Солнечная энергия источник для процессов происходящих на поверхности: Впиши пропущенное слово в определение: Солнечная энергия —

1 Солнечное излучение

Энергия
Солнца является источником жизни на
нашей планете. Солнце нагревает атмосферу
и поверхность Земли. Благодаря солнечной
энергии дуют ветры, осуществляется
круговорот воды в природе, нагреваются
моря и океаны, развиваются растения,
животные имеют корм (см. рис.1.1). Именно
благодаря солнечному излучению на Земле
существуют ископаемые виды топлива.

Рисунок
1.1 – Влияние солнечного излучения на
Землю

Солнечная
энергия может быть преобразована в
теплоту или холод, движущую силу и
электричество. Основным источником
энергии практически всех природных
процессов, происходящих на поверхности
Земли и в атмосфере, является энергия,
поступающая на Землю от Солнца в виде
солнечной радиации.

На
рисунке 1.2 представлена классификационная
схема, которая отражает процессы,
возникающие на поверхности Земли и в
ее атмосфере под действием солнечного
излучения.

Результатами
прямой солнечной деятельности являются
тепловой эффект и фотоэффект, вследствие
чего Земля получает тепловую энергию
и свет. Результатами косвенной деятельности
Солнца являются соответствующие эффекты
в атмосфере, гидросфере и геосфере,
служащие причиной появления ветра,
волн, обуславливающие течение рек,
создающие условия для сохранения
внутреннего тепла Земли.

Рисунок
1.2 — Классификация возобновляемых
источников энергии

Солнце
представляет собой газовый шар радиусом
695300 км, в 109 раз больше радиуса Земли, с
температурой излучающей поверхности
около 6000°С. Внутри Солнца температура
достигает 40 млн °С.

На
рисунке 1.3 приведена схема строения
Солнца. Солнце
— гигантский «термоядерный реактор»,
работающий на водороде и ежесекундно
путем плавления перерабатывающий 564
млн. тонн водорода в 560 млн. тонн гелия.
Потеря четырех миллионов тонн массы
равна 9:1-10⁹
ГВтч
энергии (1 ГВт равен 1 млн. кВт). За одну
секунду энергии производится больше,
чем шесть миллиардов АЭС смогли бы
произвести за год. Благодаря защитной
оболочке атмосферы только часть этой
энергии достигает поверхности Земли.

Расстояние
между центрами Земли и Солнца равно в
среднем 1,496*10⁸
км.

Ежегодно
Солнце
посылает к Земле около 1,610¹⁸
кВтч
лучистой энергии или 1,3*10²⁴
кал тепла. Это в 20 тыс. раз больше
современного мирового энергопотребления.
Вклад Солнца
в энергетический баланс земного шара
в 5000 раз превышает суммарный вклад всех
других источников.

Такого
количества тепла хватило бы, чтобы
растопить слой льда толщиной 35 м,
покрывающий земную поверхность при
0°С.

В
сравнении с солнечной радиацией все
остальные источники энергии, поступающей
на Землю, ничтожно малы. Так, энергия
звезд составляет одну стомиллионную
часть солнечной энергии; космическое
излучение — две миллиардные доли.
Внутреннее тепло, поступающее из глубины
Земли на ее поверхность составляет одну
десятитысячную часть солнечной энергии.

Рисунок
1.3 – Схема строения Солнца

Таким
образом. Солнце является фактически
единственным источником тепловой
энергии на Земле.

В
центре Солнца находится солнечное ядро
(см. рис. 1.4). Фотосфера — это видимая
поверхность Солнца, которая и является
основным источником излучения. Солнце
окружает солнечная корона, которая
имеет очень высокую температуру, однако
она крайне разрежена, поэтому видима
невооружённым глазом только в периоды
полного солнечного затмения.

Видимая
поверхность Солнца, излучающая радиацию
называется фотосферой (сфера света).
Она состоит из раскаленных паров
различных химических элементов,
находящихся в ионизированном состоянии.

Над
фотосферой находится светящаяся
практически прозрачная атмосфера
Солнца, состоящая из разряженных газов,
которая называется хромосферой.

Над хромосферой
располагается внешняя оболочка Солнца,
называемая короной.

Газы,
образующие Солнце, находятся в состоянии
непрерывного бурного (интенсивного)
движения, что обусловливает появление
так называемых солнечных пятен, факелов
и протуберанцев.

