Пособие предназначено для студентов старших курсов педагогических институтов, учителей и учащихся старших классов средней школы.
Полезная направленность занятий по гелиотехнике, изложенная в пособии, очевидна. Указана литература. Помимо методических указаний в тексте даны общие рекомендации по использованию материалов по гелиотехнике в школе, выпускается цветной диафильм „Гелиотехника".
При написании книги много полезных советов и методических указаний было высказано автору Г. Я. Умаровым, членом-корреспондентом АН УзССР, сотрудниками отдела гелиофизики ФТИ АН УзССР Р. Р. Авезо-вым и М. У. Усмановым и сотрудниками Ташкентского пединститута им. Низами Б. М. Мирзахмедовым и У. А. Арифджановым.
Глава I
СОЛНЦЕ - ГЛАВНЫЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИЙ НА ЗЕМЛЕ
Солнце играет огромную роль в жизни человека и является мощным источником света и тепловой энергии, благодаря которым живет и развивается весь органический мир Земли. Солнце влияет на погоду и климат Земли, вызывает магнитные бури и полярные сияния.
В изучении нашей планеты — Земли — огромное значение имел Международный геофизический год (МГГ, 1957 — 1958 гг.). Он был приурочен к периоду максимальной солнечной активности.
Международное сотрудничество по программе МГГ оказалось успешным. На V Ассамблее специального комитета МГГ в августе 1958 г. в Москве советская делегация предложила Международный геофизический год продлить на 1959 г. под названием МГС (Международный год сотрудничества). Это сотрудничество было продолжено ив новый период „спокойного Солнца44 — в 1964 — 1965 гг. под названием Международный год спокойного Солнца (МГСС).
В течение этих трех периодов большое внимание уделялось наблюдению Солнца и его воздействию на процессы на Земле.
Солнце являемся самосветящимся телом — звездой.
В нем сосредоточено 99,866% всей массы солнечной системы. Его масса в 332400 раз больше массы Земли, в 1000 раз
больше массы Юпитера и в 740 раз больше массы остальных планет Солнечной системы. Масса Солнца равна 2,25 1030 кг.
Средняя плотность его вещества равняется 1,41 и составляет 74 средней плотности Земли. Диаметр Солнца равен 1,4 млн. км и в 109 раз больше диаметра Земли.
Солнце находится на расстоянии 149,6 млн. км от Земли.
Его диаметр виден с Земли под углом 32 мин.
Солнце вращается вокруг своей оси. Угловая скорость его вращения различна, и уменьшается от экватора к полюсам. Точки, расположенные на экваторе, совершают полный оборот за 25,38 дня, а точки у полюсов — за 35 дней. Плоскость экватора Солнца наклонена к плоскости орбиты Земли на 7°. Земля пересекает экваториальную плоскость Солнца в июне и декабре.
В одном из своих стихотворений М. В. Ломоносов писал о Солнце:
Там огненны валы стремятся И не находят берегов;
Там вихри пламенны крутятся,
Борющись множество веков;
Там камни, как вода, кипят,
Горящи там дожди шумят.
В противоположность М. В. Ломоносову его современники-многие крупнейшие иностранные астрономы считали Солнце темным шаром, окруженным светящейся атмосферой.
Галилео Галилей (Италия) в 1610 г. с помощью построенной им увеличительной трубы обнаружил на Солнце пятна и по их видимому перемещению заключил, что Солнце вращается вокруг своей оси.
Почти одновременно с Галилеем пятна на Солнце открыли Фабрициус и Шайнер (Германия) независимо друг от друга.
В настоящее время известно, что пятна на Солнце — образования не постоянные. Одни из них возникают и исчезают через 1 — 2 суток, а другие — существуют несколько месяцев, непрерывно меняя форму. Они перемещаются вследствие вращения Солнца вокруг своей оси. Пятна появляются по обе стороны экватора Солнца. Выше 45° северной и южной широт они не наблюдаются,
Наблюдать солнечные пятна можно с помощью бинокля или подзорной трубы, защитив глаза хорошо закопченным стеклом. Лучше наблюдать за пятнами, получив изображение Солнца на экран из белой бумаги, или на черный экран астрономической трубы (см. описание к школьной астрономической трубе). На обсерваториях пользуются солнечными лучами, отраженными зеркалами, которые вращаются по ходу Солнца и направляют их в приборы для научных наблюдений. Такие отражатели называются гелиостатами.
