Спектр солнечного излучения

Свет — движущаяся энергия

Спектр солнечного излучения образно напоминает клавиатуру пианино. Один ее конец имеет низкие ноты, в то время как другой — высокие. То же самое относится и к электромагнитному спектру. Один конец имеет низкие частоты, а другой — высокие. Низкочастотные волны являются длинными в течение заданного периода времени. Это такие вещи, как радар, телевизор и радиоволны. Высокочастотные излучения — это высокоэнергетические волны с короткой длиной. Это означает, что длина самой волны очень коротка для данного периода времени. Это, например, гамма-лучи, рентгеновские и ультрафиолетовые лучи.

Вы можете думать об этом так: низкочастотные волны похожи на подъем на холм с постепенным поднятием, в то время как высокочастотные волны похожи на быстрый подъем на крутой, почти вертикальный холм. При этом высота каждого холма одинакова. Частота электромагнитной волны определяет, сколько энергии она несет. Электромагнитные волны, которые имеют большую длину и, следовательно, более низкие частоты, несут гораздо меньше энергии, чем с более короткими длинами и более высокими частотами.

Вот почему рентгеновские лучи и ультрафиолетовое излучение могут быть опасными. Они несут так много энергии, что, если попадают в ваше тело, могут повредить клетки и вызвать проблемы, такие как рак и изменение в ДНК. Такие вещи, как радио и инфракрасные волны, которые несут гораздо меньше энергии, на самом деле не оказывают на нас никакого влияния. Это хорошо, потому что вы, конечно, не хотите подвергать себя риску, просто включив стерео.

Видимый свет, который мы и другие животные можем видеть нашими глазами, расположен почти в середине спектра. Мы не видим никаких других волн, но это не значит, что их там нет. На самом деле, насекомые видят ультрафиолетовый свет, но не наш видимый. Цветы выглядят для них совсем по-другому, чем для нас, и это помогает им знать, какие растения посетить и от каких из них держаться подальше.

Плюсы и минусы

К достоинствам солнечной энергетики относятся:

• Экологическая безопасность установок;
• Неисчерпаемость источника энергии в далекой перспективе;
• Низкая себестоимость получаемой энергии;
• Доступность производства энергии;
• Хорошие перспективы развития отрасли, обусловленные развитием технологий и производством новых материалов с улучшенными характеристиками.

Недостатками являются:

• Прямая зависимость количества вырабатываемой энергии от погодные условия, времени суток и времени года;
• Сезонность работы, которую определяет географическое расположение;
• Низкий КПД;
• Высокая стоимость оборудования.

Энергетический баланс Земли

Наша планета излучает из всех потоков обратно в космос в виде теплового излучения соблюдая энергетический баланс Земли. Поэтому она остается почти полностью сбалансированной с точки зрения температуры благодаря тому, как потоки взаимодействуют друг с другом когда солнечная энергия достигает Земли. Это связано с энергетическим балансом Земли. Увеличение выбросов парниковых газов, таких как углекислый газ и метан, приводит к тому, что в космос излучается немного меньше тепла, чем поступающая мощность. Эта разница составляет очень маленькую величину.

Но на протяжении нескольких десятилетий это привело к потеплению климата особенно теплых океанов, хотя это, казалось бы, незначительная сила, равная выходу примерно 1 лампочки на каждый квадратный метр поверхности Земли.

Солнечная энергия и Земля

В верхние слои атмосферы Земли постоянно поступает 174 ПВт солнечного излучения (инсоляции). Около 6 % инсоляции отражается от атмосферы, 16 % поглощается ею. Средние слои атмосферы в зависимости от погодных условий (облака, пыль, атмосферные загрязнения) отражают до 20 % инсоляции и поглощают 3 %.

