu). Seetõttu kasutatakse kuumakaitsefiltrina mitme sentimeetri paksust vett. Klaasi puhul on infrapunakiirguse ülekande pikalaine piir 2,7 mikronit.
Suur hulk tolmuosakesi, mis vabalt üle stepi transporditakse, vähendab ka atmosfääri läbipaistvust.
Elektromagnetkiirgust kiirgavad kõik kuumutatud kehad ja mida külmem on keha, seda madalam on kiirguse intensiivsus ja mida kaugemale pikalaine piirkonda nihkub selle spektri maksimum. On olemas väga lihtne seos λ max X T = c 1 [ c 1 = 0,2898 cm∙deg. (Wieni seadus)], mille abil on lihtne kindlaks teha, kus asub kehatemperatuuriga T (⁰K) maksimaalne kiirgus. Näiteks inimkeha, mille temperatuur on 37 + 273 = 310 ⁰K, kiirgab infrapunakiiri maksimaalse väärtusega λ max = 9,3 μm. Ja näiteks päikesekuivati seinad, mille temperatuur on 90 ⁰C, kiirgavad infrapunakiiri maksimaalse väärtusega λ = 8 μm.
Nähtav päikesekiirgus (0,4 µm< λ < 0,7 мкм) имеет 45 % интенсивности потому, что температура поверхности Солнца 5780 ⁰К.
Omal ajal oli suur edasiminek üleminek süsinikhõõgniidiga elektrilambilt kaasaegsele volframhõõgniidiga lambile. Asi on selles, et süsinikhõõgniidi saab viia temperatuurini 2100 ⁰K ja volframhõõgniidi temperatuurini kuni 2500 ⁰K. Miks on need 400 000 nii olulised? Asi on selles, et hõõglambi eesmärk ei ole soojendada, vaid anda valgust. Järelikult on vaja saavutada selline asend, et kõvera maksimum langeks nähtavale uuringule. Ideaalne oleks hõõgniit, mis taluks Päikese pinna temperatuuri. Kuid isegi üleminek 2100-lt 2500 ⁰K-le suurendab nähtavale kiirgusele omistatava energia osakaalu 0,5-lt 1,6%-le.
Igaüks võib tunda infrapunakiiri, mis väljuvad kehast, mis on kuumutatud temperatuurini 60–70 ⁰C, asetades oma peopesa altpoolt (termilise konvektsiooni kõrvaldamiseks).
Otsese päikesekiirguse jõudmine tiigi akvatooriumi vastab selle saabumisele horisontaalsele kiirguspinnale. Samas näitab eelnev konkreetsele ajahetkele saabumise kvantitatiivsete tunnuste määramatust nii hooajaliselt kui ka igapäevaselt. Ainus püsiv tunnus on Päikese kõrgus (atmosfääri optiline mass).
Päikesekiirguse kogunemine maapinnale ja tiigile erinevad oluliselt.
Maa looduslikel pindadel on erinevad peegeldamis- (neelamis-) võimed. Seega on tumedate pindade (tšernozem, turbarabade) albeedoväärtus madal, umbes 10%. (Pinna albeedo on sellelt pinnalt ümbritsevasse ruumi peegelduva kiirgusvoo ja sellele langeva kiirgusvoo suhe).
Heledad pinnad (valge liiv) on suure albeedoga, 35 – 40%. Murukattega pindade albeedo jääb vahemikku 15–25%.
Lehtmetsa võrade albeedo on suvel 14–17%, okaspuumetsa oma 12–15%. Pinna albeedo väheneb päikese kõrguse suurenedes.
Veepindade albeedo jääb vahemikku 3–45%, olenevalt Päikese kõrgusest ja erutusastmest.
Kui veepind on rahulik, sõltub albeedo ainult Päikese kõrgusest (joonis 2).
Joonis 2 – Päikese kiirguse peegelduvuse sõltuvus rahuliku veepinna korral Päikese kõrgusest.
Päikesekiirguse sisenemisel ja veekihi läbimisel on oma omadused.
Üldiselt on vee (selle lahuste) optilised omadused päikesekiirguse nähtavas piirkonnas toodud joonisel 3.
F o- langeva kiirguse voog (võimsus);
F neg- veepinnalt peegeldunud kiirgusvoog;
F neelavad- veemassi poolt neeldunud kiirgusvoog;
F pr- veemassi kaudu leviv kiirgusvoog.
Keha peegelduse koefitsient p = F neg /F o;
Neeldumistegur a = F põrand / F o;
Läbilaskvus h = F pr / F o;
Joonis 3 – Vee (selle lahuste) optilised omadused päikesekiirguse nähtavas piirkonnas
Kahe keskkonna, õhu-vee, tasasel piiril vaadeldakse valguse peegeldumise ja murdumise nähtusi.
Valguse peegeldumisel asetsevad langev kiir, peegeldunud kiir ja peegelduva pinnaga risti, mis on taastatud kiire langemispunktis, samal tasapinnal ja peegeldusnurk on võrdne langemisnurgaga. Murdumise korral asuvad langev kiir, kiirte langemispunktis rekonstrueeritud risti kahe keskkonna vahelise liidese suhtes ja murdunud kiir samal tasapinnal. Langemisnurk a ja murdumisnurk B (joonis 4) on seotud sin a / sin B = n 2, kus n 2 on teise keskkonna absoluutne murdumisnäitaja, n 1 - esimene. Kuna õhu puhul n=1, on valem kujul sin a / sin B = n 2.
Joonis 4 – Kiirte murdumine õhust vette liikumisel
Kui kiired lähevad õhust vette, lähenevad nad "langemisristi"; näiteks veepinnaga risti oleva nurga all veele langev kiir siseneb sellesse nurga all, mis on väiksem kui (joonis 4, a). Kui aga piki veepinda libisev langev kiir langeb veepinnale risti suhtes peaaegu täisnurga all, näiteks nurga all 89 ⁰ või vähem, siis siseneb see vette nurga all, mis on väiksem kui sirgjoon, nimelt ainult 48,5 ⁰ nurga all. Perpendikulaarse nurga all, mis on suurem kui 48,5 ⁰, ei saa kiir vette siseneda: see on vee "piirnurk" (joonis 4, b).
Järelikult surutakse kõikide võimalike nurkade all veele langevad kiired vee all kokku üsna tihedaks koonuseks, mille avanemisnurk on 48,5 ⁰ + 48,5 ⁰ = 97 ⁰ (joonis 4, c).