В настоящее время на обсерваториях повседневно ведут наблюдения, исследования и фотографирование Солнца. Во многих обсерваториях организованы „службы Солнца", оснащенные новейшими приборами для изучения солнечной активности.
Современное состояние науки о Солнце и его активности позволяет выделить в его строении следующие области (рис. 1):
1. Центральная часть Солнца — ядро, внутри которого происходят термоядерные реакции. Радиус ядра равен 0,3 радиуса Солнца.
Рис. 1. Схематический разрез Солнца и его атмосферы.
2. Зона переноса лучистой энергии — она простирается от 0,3 до 0,9 радиуса Солнца. Средняя температура в этой зоне меньше 5 млн. градусов, а давление — 10 млрд. атмосфер. При этих условиях ядерные реакции происходить не могут. Эта зона только передает излучение, выделившееся в ядре в виде гамма-квантов. Атомы этой зоны ионизируются и сами, пройдя ряд промежуточных состояний, излучают кванты меньших энергий. Происходит как бы дробление жестких квантов на менее энергичные. Получаются рентгеновские, ультрафиолетовые видимые и тепловые лучи.
3. Конвективная зона. На протяжении от 0,9 до 1 радиуса Солнца энергия переносится путем конвекции. В этой зоне излучение не способно перенести весь поток энергии, идущий из глубины Солнца. В переносе энергии принимает участие само вещество Солнца.
4. Фотосфера (фото — свет, сфера — шар). Эта оболочка есть источник всей излучаемой Солнцем энергии в видимой части спектра. Она дает Земле свет и тепло. Толщина этой оболочки 300 км. Непрерывный спектр ее излучения соответствует излучению абсолютно черного тела с температурой 6-103К. Структура фотосферы напоминает тесно расположенные кучевые облака. Эти светлые облака раскаленного газа называются гранулами, а вся структура — грануляцией.
Внутри гранул вещество поднимается, а вокруг самих гранул опускается. Гранулы постоянно изменяются и между ними возникают области, называемые порами. Объединение нескольких пор приводит к образованию пятен. Их температура ниже температуры фотосферы и поэтому пятна выглядят темными. Над пятнами возникают яркие, светлые образования-факелы, температура которых на 200° выше температуры фотосферы.
Над фотосферой расположена солнечная атмосфера: хромосфера и корона.
5. Хромосфера (хрома — цвет, сфера — шар) — область, простирающаяся над фотосферой на 14000 км, имеет температуру 4000 — 5000К. С высотой температура хромосферы повышается и достигает в верхних слоях 20000К. Это происходит благодаря увеличению скорости движения газов вследствие уменьшения их плотности. Хромосфера представляет собой скопление большого числа выступов, называемых спикула-ми, образующих как бы сплошное колеблющееся пламя вокруг фотосферы. Над факелами видны светлые облака газов — флокуллы. Периодически из хромосферы вырываются струи раскаленного газа, так называемые протуберанцы. Часть из них плавает спокойно, а другие части передвигаются со скоростью сотен километров в секунду и поднимаются до высоты радиуса Солнца.
СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ И ЕЕ ИСТОЧНИКИ
Земля получает от Солнца в течение года около 60-101 кВт. ч лучистой энергии. Это более чем в 20 тысяч раз превышает энергетические расходы всего человечества в настоящее время. Меньше 0,001 доли ее используют растения и человек. Многие видыу энергии, которыми пользуется человек — каменный уголь, дерево, поток воды, нефть, торф и др. — не что иное, как преобразованная энергия Солнца. Исключение представляет атомная энергия, энергия приливов и отливов и тепловая энергия земных недр.