Атмосфера не только уменьшает количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, но и диффундирует около 20 % с того что поступает, и фильтрует часть его спектра. После прохождения атмосферы около половины инсоляции находится в видимой части спектра. Вторая половина находится преимущественно в инфракрасной части спектра. Только незначительная часть этой инсоляции приходится на ультрафиолетовое излучение.

Солнечное излучение поглощается поверхностью суши, океанами (покрывают около 71 % поверхности земного шара) и атмосферой. Абсорбция солнечной энергии через атмосферную конвекцию, испарение и конденсация водяного пара является движущей силой круговорота воды и управляет ветрами. Солнечные лучи, абсорбированные океаном и сушей, поддерживает среднюю температуру на поверхности Земли, что ныне составляет 14 °C. Благодаря фотосинтезу растений солнечная энергия может превращаться в химическую, которая хранится в виде пищи, древесины и биомассы, которая в конце концов превращается в ископаемое топливо.

Солнечный поток

Из 174 000 ТВт, доставленных на Землю, среднее значение определяется как энергетический баланс на одном квадратном метре земли. Однако эта величина усредняется по всей планете. Из этой мощности, примерно 30% отражается обратно в космос с отражением из-за атмосферы, облаков, океана, суши и льдов.

Оставшиеся 120 000 ТВт или около 70% от первоначальной мощности, которая достигает поверхности нашей планеты нагревает атмосферу. В атмосфере, молекулы парниковых газов поглощают это тепло и их температура повышается. После этого поглощения, газы излучают тепло обратно во всех направлениях. Затем эта тепловая мощность излучается обратно в космическое пространство. Именно это явление нагревает поверхность через естественный парниковый эффект.

Примерно 78 300 ТВт солнечной энергии используются для поддержания тепла атмосферы , чтобы в результате чего средняя температура оставалась на уровне 15°C.

Из исходной входящей солнечной энергии примерно 23% или 40 000 ТВт уходит на испарение воды и проходит гидрологический цикл. Здесь молекулы жидкой воды поглощают входящую энергию и меняют фазу от жидкости к газу. Мощность, потребляемая для испарения этой воды, затем скрыта в движении молекул пара. Молекулы могут затем конденсироваться, создавая дождь, снег и мокрый снег, который заполняет реки через стоки и формируя облака. Облака также выпускают скрытое тепло в атмосферу.

Это позволяет использовать гидроэнергию из которых люди используют ~ 1 ТВт.

Примерно на 1% или 1700 ТВТ превращается в ветер и морские течения.   Это перемещает воздух и воду по всей планете, которые передает тепло, удерживаемое при движении молекул газа или жидкости. Использование энергии ветра осуществляется ветроэнергетикой.

Очень небольшое количество, только около 0,08%, начальной солнечной энергии или 140 ТВт получается путем фотосинтеза, давая жизнь растениям. Фотосинтез позволяет растениям поглощать углерод из атмосферы в виде углекислого газа.

Из этих 140 ТВт почти вся солнечная энергия используется для жизненных сил. Растения получают свой рост от этого фотосинтеза, а затем животные либо едят растения, чтобы получить силу или едят животных, которые едят эти растения. Когда растения и животные умирают, они могут стать ископаемым топливом. Однако для этого требуется значительное время – миллионы лет.

Несмотря на то, что образование ископаемого топлива не является простым, большая часть химических ресурсов, накопленных в этих растениях и животных, распадается на тепло в атмосфере. Ресурсное топливо, используемое людьми, составляет всего около 14 ТВт.

Влияние солнечной радиации на организм человека

Электромагнитный спектр солнечной радиации состоит из инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой частей. Поскольку их кванты обладают различной энергией, то они оказывают разнообразное действие на человека.

1. Результатом воздействия инфракрасного излучения является тепловой эффект, который сопровождается расширением кровеносных сосудов, усилением кровотока и кожного дыхания. Происходит расслабление сосудов и мышц, обладающее болеутоляющим и противовоспалительным эффектом. Мягкое тепло стимулирует образование и усвоение биологически активных веществ.