Солнечные
пятна представляют собой большие
воронки, образовавшиеся в результате
вихревых движений масс газа, скорость
которых достигает 1-2 км/с. Температура
пятен на 1500°С ниже температуры Солнца
и составляет около 4500°С. Количество
солнечных пятен изменяется из года в
год с периодом около 11 лет.

Рисунок
1.4 — Строение Солнца

Солнечные
факелы это выбросы солнечной энергии,
а протуберанцы — колоссальной силы
взрывы в хромосфере Солнца, достигающие
высоты до 2 млн. км.

Наблюдения
показали, что с увеличением количества
солнечных пятен увеличивается количество
факелов и протуберанцев и соответственно
увеличивается солнечная активность.

С
увеличением солнечной активности на
Земле происходят магнитные бури, которые
оказывают отрицательное воздействие
на телефонную, телеграфную и радиосвязь,
а также на условия жизнедеятельности.
С этим же явлением связано увеличение
полярных сияний.

Следует
отметить, что в период увеличения
солнечных пятен, интенсивность солнечной
радиации сначала увеличивается, что
связано с общим увеличением солнечной
активности в начальный период, а затем
солнечное излучение уменьшается, так
как увеличивается площадь солнечных
пятен, имеющих температуру на 1500° ниже
температуры фотосферы.

Часть
метеорологии, изучающая влияние солнечной
радиации на
Земле и в
атмосфере, называется актинометрией.

При
актинометрических работах необходимо
знать положение Солнца на небесном
своде. Это положение определяется
высотой или азимутом Солнца.

Высотой
Солнца he
называется угловое расстояние от Солнца
до горизонта, то есть угол между
направлением на Солнце и плоскостью
горизонта.

Угловое
расстояние Солнца от зенита, то есть от
его вертикального направления называется
азимутом или зенитным расстоянием.

Между высотой и
зенитным расстоянием существует
соотношение

(1.1)

Азимут Солнца
определяется редко, только для специальных
paбот.

Высота
Солнца над горизонтом определяется по
формуле:

(1.2)

где
—
широта места наблюдений;

—
склонение Солнца — это дуга круга
склонений от экватора до Солнца, которая
отсчитывается в зависимости от положения
Солнца в обе стороны от экватора от 0 до
±90°;

t
— часовой
угол Солнца или истинное солнечное
время в градусах.

Величина склонения
Солнца на каждый день приводится в
астрономических справочниках за
многолетний период.

По формуле (1.2)
можно вычислить для любого времени t
высоту Солнца he
или по заданной высоте hc
определить время, когда Солнце бывает
на данной высоте.

Максимальная
высота Солнца в полдень для различных
дней года вычисляется по формуле:

(1.3)

Солнце и атмосфера

Солнечная радиация — главный экологически чистый источник энергии практически для всех физических процессов, происходящих на Земле и в атмосфере. Энергия Солнца обусловливает жизнедеятельность организмов, возникновение облаков и осадков, перенос воздушных масс. Использование солнечной энергии имеет огромное значение в хозяйственной деятельности человека и служит залогом успеха в сельскохозяйственном производстве.

Солнце — самая близкая к нам звезда. Оно излучает в мировое пространство огромное количество энергии На внешнюю границу атмосферы Земли поступает только 1/2200 000 000-я часть солнечного излучения.

Солнечное излучение распространяется по всем направлениям в виде электромагнитных волн со скоростью около 300 000 км/с. Распределение лучистой энергии по длинам волн называется электромагнитным спектром. Спектр излучения Солнца в широком диапазоне длин волн близок к спектру излучения абсолютно черного (т. е. полностью поглощающего падающую на него радиацию) тела при температуре около 6000 К. Такая высокая температура служит причиной того, что 99% всей энергии приходится на излучение с длинами волн от 0,10 до 4 микрометров.

На верхней границе атмосферы почти половина солнечной энергии (47%) приходится на достаточно узкий видимый участок спектра. Максимум в спектре Солнца также лежит в видимой области — в ее зелено-голубой части на длине волны 0,475 мкм. Инфракрасная радиация составляет 44%, а ультрафиолетовая — всего 9%.

