Энергия солнца

Подписаться на эту рубрику по RSS

11
фев 10

Теплопроводность

Воздух, соприкасающийся с водоемом или почвой, нагревается путем теплопроводности или путем лучистого переноса тепла. Теплопроводность есть такой процесс, при котором перенос тепла происходит без переноса вещества (молекул). При быстром движении и столкновениях молекул тепло, или кинетическая энергия их движения, передается от молекулы к молекуле. Вследствие передачи тепла земной поверхностью воздуху нижние слои атмосферы быстро прогреваются. Затем нагревшийся воздух отдает свое тепло более холодной земной поверхности.

Воздух — сравнительно плохой проводник тепла. Поэтому температура нижних слоев атмосферы повышается медленнее, чем температура земной поверхности. В воздухе, как и в воде, тепло обычно распространяется путем теплопроводности.

11
фев 10

Конвекция

Конвекция представляет собой перенос тепла при движении и переносе частиц вещества (молекул). Конвективный перенос тепла является прямым следствием различия температуры соседних порций жидкости или газа. В твердых телах конвекция не происходит. В таких телах основным способом переноса тепла является теплопроводность.

В газах конвекция возникает в том случае, когда поступающее тепло усиливает движение молекул. Молекулы, движущиеся быстрее, удаляются на более значительные расстояния, промежутки между ними увеличиваются, и мы говорим, что вещество расширяется. Расширение уменьшает плотность вещества, и оно приобретает значительную плавучесть. Более легкий газ поднимается над окружающим его плотным и холодным газом, а холодный опускается, замещая собой поднявшийся теплый газ.

Таким же образом и конвективное движение воздуха тоже возникает в результате различия температуры соседних его порций. Более теплый воздух поднимается, а более холодный и плотный его замещает.

Чтобы отличить горизонтальные перемещения воздуха от вертикальных его движений, метеорологи называют первые перемещения адвективными. Адвекция служит причиной большинства изменений погоды ото дня ко дню, особенно в умеренных широтах.

10
фев 10

Излучение черного тела

Энергия, излучаемая телом, зависит от его температуры. Точнее, она пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры этого тела. Потеря энергии в виде электромагнитных волн и представляет собой процесс излучения.

Теоретическим путем установлено наличие какого-то предельного количества энергии, которое может излучаться в единицу времени единицей поверхности излучающего тела. Этот теоретический предел, зависящий от температуры поверхности излучателя, называется излучением черного тела.

Радиация, излучаемая Солнцем, и радиация, поглощаемая Землей, весьма близки к указанному теоретическому пределу, вычисляемому по формулам, полученным на основании представления об излучении черного тела. Эти формулы использовались также при расчете теоретической температуры Земли, оказавшейся равной 15°С. Температура эта несколько ниже фактической средней температуры всей земной поверхности.

Чтобы более точно рассчитать теоретическую температуру Земли, необходимо учитывать и другие факторы.

09
фев 10

Парниковый эффект

На температуру Земли смягчающее влияние оказывает так называемый парниковый эффект. Этот термин был введен в связи с тем очевидным сходством, которое имеется между ролью атмосферы и ролью стекол или защитной пленки, обеспечивающих сохранение тепла в парнике. Стекла парника и газы атмосферы действуют одинаковым образом — по крайней мере, раньше так считалось. В настоящее время установлено, что аналогия здесь не совсем полная, но термин „парниковый эффект" все же используется.

Коротковолновая радиация проникает через стекла внутрь парника. Почва и другие тела, находящиеся в парнике, поглощают эту радиацию. Затем они сами излучают длинноволновую радиацию, которая не пропускается стеклами парника. Этот процесс сохранения длинноволновой радиации позволяет температуре в парнике подняться значительно выше температуры наружного воздуха. В настоящее время считают, что в этом повышении температуры более важную роль играет тепловая циркуляция воздуха в замкнутом пространстве парника. Поэтому не совсем правильно считать, будто стекла в парнике действуют совершенно так же, как воздух, окружающий Землю.

