Дослідження випромінювання Сонця

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.

Завдання роботи:

  1. Розрахувати значення інтегральної потужності сонячного випромінювання, що падає на одиницю площі на поверхні Землі.
  2. Розрахувати загальну потужність випромінювання Сонця.
  3. Визначити освітленість земної поверхні та «світлову віддачу» Сонця.

Обладнання:

мобільна лабораторія Einstein, датчик освітленості, датчик температури, актинометр, штатив.

Теоретична частина

Промениста енергія Сонця є основним, а практично – єдиним джерелом тепла для поверхні Землі та її атмосфери. Частина сонячної радіації – це видиме світло. Отже, Сонце є джерелом не лише тепла, а й світла, що важливо для життя на земній поверхні. Сонячне випромінювання перетворюється на тепло частково в самій атмосфері, але переважно на земній поверхні.

Спектр сонячної радіації близький до спектру випромінювання абсолютно чорного тіла з температурою 6000°К. Частина енергії, яку випромінює фотосфера Сонця, поглинається в його хромосфері, внаслідок чого у спектрі з’являються лінії поглинання, так звані фраунгоферові лінії. 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.

Близько 7% енергії сонячного випромінювання припадає на ультрафіолетову частину спектра (тут найбільше фраунгоферових ліній, через це потік ультрафіолетової радіації ослаблений), 48% – на видиму, 45% – на інфрачервону.

Потік сонячної радіації перед її входженням у земну атмосферу (як правило, говорять «на верхній межі атмосфери») при середній відстані Землі від Сонця називають сонячною сталою. 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. Сонячна стала залежить від випромінювальної здатності Сонця і від відстані від Землі до Сонця.

Отже, сонячною сталою називають потік сонячної енергії, який надходить на верхню межу атмосфери за одиницю часу на одиницю площі, перпендикулярної до сонячних променів при середній відстані Землі від Сонця (149,6 млн.км). Сонячна стала дорівнює 1,382 кВт/м2, або 1,98 кал/см2∙хв. Сонячна активність може змінювати величину сонячної сталої на 4 Вт/м2.

У роботі пропонується оцінити інтегральну потужність сонячного випромінювання на поверхні Землі, що припадає на одиницю площі, за допомогою приладу, який називають актинометром.

Актинометр складається з пластикової труби і закріпленого всередині неї залізного циліндра. Верхня основа циліндра (спрямована до Сонця) закіптюжена, а бічна поверхня і нижня основа відполіровані. Збоку в циліндрі просвердлений отвір для датчика температури. Внизу труба заклеєна напівпрозорим папером з накресленим посередині колом, діаметр якого відповідає діаметру циліндра. Верхній отвір труби закривається непрозорою кришкою. Актинометр встановлюють у штативі і під час вимірювань скеровують на Сонце так, щоб тінь від циліндра збігалася з колом на дні труби. Приймачем сонячної енергії є циліндр. Визначаючи зміну його температури, що відбулася за певний проміжок часу, знаючи масу циліндра і площу поверхні, на яку потрапляє сонячна радіація, визначають інтегральну потужність сонячного випромінювання. Освітленість, створювану сонячним випромінюванням, вимірюють датчиком освітленості. Вимірявши освітленість, створювану сонячним випромінюванням, та знаючи інтегральну потужність, можна розрахувати «світлову віддачу» Сонця:

  (1), де Е – освітленість, а – значення інтегральної теплової потужності на одиницю площі.

Хід роботи

  1. Помістіть в отвір циліндра датчик температури та приєднайте його до першого входу реєстратора. Зніміть кришку з актинометра і спрямуйте його на Сонце так, щоб закіптюжена поверхня циліндра була перпендикулярною до сонячних променів. Щоб правильно встановити прилад, сумістіть тінь, що падає від циліндра, з колом на дні труби.
  2. Зніміть кришку з актинометра та спрямуйте його на Сонце так, щоб тінь від циліндра потрапила на коло, накреслене на папері.
  3. Закрийте кришку актинометра та зачекайте декілька хвилин для того, щоб температура циліндра зрівнялася з температурою навколишнього середовища.
  4. Виміряйте висоту стержня штатива h та довжину його тіні на поверхні Землі l. Результати занесіть до таблиці.
  5. Запустіть програму MiLab. Програмне забезпечення MiLab автоматично розпізнає датчики.
  6. Запрограмуйте частоту замірів реєстратора даних, обравши один замір на секунду та час вимірювань 15 хв.
  7. Натисніть «Старт».
  8. Закрийте кришку актинометра і натисніть знову кнопку «Старт».
  9. Установіть Перший курсор на графік зміни температури в точку початку нагрівання. Зчитайте під віссю значення початкової температури циліндра t1 та занесіть до таблиці.
  10. Перемістіть курсор у точку, що відповідає максимальній температурі. Зчитайте під віссю значення t2 та занесіть до таблиці.
  11. Відкрийте другий графік, встановіть на ньому курсор, зчитайте мінімальне значення температури t3 та занесіть до таблиці.
  12. Оберіть вбудований датчик освітленості та невелику тривалість вимірювань.
  13. Спрямуйте датчик у напрямку Сонця. Натисніть кнопку «Старт».
  14. Установіть Перший курсор на графік освітленості, зчитайте середнє значення освітленості E та занесіть його до таблиці.

Аналіз даних

  1. Розрахуйте висоту Сонця на горизонтом за виразом .
  2. Розрахуйте значення температури t4 = t2+(t2t3), яку мав би циліндр при відсутності розсіювання тепла в довколишній простір. Результат занесіть до таблиці.
  3. Розрахуйте інтегральну теплову потужність, що припадає на одиницю площі, за виразом: , де с – питома теплоємність речовини циліндра, m – маса циліндра, τ – час опромінення (250 с), S – площа поверхні циліндра. Дані про циліндр візьміть з напису на приладі. Результат занесіть до таблиці.
  1. Розрахуйте загальну потужність випромінювання Сонця P, враховуючи, що воно випромінює у сферу, радіус якої дорівнює відстані між Землею та Сонцем (1,5 *1011 м). Результат занесіть до таблиці.
  2. Розрахуйте «світлову віддачу» Сонця за виразом (1). Результат занесіть до таблиці.
  3. Занотуйте висновки дослідження.

Таблиця результатів

h(м) l(м) α° t1(°C) t2(°C) t3(°C) t4(°C) a(Вт/м2) P(Вт) η