Земля вращается вокруг Солнца по своей орбите так, что ось вращения образует с плоскостью орбиты угол 66,5°. Наклоном оси вращения и объясняется смена времен года, а также неодинаковая продолжительность дня и ночи на различных широтах. Вращение Земли вокруг собственной оси приводит к смене дня и ночи.

Расстояние Земли от Солнца в среднем равно 149,6 млн. км. Земля вращается вокруг Солнца по орбите, представляющей собой слабовытянутый эллипс, в одном из фокусов которого находится Солнце, поэтому расстояние между Землей и Солнцем все время меняется. В результате этого в начале января Земля получает на 3,3% больше, а в начале июля на 3,3% меньше радиации, чем при среднем расстоянии. Таким образом, зимой в Северном полушарии на Землю поступает больше радиации (максимально на 6,6%), чем зимой в Южном полушарии, а летом — наоборот.

Количество радиации, поступающее на единицу поверхности в единицу времени, называется энергетической освещенностью, которая измеряется в ваттах (Вт) на 1 м2. На верхней границе атмосферы на единицу площади, расположенной перпендикулярно солнечным лучам, при среднем расстоянии Земли от Солнца приходит 1,367 кВт/м2 (I кВт/м2 = 1000 Вт/м-). Эта величина называется солнечной постоянной. Спутниковые измерения показали, что ее изменения невелики и она действительно практически постоянна. Радиация, поступающая непосредственно от диска Солнца в виде параллельных лучей, называется прямой солнечной радиацией. Приход ее на горизонтальную поверхность пропорционален синусу угла падения солнечных лучей.

Попадая в атмосферу, прямая радиация претерпевает существенные изменения. Частично она поглощается различными газами, входящими в состав воздуха (озон 03, водяной пар Н20, углекислый газ С02), и аэрозолями (особенно сильно — частицами сажи), а также рассеивается молекулами воздуха, аэрозолями и облачными частицами. Поглощение прямой солнечной радиации различных длин волн неодинаково. Наиболее существенно ультрафиолетовая радиация поглощается стратосферным озоном, а радиация красной и инфракрасной областей спектра — водяным паром, основная часть которого сосредоточена в нижней тропосфере. Из-за наличия озонового слоя в стратосфере коротковолновая граница солнечного спектра обрывается на длине волны 0,29 мкм, а радиация с длинами волн короче 0,32 мкм приходит к земной поверхности сильно ослабленной.
Озон и углекислый газ имеют слабые полосы поглощения в видимом и инфракрасном участках спектра. Водяным паром и аэрозолями поглощается около 15% солнечной радиации, облаками — примерно 5%, а озоном — 3%

Часть прямой солнечной радиации рассеивается по всем направлениям молекулами воздуха и аэрозолями, каплями и кристаллами, образующими облака: вниз — к земной поверхности и вверх — в космос. Рассеянная радиация в отличие от прямой поступает на земную поверхность из всех точек небесного свода. Рассеивание в атмосфере солнечной радиации способствует освещению тех мест, куда не попадают прямые солнечные лучи. Наиболее сильно рассеивается радиация коротких длин волн и тем сильнее, чем меньше размеры рассеивающих частиц. Самыми мелкими частицами в атмосфере являются молекулы воздуха (104 мкм). Только на очень крупных аэрозольных частицах, каплях и кристаллах облаков (1 — 2 мкм) радиация всех длин волн рассеивается одинаково. Поэтому у земной поверхности максимум в спектре рассеянной радиации приходится на синие лучи, в то время как в спектре прямой радиации он смещается на желто-зеленые. Голубой цвет неба — это цвет чистого, незапыленного воздуха. С увеличением высоты цвет неба становится более синим. В стратосфере, где рассеивание происходит в основном только на молекулах воздуха, а плотность его невелика, цвет неба черно-фиолетовый. По наблюдениям космонавтов, на высотах 300 км небо черное, при этом даже днем хорошо видны звезды. При сильном замутнении воздуха крупными аэрозольными частицами цвет неба становится белесым. По этой же причине освещенные Солнцем облака мы видим белыми.