Описываемый эффект не наблюдается у небесных тел, лишенных атмосферы. Рассмотрим, например, Луну. Известно, что Луна не имеет атмосферы. Температура ее поверхности на освещенной стороне составляет около 125°С, ночью же она становится заметно ниже,—125°С. Земля никогда не испытывает столь резких перепадов температуры. В любых районах Земли суточные колебания температуры гораздо меньше, чем на Луне, и редко превышают 15°С, хотя в тропических пустынях возможны и более значительные колебания.

Другой причиной сравнительно небольших суточных колебаний температуры на Земле является то, что некоторая часть солнечной радиации, поступающей в атмосферу, расходуется на реакции с молекулами атмосферных газов, поглощается водяным паром, пылью и другими примесями, взвешенными в атмосфере.

Земную поверхность нагревают те солнечные лучи, которые проходят через атмосферу без поглощения. Это главным образом лучи голубого, зеленого и желтого участков спектра. Именно эти сравнительно короткие волны легче всего проходят через атмосферу.

Длинноволновую же радиацию, которую излучает Земля, частично поглощает водяной пар, содержащийся в атмосфере, т. е. она не уходит немедленно в космос, как это происходит на Луне. Поэтому, когда на Земле имеет место дефицит прихода тепла, т. е. ночью и зимой, температура ее все же понижается не очень резко. В то же время днем и летом, хотя приход тепла и преобладает над расходом, температура на Земле не повышается столь сильно, как на Луне, ибо часть поступающей солнечной радиации поглощается атмосферой.

09
фев 10

Рассеяние и преломление света в атмосфере

Когда свет проходит через атмосферу, он испытывает воздействие различных ее физических свойств. Неодинаковая плотность слоев воздуха, обусловленная различием их температуры и оптической плотности, создает рефракцию, т. е. преломление и искривление световых лучей, что порождает некоторые необычные явления. Свет, поступающий в земную атмосферу, испытывает в ней рассеяние. Рассеивать свет могут даже самые мельчайшие частицы, взвешенные в воздухе. Пылинки и молекулы атмосферных газов, а также другие составные части воздуха, рассеивают свет во всех направлениях.

Сильнее всего рассеиваются в атмосфере синие и голубые лучи, слабее—красные. Голубой цвет неба объясняется преимущественным рассеянием сине-голубых лучей видимого спектра атмосферой. Перед заходом Солнца, когда высота его над горизонтом мала и солнечные лучи проходят сквозь значительную толщу атмосферы, диск Солнца приобретает красноватый оттенок.

Рассеивают свет, в частности, и частицы космической пыли, дым, возникающий при сгорании метеоров, а также частицы вулканического пепла, промышленных дымов и т. д. Наконец, в рассеянии света принимают участие кристаллики солей, споры растений, молекулы водяного пара — около половины всего водяного пара сосредоточено в нижних 1,5 км атмосферы. Большинство других взвешенных примесей содержится в этом же нижнем ее слое. Поэтому и рассеяние света тоже происходит главным образом в этом слое.

Когда свет переходит из среды с одной плотностью в среду с другой плотностью, скорость его распространения изменяется — возникает рефракция световых лучей. Кроме того, из-за уменьшения скорости распространения некоторые световые лучи проходят через атмосферу под разным углом, что вызывает некоторые необычные рефракционные явления.

Когда солнечные лучи проходят через атмосферу под малым углом, их рефракция бывает более сильной, чем при значительной высоте Солнца. Кривизна Земли также заставляет солнечные лучи проходить в атмосфере более длинный путь, чем в случае, когда они падают перпендикулярно к земной поверхности. Из-за рефракции, света, возникающей при заходе Солнца, когда оно находится близко к горизонту, кажется, что высота Солнца больше, чем в действительности. Причем увеличивается и фактическая продолжительность светлого времени суток, так как видимый заход Солнца обычно наблюдается тогда, когда оно уже под горизонтом.