Солнце излучает энергию миллиарды лет. Ученые пытались объяснить ее возникновение горением вещества Солнца, сжатием газов массы Солнца, однако расчеты не подтвердили эти объяснения, а наоборот приводили к выводу, что в этих условиях Солнце давно бы истратило свое вещество.
В 1938 г. Г. Бете (США) высказал предположение, что источником энергии Солнца является ядерная реакция. При 20 млн. градусов в центре Солнца и плотности его вещества 115 г/см3 ядра водорода (Н) взаимодействуют с углеродом и образуют изотоп азота и гамма-квант:
За счет гамма-квантов часть энергии излучается. Неустойчивый атом азота через 14 мин. превращается в тяжелый изотоп углерода. При этом один протон превращается в нейтрон, испуская позитрон и нейтрино:
В результате реакции тяжелого изотопа углерода с водородом и поглощения второго протона получается азот и гамма-квант:
В свою очередь азот, поглощая один протон, образует легкий изотоп кислорода и гамма-квант:
где благодаря исчезновению четырех ядер водорода образуется ядро гелия, а бС12 служит только катализатором в данных реакциях.
При превращении 1 кг водорода в гелий получается энергия, равная энергии, выделяемой при сгорании 1500Э т каменного угля.
Термоядерные реакции могут протекать и по протон-про-тонному циклу, когда при слиянии двух ядер водорода образуется дейтон — ядро тяжелого водорода, позитрон и гамма-квант:
iH1 + jH1 — » З2 +e+i (7)
Реакция дейтона с водородом дает легкий гелий и гамма-квант:
1ЯЧ-1Н1-»аНе + 7 (8)
В результате реакции легкого гелия с гелием получается бе-рилий и гамма-квант:
2Не3 + 2Не4 — 4Ве7 + т (9)
Соединение берилия с электроном дает литий и гамма-квант:
4Ве + — 3Li7 + т (10)
После захвата литием водорода получается два атома гелия:
sLP+^-^He4. (11)
Если углеродно-азотный цикл термоядерной реакции может происходить только в центре ядра, то термоядерная реакция протон-протонного цикла может протекать во всем остальном объеме ядра.
ПРОБЛЕМА ЭНЕРГИИ
Материальное и культурное развитие человечества, наука
и техника, дающие ему власть над силами природы, опреде-
ляются количеством энергии, какое оно затрачивает на удовлетворение всех своих потребностей. Или, как принято говорить, определяется его энерговооруженностью, т. е. энергией, которая затрачивается на удовлетворение материальных и культурных нужд каждого человека.
В. И. Ленин в первые годы советской власти при разработке планов восстановления народного хозяйства и построения нового социалистического строя выдвинул лозунг — „Коммунизм — это есть советская власть плюс электрификация всей страны “.
Стремительный рост техники и всего народного хозяйства Советского Союза требует прежде всего развития энергетики и в первую очередь производства электрической энергии.
Новая программа партии, принятая на XXII съезде КПСС, также отводит ведущую роль электрификации страны как основному стержню строительства материально-технической базы коммунизма.
В Основных направлениях развития народного хозяйства СССР на 1976 — 80 гг., рассмотренных на XXV съезде КПСС, большое внимание уделено увеличению объема производства угля, нефти, газа и первое место отводится объему производства электроэнергии, которое должно возрасти с 1038 до> 1340 — 1380 млрд. кВтл. (29 — 33%).
Электрическая энергия в настоящее время получается, в основном, на гидростанциях и тепловых электростанциях, строящихся там, где есть топливные ресурсы (уголь, нефть, газ, сланцы и др.). Известно, что углеродистые запасы энергии не безграничны, и кроме того, такие из них, как уголь, нефть и газ являются ценным сырьем для химической промышленности, поэтому их приходится экономить. В настоящее время строятся АЭС (атомные электростанции) на ядер-ном горючем, но ресурсы его — уран и торий — также ограничены, хотя их запасов хватит на значительно больший срок, чем углеродистого топлива. Термоядерная энергия в перспективе может дать человечеству огромное количество энергии, но пока она не выходит за пределы научных лабораторий ввиду сложности управления ею.
