Дослідження залежності нагріву поверхні тенісної кульки від кута падіння променів

Чернецький Ігор
Автор Чернецький Ігор
Завідувач відділу створення навчально-тематичних систем знань НЦ «Мала академія наук України», кандидат педагогічних наук, голова Всеукраїнської громадської організації «Асоціація учителів фізики “Шлях освіти – ХХІ”». Наукові інтереси: моделювання освітніх та навчальних середовищ загальноосвітніх і позашкільних навчальних закладів з урахуванням трендів розвитку сучасних засобів навчання.
Рівень складності Середній
Рівень небезпеки Безпечно
Доступність використовуваних матеріалів На рівні наукового обладнання
Орієнтовний час на виконання роботи До 1 години

Блок 1. Резюме

Мета роботи: дослідити залежність розподілу поверхневої температури тенісної кульки після нагрівання у світловому потоці від лампи розжарення та порівняти отриману криву з кривою широтного розподілу середньої сонячної енергії, яка поглинається поверхнею Землі.

Блок 2. Попередня інформація

Для нашої планети основним джерелом надходження тепла є Сонце. Якщо говорити дуже загально, то та кількість енергії, яку Земля отримує від Сонця, мінус кількість, яку вона повертає в космос, визначають рівноважну температуру та, відповідно, клімат Землі. На поверхні океанів і морів відбуваються складні теплові процеси.

Спектр сонячної радіації поза земною атмосферою можна розділити на три основні частини: ультрафіолетову (λ < 0,40 мкм), видиму (0,40 – 0,76 мкм), інфрачервону (λ > 0,76 мкм). За ультрафіолетовою частиною спектра сонячної радіації лежить рентгенівське випромінювання, а за інфрачервоною – радіовипромінювання Сонця. Короткохвильове електромагнітне випромінювання Сонця охоплює спектральний діапазон від 0,1 до 4 мкм. Тепло надходить від Сонця саме у вигляді короткохвильової сонячної радіації, яка складається з прямої радіації та радіації, розсіяної атмосферою. Розсіювання короткохвильового випромінювання в атмосфері відбувається на молекулах і комплексах молекул, на частках аерозолю та хмарних частках.

Радіаційний баланс земної поверхні — сума радіаційних потоків на певній поверхні (в певному об’ємі), тобто різниця між поглинутою радіацією і ефективним випромінюванням.

Цей баланс є нерівномірним з огляду на дію вітрів, океанських течій та інших механізмів, які впливають на клімат у різних регіонах нашої планети.

Процеси, які формують клімат, охоплюють:

  1. Зміни в сонячному випромінюванні. Вони залежать від висоти Сонця над горизонтом, що обумовлено часом доби, порою року.
  2. Неоднорідність альбедо (величина, що описує здатність поверхні чи космічного тіла відбивати та розсіювати випромінення) по поверхні Землі, або здатність материків і океанів відбивати випромінювання.
  3. Зміни в концентрації парникових газів.
  4. Прозорість атмосфери, хмарність.

Існує також велика кількість різноманітних зворотних реакцій на зміну клімату, що можуть як збільшувати, так і зменшувати первинний вплив. Деякі частини кліматичної системи, такі як океани та льодовикові шапки, повільно реагують на кліматичні зміни, тоді як інші реагують значно швидше. Значення радіаційного балансу, його просторова неоднорідність визначає зони прогрівання або охолодження повітря над поверхнею, що впливає на режим атмосферної циркуляції.

Пряма і розсіяна радіація змінюються  впродовж доби, це пов’язано з рухом Сонця по небесній сфері. Їхня інтенсивність зростає з ранку до полудня і потім знижується від полудня до вечора. Варіації в добових змінах можуть бути зумовлені змінами прозорості атмосфери та кількості хмарності протягом дня.

Потік сонячної радіації перед входженням її в земну атмосферу при середній відстані Землі від Сонця називають сонячною сталою. Потік енергії – це кількість енергії, що переноситься за одиницю часу через одиничну поверхню.