08
фев 10

Радуги и миражи

Свет, проходя через капли воды, взвешенные в атмосфере, подвергается рефракции, причем каждая капелька воды действует как микроскопическая призма, преломляет световые лучи и отклоняет лучи разного цвета на различный угол от первоначального направления. В результате этого, когда Солнце находится позади наблюдателя, а перед ним выпадает дождь, наблюдатель видит радугу.

Миражи также представляют собой оптический обман. Свет, идущий от отражающих его объектов, может встречать на своем пути облачный покров, на который он падает под углом, допускающим полное отражение его обратно к земной поверхности. При этом изображение объекта может наблюдаться на высоте несколько сотен метров от поверхности*.

28
янв 10

Энергия Солнца в атмосфере

Земная атмосфера представляет собой динамичную газовую оболочку. В результате взаимодействия Солнца, атмосферы, поверхности суши и водоемов, т. е. в результате обмена энергией между ними создаются различия температуры воздуха на нашей планете. Движения воздуха есть следствие температурных различий между взаимодействующими воздушными массами, поскольку эти массы имеют и разную плотность. Воздух движется из районов, где плотность его больше, в районы, где она меньше.

Температурные различия воздушных масс обусловлены тем, что приход лучистой энергии различен в разных географических районах. В водоемах энергию поглощает более глубокий поверхностный слой, чем на суше, но зато и теряет тепло суша быстрее, чем вода. Поэтому характер земной поверхности определяет то количество тепла, которое она может отдать атмосфере.

Тепловое движение молекул воздуха и их столкновения между собою проявляются в виде давления, которое, таким образом, есть прямое следствие термического состояния воздушной массы.

Когда происходит поглощение тепла, молекулы начинают двигаться быстрее и объем воздуха увеличивается. Плотность его при этом уменьшается, т. е. число молекул в единице объема становится меньше. Поскольку плотность нагревшейся порции воздуха меньше плотности окружающей его ненагретой среды, то возникает сила плавучести. Это значит, что появляется импульс, заставляющий • нагревшуюся порцию воздуха подниматься. Поднимающийся воздух оставляет за собой область низкого атмосферного давления. В эту область устремляется холодный и плотный воздух, и давление здесь вновь повышается. Нагретый воздух продолжает восходящее движение до тех пор, пока его температура не окажется равной температуре окружающей среды.

Процесс замещения поднимающегося теплого воздуха холодным и более плотным воздухом называется конвекцией. Итак, вертикальные движения воздуха вызваны его неравномерным нагреванием.

Если посмотреть, как распределяется атмосферное давление по земной поверхности, можно заметить, что, несмотря на зависимость его от силы тяжести, действующей на воздух, в разных точках планеты оно не одинаково. В поле приземного давления есть области, в которых оно ниже или выше, чем в соседних областях, что объясняется различием температуры, радиационных условий и характера земной поверхности.

Используемые далее термины „повышенное давление" и „пониженное давление" характеризуют ту или иную область только относительно окружающих районов. Например, область пониженного давления В умеренных широтах существенно отличается от области низкого давления в так называемом глазу тропического циклона.

Можно заметить, что над горизонтальной поверхностью воздух стремится двигаться из области повышенного давления, где он „накопился", в сторону области пониженного давления. Скорость этого движения определяется разностью давления, так называемым градиентом давления. (Вертикальные же движения типа конвекции поддерживаются разностями температуры я плотности поднимающегося и окружающего воздуха.) При этом область пониженного давления характеризуется сходящимися движениями холодного воздуха, который нагревается и начинает подниматься. В области же повышенного давления опускающийся воздух достигает земной поверхности и начинает растекаться (дивергировать). Горизонтальное движение воздуха от области повышенного к области пониженного давления и создает ветер.

Распределение атмосферного давления по земной поверхности изображают на карте погоды с помощью линий одинакового давления — изобар. Чем теснее лежат изобары на карте погоды, тем больше градиент давления и тем сильнее ветер. В области пониженного давления градиент обычно больше и ветер сильнее, чем в области повышенного давления.