Lisaks sõltub vee murdumine selle temperatuurist (tabel 2), kuid need muutused on nii tähtsusetud, et ei saa käsitletava teema inseneripraktika jaoks huvi pakkuda.
Tabel 2 - Vee murdumisnäitaja erinevatel temperatuuridel t
Liigume nüüd tagasi (punktist P) suunduvate kiirte teekonda – veest õhku (joonis 5). Optika seaduste järgi on teed ühesugused ning kõik eelmainitud 97-kraadises koonuses sisalduvad kiired väljuvad õhku erinevate nurkade all, jaotudes üle kogu 180-kraadise ruumi vee kohal.
Väljaspool nimetatud nurka (97 kraadi) asuvad veealused kiired ei tule vee alt välja, vaid peegelduvad täielikult selle pinnalt nagu peeglist.
Kui n 2< n 2 (вторая среда оптически менее плотная), то a < B . Наибольшему значению B = 90 ⁰ соответствует угол падения, определяемый равенством sin a o = n 2 /n 1 . При угле падения a >a o on ainult peegeldunud kiir, murdunud kiirt pole (täieliku sisepeegelduse nähtus).
Iga veealune kiir, mis puutub kokku veepinnaga nurga all, mis on suurem kui "maksimaalne" (st suurem kui 48,5⁰), ei murdu, vaid peegeldub: see läbib "täieliku sisepeegelduse". Peegeldust nimetatakse sel juhul täielik, sest siin peegelduvad kõik langevad kiired, samas kui isegi parim poleeritud hõbedane peegel peegeldab ainult osa sellele langevatest kiirtest ja neelab ülejäänu. Vesi on sellistes tingimustes ideaalne peegel. Sel juhul me räägime nähtava valguse kohta. Üldiselt võib öelda, et vee, nagu ka teiste ainete murdumisnäitaja sõltub lainepikkusest (seda nähtust nimetatakse dispersiooniks). Selle tulemusena ei ole sisemise täieliku peegelduse piirnurk erinevate lainepikkuste puhul sama, kuid nähtava valguse puhul muutub see nurk vee-õhu piiril peegeldumisel vähem kui 1⁰ võrra.
Kuna risti suhtes suurema nurga all kui 48,5⁰, ei saa päikesekiir vette siseneda: see on vee "piirnurk" (joonis 4, b), siis veemass ei muutu nii palju. kogu päikese kõrguste vahemik on tühine kui õhk - see on alati väiksem
Kuna aga vee tihedus on 800 korda suurem kui õhu tihedus, muutub päikesekiirguse neeldumine vees oluliselt.
Lisaks, kui valguskiirgus läbib läbipaistvat keskkonda, on sellise valguse spektril mõned omadused. Teatud jooned selles on tugevalt sumbunud, st vastava pikkusega laineid neeldub kõnealune keskkond tugevalt. Selliseid spektreid nimetatakse neeldumisspektriteks.
Neeldumisspektri tüüp sõltub kõnealusest ainest.
Kuna päikesesoola tiigi lahus võib sisaldada erinevat kontsentratsiooni naatriumkloriid ja magneesium ning nende seosed, siis ei ole mõtet üheselt neeldumisspektritest rääkida. Kuigi selle teema kohta on palju uuringuid ja andmeid.
Näiteks NSV Liidus (Yu. Usmanov) läbiviidud uuringud, mille eesmärk oli tuvastada erineva lainepikkusega kiirguse läbilaskvus erinevate kontsentratsioonidega vee ja magneesiumkloriidi lahuste jaoks. järgmised tulemused(Joonis 6). Ja B.J.Brinkworth näitab päikesekiirguse neeldumise ja päikesekiirguse (kiirguse) monokromaatilise voo tiheduse graafilist sõltuvust sõltuvalt lainepikkustest (joonis 7).
Järelikult sõltub tiigi kuuma soolvee otsese päikesekiirguse kvantitatiivne varustamine pärast vette sattumist: päikesekiirguse (kiirguse) monokromaatilise voo tihedusega; Päikese kõrguselt. Ja ka tiigi pinna albeedol, päikesesoola tiigi ülemise kihi puhtusel, mis koosneb mage vesi, mille paksus on tavaliselt 0,1–0,3 m, kus segunemist, lahuse koostist, kontsentratsiooni ja paksust gradientkihis (isolatsioonikiht, mille soolvee kontsentratsioon suureneb allapoole) pärssida ei ole võimalik puhtuse järgi vesi ja soolvesi.
Joonistelt 6 ja 7 järeldub, et vee läbilaskvus on suurim päikesespektri nähtavas piirkonnas. See on väga soodne tegur päikesekiirguse läbimiseks läbi päikesesoola tiigi ülemise värske kihi.
Joonis 6. Magneesiumkloriidi lahuse läbilaskevõime sõltuvus kontsentratsioonist. Joonis 7. Päikesekiirguse neeldumine vees.
Bibliograafia:
1. Osadchy G.B. Päikeseenergia, selle derivaadid ja tehnoloogiad nende kasutamiseks (Sissejuhatus taastuvenergiasse) / G.B. Osadchiy. Omsk: IPK Maksheeva E.A., 2010. 572 lk;
2. Twydell J. Taastuvad energiaallikad / J. Twydell, A. Ware. M.: Energoatomizdat, 1990. 392 lk.;
3. Duffy J. A. Päikeseenergiat kasutavad soojusprotsessid / J. A. Duffy, W. A. Beckman. M.: Mir, 1977. 420 lk.;
4. Baikali ja selle basseini kliimaressursid /N. P. Ladeištšikov, Novosibirsk, Nauka, 1976, 318 lk.;
5. Pikin S. A. Vedelkristallid / S. A. Pikin, L. M. Blinov. M.: Nauka, 1982. 208 lk.;
6. Kitaygorodsky A.I. Füüsika kõigile: footonid ja tuumad / A.I. Kitaygorodsky. M.: Nauka, 1984. 208 lk.;
7. Kuhling H. Füüsika käsiraamat. / H. Kuhling. M.: Mir, 1982. 520 lk.;
8. Enochovich A. S. Füüsika ja tehnoloogia käsiraamat / A. S. Enochovich. M.: Haridus, 1989. 223 lk.;
9 . Perelman Ya. I. Meelelahutuslik füüsika. 2. raamat / Ya. I. Perelman. M.: Nauka, 1986. 272 lk.
Arutage foorumis |
|
|
|
LOENG 2.
PÄIKESEKIIRGUS.
