Дослідження впливу альбедо на температуру поверхонь
Рівень складності | Легкий | |
Рівень небезпеки | Безпечно | |
Доступність використовуваних матеріалів | Можливо виконати в домашніх умовах | |
Орієнтовний час на виконання роботи | До 1 години |
Блок 1. Резюме
Метою роботи є дослідження зміни температури поверхонь різного кольору під час нагрівання в потоці випромінювання лампи розжарення та порівняння експериментального результату з прогнозованим.
Блок 2. Попередня інформація
Для подальшого розрахунку енергії треба ввести фізичну величину – альбедо. Альбедо — це здатність поверхонь або окремих тіл відбивати сонячну радіацію. Альбедо A визначається за формулою:
Сумарна радіація = пряма радiацiя + розсiяна радiацiя. Пряма радіація – сонячна радіація, що доходить до земної поверхні безпосередньо від Сонця. Розсіяна радіація – сонячна радіація, що була розсіяна в атмосфері, надходить на земну поверхню з усього небокраю.
Продовжимо міркування щодо підрахунку енергії. Так, частина її відбивається або розсіюється, тому дійсний середній потік енергії, що поглинається, дорівнює:
Кількість відбитої та розсіяної енергії складає близько 100 Вт/м2. Тоді сонячна енергія, що поглинається Землею,
, де Rearth – радіус Землі.
Альбедо є неоднорідним по поверхні Землі (рис. 1.1), а середнє значення для Землі А = 0,3. Над океаном альбедо має невеликі значення (2–10%); над сушею значення є більшими (як правило, 35–45%); найбільші значення альбедо має над поверхнею, вкритою снігом та крижинами (80%).
Рис. 1.1. Альбедо земної поверхні на 1 серпня 2021 року за даними NOAA-20 VIIRS (https://www.star.nesdis.noaa.gov/jpss/albedo.php)
Залежно від переважного кольору або типу поверхні вона поглинатиме більше або менше падаючого сонячного випромінювання. Різні типи підстильної поверхні характеризуються різними альбедо. Наприклад, світлий сніг має альбедо у границях 0,7-0,95; морський лід – 0,3-0,4; поля, луки, степи, ліси – 0,1-0,3; темні ґрунти – 0,05-0,15; сухі світлі пісчані ґрунти – 0,35-0,40. Характер підстильної поверхні змінюється протягом року, особливо значно – на континентах середніх широт. Цей факт суттєво впливає на зміну клімату. Альбедо Землі дуже впливає на температуру на Землі. Полюси Землі мають дуже виражений ефект альбедо, оскільки їхня поверхня біла через полярні шапки. Це означає, що більшість сонячного випромінювання, що потрапляє на полюси, відбивається назад. Зв’язок між альбедо Землі та зміною клімату полягає в тому, що під час танення полярних крижаних шапок кількість сонячних променів, що повертаються в космічний простір, зменшується. Частина льоду, що тане, змінює свій колір зі світлого на темний, тому в подальшому буде поглинуто більше тепла, а температура Землі ще більше підвищиться.
Блок 3. Обладнання
Лампа розжарення з рефлектором, однакові тіла з білою та чорною поверхнями, термометр.
Блок 4. Експериментальна процедура
- Закріпіть білу пластину на штативі та приєднайте термометр.
- Направте рефлектор лампи на пластину.
- Увімкніть лампу та фіксуйте показ термометра щохвилини впродовж 10 хвилин. Виміри занотовуте до таблиці.
- Вимкніть лампу та дайте термометру охолонути.
- Установіть на штативі чорну пластину та проведіть попередні дії.
Блок 5. Аналіз отриманих даних
Таблиця результатів
Час t (хв) | Температура білої пластини °С | Температура чорної пластини °С |
0 | ||
1 | ||
2 | ||
3 | ||
4 | ||
5 | ||
6 | ||
7 | ||
8 | ||
9 | ||
10 |
- Побудуйте таблицю в середовищі Excel.
- Інструментами матетичних таблиць побудуйте графік зміни температури пластин. Зробіть висновки.
Блок 6. Напрями розвитку
Спробуйте провести аналогічний дослід, використовуючи пластини різного кольору, та з’ясуйте, пластина якого кольору нагрівається найшвидше.