Атмосферное давление уменьшается с увеличением высоты из-за соответствующего уменьшения плотности воздуха. Например, давление на уровне моря примерно вдвое больше, чем на высоте 6 км. Это объясняется тем, что ниже этого уровня сила тяжести удерживает около половины всей массы воздуха. На еще больших высотах плотность воздуха продолжает уменьшаться. Соответственно и давление продолжает падать с высотой, но уже медленнее, чем в нижних слоях атмосферы.

Таким образом, само давление и его. влияние на ветер в свою очередь зависят от высоты и температуры: высота определяет ту массу воздуха, которая создает давление на данном уровне, температура же определяет плотность и в конечном счете давление.

Перемещения воздуха перераспределяют энергию, получаемую атмосферой извне. Такие области, как Арктика, в течение длительных периодов времени испытывают значительный дефицит лучистой энергии, т. е. теряют большее количество энергии, чем получают от Солнца. В области же экватора приходит больше лучистой энергии, чем уходит. Постоянная циркуляция атмосферы и океана— самых подвижных оболочек Земли — перераспределяет эту энергию таким образом, что в масштабе всей Земли в среднем за ряд лет приход и расход энергии находятся в равновесии.

До сих пор имеется еще много неясного в представлениях о переходе одних форм энергии в атмосфере в другие и об обмене энергией между атмосферой и поверхностью Земли. Еще ждут объяснения процессы поглощения и отражения газами разных потоков лучистой энергии. К тому же наши знания о процессах, происходящих на границе между океаном и атмосферой, а также об энергетических свойствах поверхности суши, пока еще тоже весьма неполны.

27
янв 10

Лучистая энергия и времена года

Количество солнечной радиации, которую получают те или иные районы, зависит от положения Земли относительно Солнца. От изменения этого положения— отклонения земной оси от перпендикуляра зависит и смена времен года. Зимой (северного полушария) Земля находится ближе к Солнцу, чем летом, и получает на 7% больше солнечной радиации, но это уравновешивается влиянием наклона земной оси, а также распределением суши и океанов и другими факторами.

Поверхность суши нагревается и охлаждается быстрее, чем поверхность водоемов. Даже при беглом взгляде на карту мира видно, что большая часть суши сосредоточена в северном полушарии, а большая часть водной поверхности находится в южном полушарии.

Таким образом, изменение расстояния между Землей и Солнцем в годовом цикле оказывается лишь второстепенной причиной смены времен года.

В результате того что изменяется положение Земли относительно Солнца, изменяется постепенно в течение года и наибольшая — полуденная — его высота над горизонтом. Это изменение является прямым следствием вращения Земли вокруг Солнца и наклона ее оси.

Так называемые тропики представляют собой те наиболее удаленные от экватора широты, на которых Солнце в полдень может находиться в зените, т. е. прямо над головой наблюдателя. 21 июня Солнце в полдень находится в зените прямо над Северным тропиком. В этот день — день летнего солнцестояния — начинается лето в северном полушарии. В полдень 21 декабря Солнце находится в зените над Южным тропиком. В этот день — день зимнего солнцестояния — начинается зима в северном полушарии. Таким образом, зима в северном полушарии начинается 21 декабря, когда северный конец оси Земли направлен в сторону, противоположную Солнцу. Лето же начинается примерно 21 июня, когда северный конец земной оси направлен в,сторону Солнца.

На траектории орбитального движения Земли вокруг Солнца есть еще две важные точки, лежащие примерно посредине между точками солнцестояний. Около 23 сентября и около 21 марта Солнце в полдень находится в зените точно над экватором. Эти две даты означают начало соответственно осени и весны в северном полушарии. В эти дни ось Земли еще занимает свое прежнее положение относительно небосвода, но уже не наклонена ни к Солнцу, ни в противоположную сторону.

Северный тропик расположен на 23°30' с. ш., а Южный тропик на 23°30' ю. ш. Наблюдая ежедневно за точкой наивысшего положения Солнца на небосводе, можно заметить, что точка эта за год перемещается на 47°. Указанные даты начала сезонов приблизительны и могут колебаться в пределах одного-двух дней, так как наши измерения времени неточны.