Plaan:
1. Päikesekiirguse tähtsus elule Maal.
2. Päikesekiirguse liigid.
3. Päikesekiirguse spektraalne koostis.
4. Kiirguse neeldumine ja hajumine.
5.PAR (fotosünteetiliselt aktiivne kiirgus).
6. Kiirgusbilanss.
1. Kõigi elusolendite (taimede, loomade ja inimeste) peamine energiaallikas Maal on päikeseenergia.
Päike on gaasipall, mille raadius on 695 300 km. Päikese raadius on 109 korda suurem kui Maa raadius (ekvatoriaalne 6378,2 km, polaar 6356,8 km). Päike koosneb peamiselt vesinikust (64%) ja heeliumist (32%). Ülejäänud moodustavad vaid 4% selle massist.
Päikeseenergia on biosfääri olemasolu peamine tingimus ja üks peamisi kliimat kujundavaid tegureid. Tänu Päikese energiale liiguvad õhumassid atmosfääris pidevalt, mis tagab atmosfääri gaasilise koostise püsivuse. Päikesekiirguse mõjul aurustub reservuaaride, pinnase ja taimede pinnalt tohutul hulgal vett. Veeaur, mida tuul kannab ookeanidest ja meredest mandritele, on peamine maismaa sademete allikas.
Päikeseenergia on hädavajalik tingimus roheliste taimede olemasoluks, mis fotosünteesi käigus muudavad päikeseenergia kõrge energiaga orgaanilisteks aineteks.
Taimede kasv ja areng on päikeseenergia assimileerumise ja töötlemise protsess, seetõttu on põllumajanduslik tootmine võimalik ainult siis, kui päikeseenergia jõuab Maa pinnale. Üks vene teadlane kirjutas: "Andke parimale kokale nii palju kui soovite." värske õhk, päikesevalgus, kogu jõgi puhas vesi, paluge tal sellest kõigest valmistada suhkur, tärklis, rasvad ja teraviljad ning ta arvab, et te naerate tema üle. Kuid see, mis tundub inimesele täiesti fantastiline, toimub Päikese energia mõjul taimede rohelistes lehtedes takistamatult. Arvatakse, et 1 ruutmeetrit. Meeter lehti toodab grammi suhkrut tunnis. Tänu sellele, et Maad ümbritseb pidev atmosfääri kest, läbivad päikesekiired enne maapinnale jõudmist kogu atmosfääri paksuse, mis neid osaliselt peegeldab ja osaliselt hajutab, s.t muutub. Maa pinnale saabuva päikesevalguse kogus ja kvaliteet. Elusorganismid reageerivad tundlikult päikesekiirguse poolt tekitatud valgustuse intensiivsuse muutustele. Tõttu erinevad reaktsioonid Valguse intensiivsuse alusel jaotatakse kõik taimestiku vormid valguslembelisteks ja varjutaluvateks. Põllukultuuride ebapiisav valgustus põhjustab näiteks teraviljade põhukudede kehva diferentseerumise. Selle tulemusena väheneb kudede tugevus ja elastsus, mis sageli põhjustab põllukultuuride ladestumist. Tihedatel maisikultuuridel nõrgeneb vähese päikesekiirguse tõttu tõlvikute teke taimedel.
Päikesekiirgus mõjutab keemiline koostis põllumajandustooted. Näiteks peedi ja puuviljade suhkrusisaldus, nisuterade valgusisaldus sõltub otseselt arvust päikselised päevad. Päevalille- ja linaseemnetes suureneb ka õli hulk päikesekiirguse suurenedes.
Taimede maapealsete osade valgustus mõjutab oluliselt juurte imendumist toitaineid. Vähese valguse tingimustes assimilaatide ülekandumine juurtele aeglustub ning selle tulemusena on taimerakkudes toimuvad biosünteesiprotsessid pärsitud.
Valgustus mõjutab ka taimehaiguste ilmnemist, levikut ja arengut. Infektsiooniperiood koosneb kahest faasist, mis erinevad oma reaktsiooni poolest valgusfaktorile. Esimene neist - eoste tegelik idanemine ja nakkusliku põhimõtte tungimine mõjutatud kultuuri kudedesse - ei sõltu enamikul juhtudel valguse olemasolust ja intensiivsusest. Teine - pärast eoste idanemist - on kõige aktiivsem suurenenud valgustuse korral.
Valguse positiivne mõju mõjutab ka patogeeni arengukiirust peremeestaimes. See on eriti ilmne rooste seente puhul. Mida rohkem valgust, seda lühem inkubatsiooniperiood nisu lineaarses roostes, odra kollases roostes, lina ja ubade roostes jne. Ja see suurendab seene põlvkondade arvu ja suurendab kahjustuste intensiivsust. Viljakus suureneb selle patogeeni puhul intensiivse valgustuse korral
Mõned haigused arenevad kõige aktiivsemalt siis, kui ebapiisav valgustus, põhjustades taimede nõrgenemist ja nende vastupanuvõime vähenemist haigustele (erinevat tüüpi mädaniku, eriti köögiviljakultuuride patogeenid).
Valguse kestus ja taimed. Päikesekiirguse rütm (päeva heledate ja pimedate osade vaheldumine) on kõige stabiilsem keskkonnategur, mis kordub aastast aastasse. Paljude aastate pikkuse uurimistöö tulemusena on füsioloogid tuvastanud taimede generatiivsele arengule ülemineku sõltuvuse teatud päeva ja öö pikkuse suhtest. Sellega seoses võib põllukultuure jagada rühmadesse vastavalt nende fotoperioodilisele reaktsioonile: lühike päev mille arendamine viibib, kui päeva pikkus on üle 10 tunni. Lühike päev soodustab õitsemise algust, pikk päev aga takistab seda. Selliste põllukultuuride hulka kuuluvad sojaoad, riis, hirss, sorgo, mais jne;
pikk päev kuni kella 12-13ni, nende arendamiseks on vaja pikaajalist valgustust. Nende areng kiireneb, kui päeva pikkus on umbes 20. Nendeks kultuurideks on rukis, kaer, nisu, lina, hernes, spinat, ristik jt;
päeva pikkus neutraalne, mille areng ei sõltu päeva pikkusest, näiteks tomat, tatar, kaunviljad, rabarber.