На Земле имеются виды энергии, которые пополняются благодаря процессам, протекающим в природе без участия человека. Ниже дается представление о возобновляемых и невозобновляемых видах энергии.
Запасы возобновляемые (годовые), кВтл:
Энергия солнечного излучения 620000-1012 Энергия ветра 46-1012
Г дроэнергия 32•1012
Древесное и растительное топливо 105-1012
Итого: 620 183-1012
Запасы невозобновляемые (годовые), кВтл: Ядерное горючее 515000-1012
Органическое топливо 58850-1012
Итого: 573850-1012
Однако потребность в энергии значительно опережает рост населения Земли (рис. 2). Это вызывает необходимость непрестанно заниматься изысканием и освоением энергии.
Г ел йоте хник а — раздел физики, занимающийся изучением и освоением солнечного излучения. Рассеянность этого вида энергии и изменение ее в течение суток и года создает большие трудности при ее изучении, однако эта наука добилась больших успехов в нашей стране и за рубежом.
Ученые давно высказывали мысль, что человечество в конце концов должно обратиться к главному источнику энергии на Земле — Солнцу.
Глава II
СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ АКТИНОМЕТРИЯ И ЕЕ ЗАДАЧИ
А к т и н о м е т р и я — составная часть метеорологии, которая занимается измерением потоков лучистой энергии (радиации) и исследованием радиационных свойств поверхностей и сред.
Солнечная радиация, при которой на земную поверхность падают параллельные лучи, называется прямой солнечной радиацией.
Приток солнечной радиации на земную поверхность характеризуется ее интенсивностью (£©). Она оценивается коли-
чеством тепла, в которое превращается радиация, поглощенная 1 см2 поверхности черного тела, установленного перпендикулярно солнечным лучам в одну минуту.
Интенсивность солнечной радиации на границе атмосферы называется солнечной постоянной (5©):
Приход солнечной энергии на горизонтальную поверхность характеризуется инсоляцией (Е), которая также измеряется в
Между инсоляцией и интенсивностью солнечной радиации Е0 существует следующая зависимость:
Солнце как источник излучения энергии обладает многообразием испускаемых волн. Значительное количество энергии Солнца содержится в инфракрасной части спектра. Около половины всей энергии Солнца принадлежит области спектра с длинами волн (от 400 до 700 НМ-1НМ= 10~9^).Эта энергия приходит к поверхности Земли в виде видимого света.
Некоторое количество солнечной энергии поступает невидимо — это ультрафиолетовыелучисдлинойволн 300 — 400НМ. Лучи с меньшей длиной волны до Земли не доходят, так как они поглощаются озоном атмосферы 03. Это спасает Землю от опасных для жизни лучей.
Солнечная радиация поглощается, рассеивается в атмосфере и отражается от облаков и поверхности Земли. Поглощается она главным образом водяными парами, пылью, углекислотой и озоном. Водяной пар поглощает инфракрасные лучи. Максимум солнечной радиации приходится на более короткие волны, и поэтому поглощение атмосферой падающей радиации не велико и нагрев атмосферы незначителен.
Рассеяние радиации происходит под действием мельчайших частиц в воздухе (туман, пыль и молекулы воздуха).
Молекулы воздуха рассеивают лучи коротких волн: синие, фиолетовые и ультрафиолетовые. Фиолетовые лучи человеческий глаз воспринимает слабо, а ультрафиолетовое — невидимы. Поэтому глаз воспринимает небо окрашенным в голубой цвет.
Радиация, поступающая на поверхность Земли от небесного свода, называется рассеянной радиацией. Таким образом, солнечная радиация приходит на поверхность Земли ослабленной. Она зависит от толщины слоя атмосферы — оптической массы, которую проходит радиация. При отвесном падении радиации оптическая масса атмосферы будет наименьшей. Ее принимают за единицу массы. Зависимость оптической массы атмосферы от высоты Солнца над горизонтом приводится ниже:
высота Солнца 9Э° С0° 30° 10° 5° 1° 0°
оптическая масса
атмосферы 1,0 1,2 2,0 5,6 10,4 27,0 35,4
На больших высотах поглощение и рассеивание атмосферой синих и фиолетовых лучей света ослабляется. Поэтому в момент восхода и захода Солнца небо на горизонте принимает оранжевый или красный цвет.
