Дослідження впливу альбедо на температуру поверхонь

Чернецький ІгорЗавідувач 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.
Терлецька КатеринаДокторка фізико-математичних наук, завідувачка лабораторії математичних наук НЦ МАН України
ЛегкийБезпечноМожливо виконати в домашніх умовахДо 1 години
Iнструментальна цифрова дидактикаScienceГеографіяДослідження клімату

Резюме

Метою роботи є дослідження зміни температури поверхонь різного кольору під час нагрівання в потоці випромінювання лампи розжарення та порівняння експериментального результату з прогнозованим.

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.

Обладнання

Лампа розжарення з рефлектором, однакові тіла з білою та чорною поверхнями, термометр.

Експериментальна процедура

  1. Закріпіть білу пластину на штативі та приєднайте термометр.
  2. Направте рефлектор лампи на пластину.
  3. Увімкніть лампу та фіксуйте показ термометра щохвилини впродовж 10 хвилин. Виміри занотовуте до таблиці.
  4. Вимкніть лампу та дайте термометру охолонути.
  5. Установіть на штативі чорну пластину та проведіть попередні дії.
 

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
  1. Побудуйте таблицю в середовищі Excel.
  2. Інструментами матетичних таблиць побудуйте графік зміни температури пластин. Зробіть висновки.
   

Напрями розвитку

Спробуйте провести аналогічний дослід, використовуючи пластини різного кольору, та з'ясуйте, пластина якого кольору нагрівається найшвидше.