On kindlaks tehtud, et taimede õitsemise alustamiseks on vajalik teatud spektraalse koostise ülekaal kiirgusvoos. Lühipäevased taimed arenevad kiiremini, kui maksimaalne kiirgus langeb sinakasvioletsetele kiirtele, ja pikapäevataimed - punastele. Päevavalgustundide kestus (astronoomiline päeva pikkus) sõltub aastaajast ja laiuskraadist. Ekvaatoril on ööpäeva pikkus aastaringselt 12 tundi ± 30 minutit. Ekvaatorilt poolustele liikudes pärast kevadine pööripäev(21.03) põhja suunas päeva pikkus pikeneb ja lõuna suunas väheneb. Pärast sügisest pööripäeva (23. september) on päeva pikkuse jaotus vastupidine. Põhjapoolkeral on pikim päev 22. juuni, mille kestus on 24 tundi polaarjoonest põhja pool.Põhjapoolkeral on lühim päev 22. detsember ning talvekuudel polaarjoone taga Päike ei tõuse. üldse horisondi kohal. Keskmistel laiuskraadidel, näiteks Moskvas, varieerub päeva pikkus aastaringselt 7-17,5 tunnini.
2. Päikesekiirguse tüübid.
Päikesekiirgus koosneb kolmest komponendist: otsene päikesekiirgus, hajus ja summaarne kiirgus.
OTSE PÄIKESE KIIRGUSS – Päikeselt atmosfääri ja seejärel paralleelsete kiirte kiirena maapinnale tuleva kiirgus. Selle intensiivsust mõõdetakse kalorites cm2 minutis. See sõltub päikese kõrgusest ja atmosfääri seisundist (pilvisus, tolm, veeaur). Aastane otsese päikesekiirguse hulk Stavropoli territooriumi horisontaalpinnal on 65-76 kcal/cm2/min. Merepinnal kl kõrge positsioon Päike (suvi, lõuna) ja hea läbipaistvus, otsene päikesekiirgus on 1,5 kcal/cm2/min. See on spektri lühikese lainepikkuse osa. Kui otsese päikesekiirguse voog läbib atmosfääri, nõrgeneb see energia neeldumise (umbes 15%) ja hajumise (umbes 25%) tõttu gaaside, aerosoolide ja pilvede poolt.
Horisontaalsele pinnale langeva otsese päikesekiirguse voogu nimetatakse insolatsiooniks S= S patt ho– otsese päikesekiirguse vertikaalne komponent.
S – soojushulk, mille võtab vastu kiirga risti asetsev pind ,
ho – Päikese kõrgus ehk nurk, mille moodustab horisontaalse pinnaga päikesekiir .
Atmosfääri piiril on päikesekiirguse intensiivsusNiisiis= 1,98 kcal/cm2/min. - Kõrval rahvusvaheline leping 1958. aastal Ja seda nimetatakse päikesekonstandiks. Nii näeks see pinnalt välja, kui atmosfäär oleks täiesti läbipaistev.
Riis. 2.1. Päikesekiire tee atmosfääris Päikese erinevatel kõrgustel
HAJUTUD KIIRGUSD – Atmosfääri hajumise tulemusena läheb osa päikesekiirgusest tagasi kosmosesse, kuid oluline osa sellest jõuab hajutatud kiirgusena Maale. Maksimaalne hajutatud kiirgus + 1 kcal/cm2/min. Seda täheldatakse siis, kui taevas on selge ja pilvisus. Pilves taeva all on hajutatud kiirguse spekter sarnane päikese omaga. See on spektri lühikese lainepikkuse osa. Lainepikkus 0,17-4 mikronit.
KOKKUKIIRGUSK- koosneb hajus- ja otsekiirgusest horisontaalsele pinnale. K= S+ D.
Otsese ja hajutatud kiirguse suhe kogukiirguse koostises sõltub Päikese kõrgusest, pilvisusest ja õhusaastest ning pinna kõrgusest merepinnast. Päikese kõrguse kasvades hajutatud kiirguse osatähtsus pilvitu taevas väheneb. Mida läbipaistvam on atmosfäär ja mida kõrgem on Päike, seda väiksem on hajutatud kiirguse osakaal. Pidevate tihedate pilvede korral koosneb kogukiirgus täielikult hajutatud kiirgusest. Talvel suureneb kiirguse peegeldumine lumikattelt ja selle sekundaarne hajumine atmosfääris märgatavalt hajutatud kiirguse osatähtsus kogukiirguses.
Valgus ja soojus, mida taimed Päikeselt saavad, on kogu päikesekiirguse tulemus. Sellepärast suur tähtsus põllumajanduse jaoks on neil andmed pinna poolt vastuvõetud kiirguse hulga kohta päevas, kuus, kasvuperioodil, aastal.
Peegeldunud päikesekiirgus. Albedo. Maa pinnalt osaliselt peegelduv kogukiirgus, mis jõuab maapinnale, tekitab peegeldunud päikesekiirguse (RK), mis suunatakse maapinnalt atmosfääri. Peegeldunud kiirguse väärtus sõltub suuresti peegelduva pinna omadustest ja seisukorrast: värvusest, karedusest, niiskusest jne. Iga pinna peegeldusvõimet saab iseloomustada selle albeedo (Ak) väärtusega, mille all mõistetakse peegelduspinna suhet. peegeldunud päikesekiirgus kokku. Albedot väljendatakse tavaliselt protsentides:
Vaatlused näitavad, et erinevate pindade albeedo varieerub suhteliselt kitsastes piirides (10...30%), välja arvatud lumi ja vesi.
Albedo sõltub mulla niiskusest, mille suurenemine väheneb, mis on oluline niisutatavate põldude soojusrežiimi muutmise protsessis. Albedo vähenemise tõttu pinnase niisutamisel suureneb neeldunud kiirgus. Erinevate pindade albeedol on täpselt määratletud päevane ja aastane kõikumine, mis on tingitud albeedo sõltuvusest Päikese kõrgusest. Madalaim väärtus albedot täheldatakse keskpäeva paiku ja aastaringselt suvel.
Maa enda kiirgus ja atmosfääri vastukiirgus. Efektiivne kiirgus. Maa pind on nagu füüsiline keha, mille temperatuur on üle absoluutse nulli (-273 ° C), on kiirgusallikas, mida nimetatakse Maa enda kiirguseks (E3). See suunatakse atmosfääri ja imendub peaaegu täielikult veeauru, veepiiskade ja õhus sisalduva süsinikdioksiidi poolt. Maa kiirgus sõltub selle pinna temperatuurist.
Atmosfäär, neelavad mitte suur hulk päikesekiirgust ja praktiliselt kogu maapinnast kiirgav energia kuumeneb ja omakorda kiirgab ka energiat. Umbes 30% atmosfäärikiirgusest läheb avakosmosesse ja umbes 70% jõuab Maa pinnale ning seda nimetatakse vastuatmosfäärikiirguseks (Ea).