Исследование теплового баланса Земли показывает, что около 40% радиации уходит обратно в мировое пространство вследствие отражения от облаков, 16% радиации поглощается атмосферой, 44% доходит до поверхности (15% падает на сушу и 29% на водную поверхность). Энергия возвращается в мировое пространство в виде теплового и эффективного излучений (рис. 3). Эффективное излучение возникает как разность между потоками тепла от Земли и ее атмосферы вследствие того, что средняя температура атмосферы ниже температуры Земли.
Солнечную радиацию измеряют пиргелиометрами, актинометрами и пиранометрами.
Показания актинометров сверяются со шкалой компенсационного пиргелиометра Онгстрема № 70, который хранится в городе Упсале (Швеция). В Америке в качестве абсолютного прибора принят водоструйный пиргелиометр Аббота. Он показывает интенсивность на 3,5% выше, чем пиргелиометр Онгстрема.
В СССР правильность показаний пиргелиометров устанавливается по пиргелиометрам №№ 212 и 250, которые сверены с эталоном № 70. Эти приборы хранятся в Главной геофизической обсерватории имени А. И. Воейкова в Ленинграде.
ПИРГЕЛИОМЕТР ОНГСТРЕМА
Приемником радиации пиргелиометра Онгстрема (рис. 4) служат две зачерненные пластинки М а N размером 19 X 2 X X 0,02 мм3. Эти пластинки сделаны из сплава, который называется манганином. В его состав входят медь (84%), никель (4%) и марганец (12%). Одна из них подвергается действию радиации, а другая затеняется. Снизу к пластинкам подклеены спаи термоэлементов из меди и константана (сплав 60% меди и 40% никеля). В их цепь включен гальванометр Г. Бели радиация упадет на пластинку М, то термоэлемент нагреется и гальванометр покажет наличие тока (рис. 4). Нагреванием затененной пластинки с помощью тока батареи добиваются того, чтобы стрелка гальванометра вернулась к нулю шкалы.
Внешний вид пиргелиометра показан на рис. 5. В трубке 2 помещена эбонитовая головка пиргелиометра
Рис. 4. Схема компенсационного пиргелиометра.
с приемником радиации 3. Впереди трубка закрыта крышкой с двумя щелями. Одна из щелей перекрывается ширмочкой.
Когда температура полосок будет одинакова, то гальванометр, включенный в цепь термоэлемента, не покажет тока. При затенении одной из пластинок он покажет наличие тока, вследствие разности температур между приемниками радиации.
Нагреванием затененной пластинки током добиваются исчезновения тока. При этом температура полосок станет одинаковой, то есть полоски получат одинаковое количество тепла q. Для освещенной полоски
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКТИНОМЕТР САВИНОВА-ЯНИШЕВСКОГО
Актинометром измеряют величину прямой солнечной радиации, он также может служить контрольным прибором. Приемником здесь является диск, изготовленный из серебряной фольги 1 толщиной 2 мк, диаметром 11 мм. Сторона, обращенная к Солнцу, зачерчена. К нижней стороне через папиросную бумагу прикреплены спаи термоэлектрической батареи из полосок манганина и константана. На рис. 6 показана схема, составленная из 8 элементов. В современных актинометрах применяют 33 и более термоэлементов. Четные спаи приклеены через папиросную бумагу к наружному медному кольцу 2. Приемник с термобатареей находится в массивном корпусе, вставленном в медную трубку, длиной 116 мм. Для защиты от ветра и гашения отражения солнечной радиации от внутренних стенок в трубке имеется пять диафрагм. Диаметр приемного отверстия наружной диафрагмы равен 20 мм, а диаметр наименьшей диафрагмы 10 мм. Приемник расположен на расстоянии 44 мм от нее. На трубке имеются целики для наводки прибора на Солнце. Биметаллический актинометр А. В. Михельсона описан в диафильме Гелиотехника.
KOHEЦ ФPAГMEHTA
|