Зміст слова “стала” полягає в тому, що ця величина не залежить від розсіювання і поглинання радіації в атмосфері. Вона належить до радіації, на яку атмосфера не впливає. Отже, сонячна стала залежить від випромінювальної здатності Сонця та від відстані від Землі до Сонця і, за даними позаатмосферних вимірювань, ця величина S0  має значення:

S0=1,37 кВт/м2                                                                                      

Тоді повна енергія, що отримується від Сонця площею перерізу земної кулі за одиницю часу, дорівнює:

Etot  = π Rearth 2S0,   де Rearth =6 371 км це – радіус Землі. Тобто   Etot  = π Rearth 2S0 = 1.74 1017 Вт.

Рис. 1.1.  Земля отримує сонячну енергію перерізом, що є диском, і випромінює її поверхнею, що є сферою.

Оскільки загальна площа поверхні Землі 4π Rearth 2 (рис. 1.1), то середня кількість енергії, що отримується Землею за одиницю часу, буде дорівнювати 0,25S0=344 Вт/м2.

Нахил земної осі 23,5o спричиняє сезонні зміни при розподілі потоку. Але це значення є середнім. Як видно з  рис. 1.2, на Землі радіаційний баланс коливається в широких межах: найбільші його значення — в тропічних океанах, найменші — в Антарктиді.

Рис. 1.2. (а) – Радіаційний баланс Землі залежно від широти. Верхня суцільна лінія показує середній потік сонячної енергії, що сягає зовнішньої границі атмосфери. Нижня суцільна лінія демонструє середню кількість сонячної енергії, яка поглинається, а пунктир – енергію, що відбивається у простір. Обидві нижні криві представляють усереднені результати супутникових вимірювань між червнем 1974 та лютим 1978 року. Взято з [Gill 1982]. (б) – Просторовий розподіл радіаційного потоку енергії (січень 2023), а саме баланс між вхідною та вихідною енергією у верхній частині атмосфери за даними NASA (https://earthobservatory.nasa.gov/).

Під час перебування Сонця в зеніті (точка на небі, на яку ви дивитеся, якщо ваш погляд спрямовано «точно вгору» відносно поверхні) на різних географічних широтах φ, у будь-якому пункті можна визначити кут падіння сонячних променів. Коли Сонце перебуває в зеніті над екватором, кут падіння променів у будь-якому пункті, розташованому в обох півкулях, можна обчислити, ґрунтуючись на такому виразі:

ω= 90 – φ.

Коли точки, де Сонце перебуває в зеніті, та локації, в яких треба визначити кут падіння променів, розташовані в одній і тій самій півкулі, треба від 90° відняти градусне значення географічної широти, де розташований пункт, та додати градусне значення паралелі, де Сонце перебуває в зеніті.

Як уже було зазначено, прогрів поверхні залежить від кута падіння променів.

Блок 3. Обладнання

Лампа розжарення з рефлектором, тенісна кулька, тепловізор, ПК, SmartView (https://s3-us-west-2.amazonaws.com/dam-assets.fluke.com/s3fs-public/flukeig/assets/SmartView+desktop+software/Setup.exe).

Блок 4. Експериментальна процедура

  1. Установіть на поверхні столу тенісну кульку з поверхнею, вкритою чорною фарбою.
  2. Закріпіть лампу розжарення з рефлектором так, щоб направити потік випромінювання на поверхню кульки.
  3. Увімкніть лампу, зачекайте 10 хвилин, потім вимкніть її.
  4. Від’єднайте лампу; до того місця, де була розташована лампа, піднесіть тепловізор та за його допомогою отримайте термограму поверхні кульки. Якщо такої можливості немає, завантажте термограму з ресурсу.

Блок 5. Аналіз отриманих даних

  1. Завантажте термограму на ПК та запустіть програму SmartView.
  2. Відкрийте у програмі термограму та, натиснувши на зображенні двічі, відкрийте його для аналізу.
  3. У верхній частині вікна оберіть інструмент виділення “Лінія” .
  4. Проведіть декілька ліній на зображенні кульки так, щоб вони проходили через її центр. 
  5. У нижній частині вікна оберіть вкладинку Graph, розгляньте отримані криві і скопіюйте дані, що відобразяться у правій нижній частині.
  6. Перемістіть ці дані в таблиці Excel. Інструментами програми отримайте усереднене значення температури для кожного рядка і побудуйте графік розподілу температури по поверхні кульки.

Блок 6. Напрями розвитку

Порівняйте отриманий графік із графіками, відтвореними на рис. 1.2. Спробуйте повторити експеримент із кулькою, розмальованою у вигляді глобуса Землі.