Atmosfääri eralduv energia hulk on otseselt võrdeline selle temperatuuri, sisaldusega süsinikdioksiid, osoon ja hägusus.
Maa pind neelab selle vastukiirguse peaaegu täielikult (90...99%). Seega on see lisaks neelduvale päikesekiirgusele maapinna jaoks oluline soojusallikas. Seda atmosfääri mõju Maa termilisele režiimile nimetatakse kasvuhoone- või kasvuhooneefektiks välise analoogia tõttu kasvuhoonete ja kasvuhoonete klaasi mõjuga. Klaas laseb hästi läbi päikesekiiri, soojendades mulda ja taimi, kuid blokeerib kuumutatud pinnase ja taimede soojuskiirguse.
Maapinna enda kiirguse ja atmosfääri vastukiirguse erinevust nimetatakse efektiivseks kiirguseks: Eeff.
Eef= E3-EA
Selgetel ja vahelduva pilvisusega öödel on efektiivne kiirgus tunduvalt suurem kui pilvistel öödel ja seetõttu on maapinna öine jahtumine suurem. Päeval katab see neeldunud kogukiirgusega, mille tulemusena pinnatemperatuur tõuseb. Samal ajal suureneb ka efektiivne kiirgus. Maa pind kaotab keskmistel laiuskraadidel efektiivse kiirguse toimel 70...140 W/m2, mis on ligikaudu pool soojushulgast, mida ta saab päikesekiirguse neeldumisel.
3. Kiirguse spektraalne koostis.
Päikesel kui kiirgusallikal on mitmesuguseid laineid. Kiirgusenergia vood lainepikkuse järgi jagunevad kokkuleppeliselt lühilaine (X < 4 мкм) и длинноволновую (А. >4 µm) kiirgust. Päikese kiirguse spekter Maa atmosfääri piiril jääb praktiliselt lainepikkuste vahemikku 0,17–4 mikronit ning maa- ja atmosfäärikiirguse spekter 4–120 mikronit. Järelikult kuuluvad päikesekiirguse vood (S, D, RK) lühilainekiirguse alla ning Maa (£3) ja atmosfääri (Ea) kiirgus pikalaineliste hulka.
Päikesekiirguse spektri võib jagada kolmeks kvalitatiivselt erinevaks osaks: ultraviolettkiirgus (Y< 0,40 мкм), видимую (0,40 мкм < Y < 0,75 µm) ja infrapuna (0,76 µm). < Y < 4 µm). Enne päikesekiirguse spektri ultraviolettosa asub röntgenkiirgus ja infrapunaosast kaugemal Päikese raadiokiirgus. Peal ülempiir Atmosfääris annab spektri ultraviolettkiirgus umbes 7% päikesekiirguse energiast, 46% nähtavast energiast ja 47% infrapunaenergiast.
Maa ja atmosfääri kiirgavat kiirgust nimetatakse kaug-infrapunakiirgus.
Bioloogiline toime erinevad tüübid kiirgus taimedele on erinev. Ultraviolettkiirgus aeglustab kasvuprotsesse, kuid kiirendab taimede reproduktiivorganite moodustumise etappide läbimist.
Infrapunakiirguse tähendus, mis imab aktiivselt vett taimede lehtedest ja vartest, on selle termiline efekt, mis mõjutab oluliselt taimede kasvu ja arengut.
Kaug-infrapunakiirgus toodab ainult termiline efekt taimede peal. Selle mõju taimede kasvule ja arengule on ebaoluline.
Nähtav osa päikesespektrist, esiteks loob valgustuse. Teiseks kattub nn füsioloogiline kiirgus (A, = 0,35...0,75 μm), mida neelavad lehepigmendid, peaaegu nähtava kiirguse piirkonnaga (osaliselt hõivab ultraviolettkiirguse piirkonna). Selle energial on taimede elus oluline reguleeriv ja energeetiline tähtsus. Selles spektri osas eristatakse fotosünteetiliselt aktiivse kiirguse piirkonda.
4. Kiirguse neeldumine ja hajumine atmosfääris.
Kui päikesekiirgus läbib Maa atmosfääri, nõrgeneb see atmosfäärigaaside ja aerosoolide neeldumise ja hajumise tõttu. Samal ajal on selle spektraalne koostis. Päikese erineva kõrguse ja vaatluspunkti erineva kõrgusega maapinnast ei ole päikesekiire atmosfääris läbitud tee pikkus sama. Kõrguse vähenedes väheneb eriti tugevalt ultraviolettkiirguse osa, mõnevõrra vähem nähtav osa, infrapunane osa aga vaid veidi.
Kiirguse hajumine atmosfääris toimub peamiselt õhutiheduse pidevate võnkumiste (kõikumiste) tulemusena igas atmosfääri punktis, mis on põhjustatud teatud molekulide "klompide" (klompide) moodustumisest ja hävimisest. atmosfääri gaas. Päikesekiirgust hajutavad ka aerosooliosakesed. Hajumis intensiivsust iseloomustab hajumistegur.
K= lisa valem.
Hajumise intensiivsus sõltub hajuvate osakeste arvust ruumalaühikus, nende suurusest ja iseloomust, samuti hajutatud kiirguse enda lainepikkustest.
Mida lühem on lainepikkus, seda tugevamalt hajuvad kiired. Näiteks violetsed kiired hajuvad 14 korda tugevamini kui punased, mis seletab taeva sinist värvi. Nagu eespool märgitud (vt punkt 2.2), on atmosfääri läbiv otsene päikesekiirgus osaliselt hajutatud. Puhtas ja kuivas õhus järgib molekulaarse hajumisteguri intensiivsus Rayleighi seadust:
k= c/Y4 ,
kus C on koefitsient, mis sõltub gaasimolekulide arvust ruumalaühikus; X on hajutatud laine pikkus.
Kuna punase valguse kauged lainepikkused on peaaegu kaks korda suuremad kui violetse valguse lainepikkused, hajutavad esimesed õhumolekulid 14 korda vähem kui teised. Kuna violetsete kiirte algenergia (enne hajumist) on väiksem kui siniste ja tsüaansete kiirte oma, nihkub hajutatud valguses (päikese hajutatud kiirguses) maksimaalne energia sinakassinistele kiirtele, mis määrab taeva sinise värvuse. Seega on hajutatud kiirgus fotosünteetiliselt aktiivsete kiirte poolest rikkam kui otsene kiirgus.