Из-за наклонного положения земной оси угол, под которым солнечные лучи падают на Землю, в течение года меняется. Угол, под которым лучи Солнца падают на земную поверхность, и продолжительность светлого времени суток непосредственно определяют собой сезонные изменения состояния атмосферы.

В летний полдень, когда угол падения солнечных лучей ближе всего к прямому, на единицу площади земной поверхности поступает наибольшее количество солнечной энергии. Зимой же, когда угол между пучком солнечных лучей и земной поверхностью уменьшается, уменьшается и приход солнечной радиации на единицу площади. Стало быть, земная поверхность меньше нагревается зимой, чем летом.

Угол падения солнечных лучей в полдень на горизонтальную земную поверхность можно вычислить, найдя дополнение до 90° к разности между широтой данного места и той широтой, на которой Солнце в полдень этого дня находится в зените. Чем меньше этот угол, тем меньше и инсоляция, т. е. количество солнечной энергии, получаемое земной поверхностью. Инсоляция прямо пропорциональна углу падения солнечных лучей на земную поверхность.

Рассматривая влияние наклона земной оси на приход солнечной радиации, отметим и тот факт, что Земля окружена атмосферой. Чтобы достичь земной поверхности, поток солнечной радиации должен в разные сезоны пройти через неодинаковую толщу воздуха. Зимой, когда угол падения солнечных лучей мал, они проходят через большую толщу атмосферы, чем летом. Это значительно ослабляет поток солнечной радиации и уменьшает ее количество, приходящее к земной поверхности. Летом же, когда Солнце в полдень стоит высоко, лучи его проходят в атмосфере более короткий путь и потому не ослабляются столь сильно, как зимой.

Продолжительность дня также влияет на инсоляцию в разное время года. Летом день длиннее, чем зимой, а потому и поступление солнечной радиации на земную поверхность летом тоже больше. Например, в Нью-Йорке в день летнего солнцестояния продолжительность дня достигает 15 часов, в день же зимнего солнцестояния она почти вдвое меньше. Это самый короткий день в го> ду*. В зависимости от времени года каждый следующий день бывает короче или, наоборот, длиннее, чем предыдущий.

Таким образом, наклон земной оси обуславливает действие трех важных факторов, которые уже в свою очередь влияют на смену сезонов. Из-за меньшего угла падения лучей интенсивность солнечной радиации зимой меньше, чем летом. Продолжительность дня летом больше, чем продолжительность ночи, и потому приход радиации в дневные часы больше, чем ее потеря ночью. И наконец, ослабление солнечных лучей зимой сильнее, чем летом, так как в первом случае лучи проходят более длинный путь в атмосфере.

27
янв 10

Прецессия и ось Земли

Наклон оси вращения Земли по отношению к плоскости ее орбиты составляет приблизительно 23,5°. Поэтому в разные времена года ось планеты направлена северным концом либо к Солнцу, либо в противоположную сторону. Надо сказать, что указанный угол медленно, с периодом 25 ООО лет, изменяется. Изменение наклона земной оси относительно плоскости орбиты, называемое прецессией, не может быть замечено нами непосредственно.

В настоящее время северный конец земной оси обращен к Полярной звезде. Однако приблизительно 13000 лет назад земная ось была ориентирована в противоположном направлении, а роль Полярной играла звезда, находящаяся вблизи созвездия Вега. Еще через 13 000 лет эта звезда снова станет для нас „Полярной".

26
янв 10

Температура в разные сезоны

Можно ожидать, что самыми жаркими должны быть месяцы, предшествующие дню летнего солнцестояния и следующие за ним. Наоборот, самыми холодными должны быть месяцы, ближайшие к дню зимнего солнцестояния. Следовательно, самые жаркие — май, июнь и июль, а самые холодные — ноябрь, декабрь И январь. В действительности же самыми теплыми обычно бывают июнь, июль и август, а самыми холодными— декабрь, январь и февраль. Такой сдвиг на один месяц объясняется различиями в скорости нагревания воздуха, суши и водоемов. Суша и вода поглощают тепло не с одинаковой скоростью, потому максимумы температуры воздуха, находящегося над ними, наступают в разное время.