2. Видимое излучение оказывает значительное фотохимическое действие, благодаря которому в окружающих тканях происходят весьма важные для организма процессы. Именно кванты видимого света активизируют работу зрительного анализатора, и человек видит мир во всём многообразии красок. Солнечный свет активизирует обменные процессы в организме, стимулирует работу коры головного мозга, улучшает эмоциональное состояние человека. Именно свет синхронизирует суточные и сезонные ритмы у человека, определяя время сна и бодрствования. Их нарушение приводит к бессоннице, ухудшению трудоспособности и депрессии.
3. Ультрафиолетовая часть является жизненно важным фактором. Её недостаток приводит к ослаблению иммунитета, обострению хронических заболеваний и функциональным расстройствам нервной системы, тормозит выработку жизненно необходимых веществ.

освещение в помещении

Чрезвычайно велико и гигиеническое значение солнечной радиации. Поскольку видимый свет является решающим фактором в получении информации о внешнем мире, в помещении необходимо обеспечивать достаточный уровень освещённости. Его регламентирование производится согласно СНиП, которые для солнечной радиации составляются с учётом свето-климатических особенностей различных географических зон и учитываются при проектировании и строительстве различных объектов.

Даже поверхностный анализ электромагнитного спектра солнечного излучения доказывает, как велико влияние этого вида радиации на организм человека.

Зоны освещенности – формирование климата

Солнце – источник тепла, который нагревает земную поверхность и окружающий воздух. Солнечный свет, который несет с собой тепло, падает на поверхность планеты на разных широтах под своим углом, что приводит к не равной степени поглощения тепла поверхностью.

Например, в экваториальных широтах угол падения солнечных лучей составляет 90° – поверхность земли получает максимум тепла, а в северных широтах угол падения 30° – эти районы планеты нагреваются меньше.

Благодаря разной степени освещенности формируется определенные пояса освещенности Земли и их границы. Этим определяется разница климата в северных, умеренных и экваториальных широтах земного шара.

Сразу уточним – тепловые пояса и зоны освещенности Земли имеют разные границы и не идентичны. Тепловые пояса прежде всего зависят от горообразования, наличия прибрежных областей – соприкосновение морей и океанов с материками, от разных направлений течения вод в океанах, от распределения воздушных потоков и количества осадков.

Рис. 3. Сколько на Земле поясов освещенности

Почему температура поверхности и воздушных масс на экваторе меняется не так сильно по сравнению с северными широтами? Потому, что угол падения солнечного света на протяжении года изменяется на малую величину.

По итогам выше сказанного – пояса освещенности граничат между собой. Границы поясов освещенности – это параллели в 23,44° и 66,56° северных и южных широт. Иначе эти пограничные линии называются Северным и Южным тропиком, Северным полярным и Южным полярным кругами – это четыре из пяти главных параллелей, отмечаемых на карте.

А как у нас?

Солнечная суммарная радиация в России распределена, на первый взгляд, неожиданно. На территории нашей страны, как ни странно, вовсе не черноморские курорты держат пальму первенства. Самые большие дозы солнечного излучения приходятся на территории, пограничные с Китаем, и Северную Землю. В целом солнечная радиация в России особой интенсивностью не отличается, что вполне объясняется нашим северным географическим положением. Минимальное количество солнечного света достается северо-западному региону – Санкт-Петербургу вместе с прилегающими районами.

Солнечная радиация в России уступает показателям Украины. Там больше всего ультрафиолета достается Крыму и территориям за Дунаем, на втором месте — Карпаты с южными областями Украины.

Суммарная (к ней относится и прямая, и рассеянная) солнечная радиация, попадающая на горизонтальную поверхность, приводится по месяцам в специально разработанных таблицах для разных территорий и измеряется в МДж/м2. Например, солнечная радиация в Москве имеет показатели от 31-58 в зимние месяцы до 568-615 летом.