Lisandeid sisaldavas õhus (väikesed veepiisad, jääkristallid, tolmuosakesed jne) on hajumine kõigis nähtava kiirguse piirkondades ühesugune. Seetõttu omandab taevas valkja varjundi (tekib udu). Pilveelemendid (suured tilgad ja kristallid) ei hajuta päikesekiiri üldse, vaid peegeldavad neid hajusalt. Selle tulemusena on Päikese poolt valgustatud pilved valge värv.
5. PAR (fotosünteetiliselt aktiivne kiirgus)
Fotosünteetiliselt aktiivne kiirgus. Fotosünteesi protsessis ei kasutata mitte kogu päikesekiirguse spektrit, vaid ainult seda
osa, mis asub lainepikkuste vahemikus 0,38...0,71 µm - fotosünteetiliselt aktiivne kiirgus (PAR).
On teada, et nähtav kiirgus, mida inimsilm tajub valgena, koosneb värvilistest kiirtest: punane, oranž, kollane, roheline, sinine, indigo ja violetne.
Päikesekiirguse energia neeldumine taimede lehtede poolt on selektiivne. Lehed neelavad kõige intensiivsemalt sinivioletseid (X = 0,48...0,40 µm) ja oranžikaspunaseid (X = 0,68 µm) kiiri, vähem - kollakasrohelisi (A. = 0,58... 0,50 µm) ja kaugpunaseid ( A. > 0,69 µm) kiirtega.
Maapinnal langeb päikese otsese kiirguse spektris maksimaalne energia, kui Päike on kõrgel, kollakasroheliste kiirte piirkonda (päikeseketas on kollane). Kui Päike asub horisondi lähedal, on kaugetel punastel kiirtel maksimaalne energia (päikeseketas on punane). Seetõttu aitab otsese päikesevalguse energia fotosünteesi protsessile vähe kaasa.
Kuna PAR on üks olulisemaid tegureid põllukultuuride tootlikkuses, on praktilise tähtsusega teave sissetuleva PAR koguse kohta, arvestades selle jaotumist territooriumil ja ajaliselt.
Faseeritud massiivi intensiivsust saab mõõta, kuid selleks on vaja spetsiaalseid filtreid, mis edastavad ainult laineid vahemikus 0,38...0,71 mikronit. Sellised seadmed on olemas, kuid aktinomeetriliste jaamade võrgus neid ei kasutata, need mõõdavad päikesekiirguse integraalspektri intensiivsust. PAR-väärtuse saab arvutada otse-, hajus- või summaarse kiirguse saabumise andmete põhjal, kasutades X. G. Toominga pakutud koefitsiente ja:
Qfar = 0,43 S" +0,57 D);
koostati igakuiste ja iga-aastaste Fara summade jaotumise kaardid Venemaa territooriumil.
Põllukultuuride PAR-i kasutusastme iseloomustamiseks kasutatakse koefitsienti kasulik kasutamine PAR:
KPIfar= (summaK/ esituled/kogusK/ esituled) 100%,
Kus summaK/ esituled- taimede kasvuperioodil fotosünteesiks kulutatud PAR kogus; summaK/ esituled- sel perioodil põllukultuuride eest saadud PAR summa;
Kultuurid nende keskmiste KPIAr väärtuste järgi jagatakse rühmadesse (põhiliselt): tavaliselt vaadeldakse - 0,5...1,5%; hea - 1,5...3,0; rekord - 3,5...5,0; teoreetiliselt võimalik - 6,0...8,0%.
6. MAA PINNA KIIRGUSE TASAKAAL
Sissetuleva ja väljuva kiirgusenergia voo vahet nimetatakse maapinna kiirgusbilansiks (B).
Maapinna kiirgusbilansi ööpäeva jooksul saabuv osa koosneb otsesest päikese- ja hajutatud kiirgusest, samuti atmosfäärikiirgusest. Bilansi kuluosa moodustab maapinna kiirgus ja peegeldunud päikesekiirgus:
B= S / + D+ Ea-E3-Rk
Võrrandi saab kirjutada ka teisel kujul: B = K- RK - Ef.
Öise kiirguse tasakaalu võrrandil on järgmine vorm:
B = Ea - E3 või B = -Eeff.
Kui kiirguse sissevool on suurem kui väljavool, siis on kiirgusbilanss positiivne ja aktiivne pind* kuumeneb. Kui saldo on negatiivne, siis see jahtub. Suvel on kiirgusbilanss päeval positiivne ja öösel negatiivne. Nulliületus toimub hommikul ligikaudu 1 tund pärast päikesetõusu ja õhtul 1...2 tundi enne päikeseloojangut.
Aastane kiirgusbilanss piirkondades, kus on tekkinud stabiilne lumikate, on külmal aastaajal negatiivsed ja soojal aastaajal positiivsed.
Maapinna kiirgusbilanss mõjutab oluliselt temperatuuri jaotumist pinnases ja atmosfääri pinnakihis, samuti aurustumis- ja lumesulamisprotsesse, udude ja külmade teket, õhumasside (nende) omaduste muutumist. muutumine).
Põllumajandusmaa kiirgusrežiimi tundmine võimaldab arvutada põllukultuuride ja pinnasesse neelduva kiirguse hulka sõltuvalt Päikese kõrgusest, põllukultuuri struktuurist ja taimede arengufaasist. Režiimi andmed on vajalikud ka erinevate temperatuuri, mulla niiskuse, aurustumise reguleerimise meetodite hindamiseks, millest sõltuvad taimede kasv ja areng, saagi kujunemine, selle kogus ja kvaliteet.
Tõhusad agrotehnilised võtted aktiivse pinna kiirguse ja sellest tulenevalt ka termilise režiimi mõjutamiseks on multšimine (pinnase katmine õhukese turbahakke, mädanenud sõnniku, saepuru jms kihiga), pinnase katmine kilega ja kastmine. . Kõik see muudab aktiivse pinna peegeldus- ja neeldumisvõimet.
* Aktiivne pind - pinnase, vee või taimestiku pind, mis neelab otseselt päikese- ja atmosfäärikiirgust ning eraldab kiirgust atmosfääri, reguleerides seeläbi külgnevate õhukihtide ja nende all olevate pinnase-, vee-, taimestikukihtide soojusrežiimi.
Päikesekiirgus on korpuskulaarsete osakeste (prootonid, γ-osakesed, elektronid, neutronid, neutriinod) ja elektromagnetilise (footoni) kiirguse terviklik voog.
Päikese aktiivsuse tulemusena tekib suur hulk korpuskulaarseid osakesi, mis liiguvad kiirusega 300 kuni 2000 km/sek ja jõuavad Maa atmosfääri 2 päevaga, kuid on selle tõttu edasi lükatud. magnetväli. Samuti moodustub elektromagnetiline kiirgus, liikudes kiirusega 300 000 km/sek ja jõudes Maale 8 minutiga.
Korpuskulaarsed osakesed: α-osakesed, β-osakesed, prootonid, elektronid, neutronid, positronid jne.
Elektromagnetiline koostis:
γ-kiirgus (lainepikkus<0,1 нм) задерживаются
Röntgenkiirgus (0,1–10 nm) magnetiline
· äärmuslik, kantserogeenne ultraviolett (10-120 nm) Maa välja poolt
ultraviolettkiirgus (120-400 nm; Maale jõuab 0,6-3%, ülejäänu hajub)
nähtav (400–760 nm; 40% jõuab Maani)
· infrapuna (760–10 000 nm, 59% jõuab Maani)
kaug-infrapuna (10 000–100 000 nm)
· raadiosagedused (>100 000 nm)
Füüsikalised omadused, bioloogiline mõju ja vastavalt võimalikud rikkumised, ebapiisavast või liigsest kokkupuutest tuleneva tervisliku seisundi korral sõltuvad antud piirkonnas päikesekiirguse koostises valitsevast lainepikkusest. Korpuskulaarsed osakesed ja lained pikkusega alla 280 nm neelduvad täielikult osoonikiht, Maa atmosfääri ülemistes kihtides. Tööstuslike heitkogustega, eriti freooniga, õhusaaste aitab aga kaasa atmosfääri osoonikihi hävimisele ja õhenemisele, nn osooniaukude ilmumisele mõnes piirkonnas, mille kaudu levivad UV-kiired, mis on ohtlikumad kõigile elusolenditele. , lühema lainepikkusega, tungivad maapinnani.
Maale jõudva päikesekiirguse hulka nimetatakse kerge kliima ja sõltub looduslikest ja inimtekkelistest teguritest. Sõltuvalt piirkondade ultraviolettkiirguse pakkumisest eristatakse tsoone:
UV-PUUDUS (põhjapoolsed piirkonnad, >57 laiuskraadi);
UV MUGAVUS (42-57 laiuskraadi);
UV-kiirguse liig (lõunapiirkonnad,<42 широты).
Päikesekiirguse terviklikku (kogu)voogu mõõdetakse püranomeetriga (näiteks Janiszewski püranomeetriga) ja seda väljendatakse ühikutes μcal/cm 2 × min.
Ultraviolettkiirguse füüsikalised omadused ja bioloogilised mõjud
Kogu Päikese ja tehisallikate UV-kiirguse ulatus on jagatud kolme valdkonda:
· piirkond A – pikalaineline UV-kiirgus λ = 320–400 nm;
· piirkond B – kesklaine UV-kiirgus λ = 280–320 nm;
· piirkond C – lühilaineline UV-kiirgus: λ = 10–280 nm.
UV-kiirguse bioloogiline mõju:
A. Biogeenne:
1. Üldine stimulant- B-spekter. Tänu nahavalkude fotolüüsile (UV-kiired tungivad läbi naha 3-4 mm sügavusele) tekivad toksilised fotolüüsiproduktid - histamiin, koliin, adenasiin, pürimidiini ühendid jne. Viimased imenduvad verre, stimuleerivad ainevahetust organismis. keha, retikuloendoteliaalsüsteem, luuüdi, suurendavad hemoglobiini, punaste vereliblede, valgete vereliblede hulka, koeensüümide aktiivsust, maksafunktsiooni, stimuleerivad närvisüsteemi aktiivsust jne. UVR on võimendatud tänu selle erüteemilisele toimele – naha kapillaaride reflektoorsele laienemisele, eriti koos intensiivse infrapunakiirgusega. Erüteemi efekt koos liigse kiiritusega võib põhjustada nahapõletust.
2. D-vitamiini moodustav UV-kiirgusega kokkupuude on tüüpiline piirkonnale B. Mõju on kaltsiferooli lagunemine: ergosteroolist (7,8-dehüdrokolesteroolist) rasus (rasunäärmete saladus) UV-kiirte mõjul benseenitsükli lõhustumise tõttu, Moodustuvad D2-vitamiin (ergokolekaltsiferool) ja D3-vitamiin (kolekaltsiferool) ning provitamiinist 2,2-dehüdroergosterool - D4-vitamiin.
3. Pigmente moodustav toime UVR – piirkond A, B. Põhjustatud melaniini tekkest. Melaniin kaitseb nahka (ja kogu keha) liigse UVR-i, nähtava ja infrapunakiirguse eest.
B. Abiogeenne:
1. Bakteritsiidne toime on iseloomulik piirkonnale C. UVR-i mõjul ergastuvad bakterid esmalt nende elulise aktiivsuse aktiveerumisega, mis UVR-doosi suurenemisel asendub bakteriostaatilise toimega ja seejärel fotodestruktsiooni, denaturatsiooniga. valgud ja mikroorganismide surm.
2. Kantserogeenne UVR-i mõju ilmneb kuumas troopilises kliimas ja tootmises kõrgetasemelise ja pikaajalise kokkupuute korral tehniliste UVR-allikatega (elektrikeevitus jne).
3. Mutageenne.
4. Allergiline.
Ebapiisav UV-kiirgus (kerge nälg) põhjustab:
· organismi vastupanuvõime vähenemine ja sellest tulenevalt haigestumuse suurenemine ja kroonilise patoloogia ägenemine
rahhiidi esinemine lastel
osteoporoosi esinemine täiskasvanutel
Ärahoidmine: päevitamine, solaariumid, fotaariumid, D-vitamiin meditsiinilisel kujul
Liigne UV-kiirgus põhjustab:
· erüteem, põletused
· organismi vastupanuvõime langus ja sellest tulenevalt haigestumuse tõus, kroonilise patoloogia ägenemine
· silmakahjustused (UVR-i loomuliku päritoluga fotooftalmia, näiteks mägedes, kunstliku päritoluga elektroftalmia, näiteks elektrikeevitajatel, keratokonjunktiviit, katarakt, pterygium - sarvkesta vähk)
fotodermatoos, päikese elastoos (kollageeni moodustumise kahjustus)
· Nahavähk
· vitamiinide B 2, PP, C eemaldamine organismist
lipiidide ainevahetuse häired
Ärahoidmine: naturaalsest kangast riided, mütsid, päikeseprillid ja tootmises kasutatavad spetsiaalsed prillid.
UV-kiirguse intensiivsuse määramise meetodid:
1) Fotokeemiline N. Z. Kulichkova järgi - oksaalhappe lagunemise alusel proportsionaalselt UV-kiirguse intensiivsuse ja kestusega. Ultraviolettkiirguse intensiivsuse mõõtmise seade fotokeemilisel meetodil on kvartsist katseklaas oksaalhappe ja uranüülnitraadi lahusega. Mõõtühik: lagunenud oksaalhappe milligramm lahuse pinna cm 2 kohta ajaühikus (min, tund). Füsioloogiline kiirgusdoos on 1 mg/cm2, profülaktiline 0,5 mg/cm2.
2) Fotoelektriline meetod– UV-kiirguse intensiivsuse mõõtmine ultraviolettkiirguse mõõtja või ufimeetriga (fotointensimeeter või fotoeksposimeeter) ühikutes μW/cm 2
3) Bioloogiline (erüteemia) meetod– erüteemilise annuse määramine MF biodosimeetri abil. Gorbatšov. Bioloogiline (erüteemiline) annus(biodoos) on minimaalne nahapiirkonna ultraviolettkiirgusega kiiritamise aeg, mille tagajärjel tekib kerge punetus ( erüteem). Biodosimeeter on 6 aknaavaga tablett, mis suletakse liikuva plaadiga. Biodosimeeter asub uuritava ultraviolettkiirguse suhtes tundlikul parkimata nahaosal (kõhunaha alumine osa või küünarvarre sisemine osa), mis asub kiirgusallikast 0,5 m kaugusel. .
Uuringu alguses avatakse kõik augud. Seejärel suletakse 1 minuti pärast esimene, 2 minuti pärast teine, 3 minuti pärast kolmas jne.
Erüteemi ilmnemist tuleb jälgida 6–8 tundi pärast kiiritamist. Biodoos (minutites) määratakse vastavalt selle augu arvule (ekspositsiooniaja järgi), milles registreeriti kõige vähem punetust.
Profülaktiline annus ultraviolettkiirgus on 1/8 biodoos, füsioloogiline doos – 1/4-1/2 biodoosi. Maksimaalne annus on 1 biodoos lastele ja 2 biodoos täiskasvanutele.
Näiteks:
Bioloogilise (erüteemi) doosi määramiseks asetati Gorbatšovi-Dahlfeldi biodosimeeter koolilapse kõhuõõne alumise kolmandiku nahale ja kiiritati 6 minutit.
Pideva spektri suurim intensiivsus on lainepikkuste vahemikus 430–500 nm. Nähtavas ja infrapuna piirkonnas on Päikesest lähtuva elektromagnetilise kiirguse spekter lähedane absoluutselt musta keha kiirguse spektrile, mille temperatuur on 6000 K. See temperatuur vastab Päikese nähtava pinna - fotosfääri - temperatuurile. . Päikese spektri nähtavas piirkonnas on kõige intensiivsemad ioniseeritud kaltsiumi H ja K jooned, vesiniku H α, H β ja H γ Balmeri seeria jooned.
Umbes 9% päikesespektri energiast pärineb ultraviolettkiirgusest lainepikkusega 100–400 nm. Ülejäänud energia jaguneb ligikaudu võrdselt spektri nähtava (400–760 nm) ja infrapuna (760–5000 nm) piirkonna vahel.
Päike on võimas raadiokiirguse allikas. Raadiolained tungivad planeetidevahelisse ruumi ja neid kiirgavad kromosfäär (sentimeetrilained) ja koroona (detsimeeter- ja meetrilained). Päikese raadiokiirgusel on kaks komponenti – konstantne ja muutuv. Konstantne komponent iseloomustab vaikse Päikese raadiokiirgust. Päikese kroon kiirgab raadiolaineid temperatuuriga musta kehana T= 10 6 K. Päikese raadiokiirguse muutuv komponent avaldub puhangute ja müratormidena. Müratormid kestavad mitmest tunnist mitme päevani. 10 minutit pärast tugevat päikesesähvatust suureneb Päikese raadiokiirgus vaikse Päikese raadiokiirgusega võrreldes tuhandeid ja isegi miljoneid kordi; see seisund kestab mitu minutit kuni mitu tundi. See raadiokiirgus on olemuselt mittetermiline.
Päikese kiirgusvoo tihedus röntgenipiirkonnas (0,1–10 nm) on väga madal (~5∙10 –4 W/m2 ja varieerub suuresti sõltuvalt päikese aktiivsuse taseme muutustest. Ultraviolettpiirkonnas lainepikkustel alates 200. 400 nm-ni kirjeldavad Päikese spektrit ka musta keha kiirguse seadused.
Spektri ultraviolettpiirkonnas, mille lainepikkus on lühem kui 200 nm, langeb pideva spektri intensiivsus järsult ja tekivad emissioonijooned. Neist kõige intensiivsem on Lymani seeria vesiniku joon (λ = 121,5 nm). Selle joone laiusega umbes 0,1 nm vastab see kiirgusvoo tihedusele umbes 5,10–3 W/m 2 . Kiirguse intensiivsus liinis on ligikaudu 100 korda väiksem. Samuti on märgata erinevate aatomite eredaid emissioonijooni, olulisemad jooned kuuluvad Si I (λ = 181 nm), Mg II ja Mg I, O II, O III, C III jt.
Päikesest tulev lühilaineline ultraviolettkiirgus tekib fotosfääri lähedal. Röntgenkiirgus tuleb kromosfäärist ( T~ 10 4 K), mis asub fotosfääri kohal ja koroona ( T~ 10 6 K) – Päikese väliskest. Raadiokiirgus meetrilainetel toimub koroonas ja sentimeetrilainete korral kromosfääris.
Päikese kiirgusvoog 1 m 2 Maa atmosfääri pindala kohta on 1350 W. Seda kogust nimetatakse päikesekonstant.
Mõõdetakse otsese päikesekiirguse intensiivsust aktinomeeter. Selle tööpõhimõte põhineb kehade tõmmatud pindade kuumutamisel, mis tekib päikesekiirgusest. Savinov-Yanishevsky termoelektrilises aktinomeetris on kiirguse vastuvõtvaks osaks väljastpoolt tõmmatud õhuke ketas 1. Termoelemendi ühenduskohad 2 on joodetud elektriliselt isoleeritud ketta külge, ülejäänud ühenduskohad 3 on kinnitatud korpuse sees oleva vaskrõnga külge. ja on varjutatud. Päikesekiirguse mõjul tekib termovaias elektrivool, mille tugevus on otseselt võrdeline kiirgusvooga.