Ослабление солнечной радиации существенно зависит от пути, проходимого ею в атмосфере. Меньше всего этот путь при высоте Солнца 90°, когда оно стоит в зените. Однако такие условия наблюдаются лишь на экваторе в дни солнечных равноденствии, на широте тропиков (ср = 23°27′) в день летнего солнцестояния и на промежуточных между экватором и тропиками широтах дважды в период между весенним и осенним равноденствиями. Чем ниже высота Солнца, тем больший путь проходит радиация в атмосфере и тем сильнее она ослабляется. При высоте Солнца 30° путь солнечных лучей удваивается по сравнению с высотой Солнца 90°, а сразу же после восхода и перед заходом Солнца этот путь возрастает в десятки раз. У горизонта Солнце становится почти красным. Это означает, что в его спектре присутствует главным образом красная и инфракрасная радиация. Выше всего Солнце стоит в полдень, поэтому на это время дня приходится максимум солнечной радиации. Наибольшие величины прямой радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, наблюдаются при больших высотах Солнца в малозапыленном воздухе. Например, в Москве при высоте Солнца 56° она составляет 0,80 кВт/мг, а в горах на высотах 4 — 5 км может достигать 1,00 кВт/мг.

Сумма прямой и рассеянной радиации, приходящей на горизонтальную поверхность, называется суммарной радиацией. В летний полдень в Москве при безоблачном небе на долю прямой радиации приходится 80%, на долю рассеянной — всего 20%. Максимум суммарной радиации наблюдается летом при ярких белых кучевых облаках, не закрывающих диск Солнца. При сплошной плотной облачности прямая радиация не доходит до земной поверхности и суммарная радиация равна рассеянной. Солнечная радиация, поступающая на земную поверхность, частично ею отражается. Отражательные свойства той или иной поверхности определяются ее цветом, шероховатостью, увлажненностью и характеризуются величиной альбедо (от лат. albedo — белизна). Альбедо — это как бы степень белизны.

Эта величина определяется в процентах и показывает, какая часть падающей радиации отражается от поверхности. Поверхности, имеющие светлую, особенно белую, окраску, в основном отражают солнечную радиацию. Чем темнее окраска поверхности, тем большую часть солнечной радиации она поглощает и тем самым нагревается. Сажа, например, почти полностью поглощает падающую на нее радиацию. Гладкие поверхности отражают больше солнечных лучей, чем шероховатые. Увлажнение поверхности уменьшает их отражательную способность.

Самые высокие значения альбедо (90 — 95%) отмечаются у свежевыпавшего чистого и сухого снега вдали от промышленных районов, например в Арктике и Антарктиде. Поскольку снежный покров редко бывает совершенно чистым, то его альбедо, как правило, не превышают 70 — 80%, а в случае влажного загрязненного снега уменьшаются до 50% и ниже. Альбедо светлых песчаных почв составляет 40%; влажных черноземных почв — 5%; растительного покрова — 10 — 25%. Альбедо поверхности Мирового океана в среднем равно 5 — 20%. Отражение прямой радиации от гладкой водной поверхности зависит от угла падения солнечных лучей. При больших высотах Солнца альбедо здесь составляет всего несколько процентов, так как значительная часть приходящей радиации проникает в верхние слои водоемов и там в основном поглощается. При низких высотах Солнца, когда лучи зеркально отражаются от водной поверхности и не проходят вглубь, альбедо увеличивается до 70%. Альбедо водных поверхностей для рассеянной радиации составляет 5 — 10%. Альбедо верхней поверхности облаков может достигать 70 — 80%, составляя в среднем 50 — 60%. Часть отраженной от земной поверхности радиации переотражается молекулами воздуха, аэрозолями и особенно облаками и возвращается к ней в виде дополнительного потока рассеянной радиации.

Озоновый слой — естественный щит Земли, оберегающий ее от «жесткой» солнечной радиации. Благодаря ему возможно существование жизни на Земле. В настоящее время ученые обеспокоены сокращением озонового слоя. Известны озоновые «дыры» над Антарктидой.

2. Энергия в физических процессах

Версия на испанском языке
также доступна »

Преподавание энергии и физических процессов опирается на 7 ключевых концепций:

2.1 Земля постоянно меняется, поскольку энергия течет через систему. Геологические, ископаемые и ледовые записи свидетельствуют о значительных изменениях на протяжении всей истории Земли. Эти изменения всегда связаны с изменениями потока энергии через земную систему. Этому изменению способствовали как живые, так и неживые процессы.

Есть еще 6 основных понятий. Посмотреть их все…

Скрыть

2. 2 Солнечный свет, гравитационный потенциал, распад радиоактивных изотопов и вращение Земли являются основными источниками энергии, управляющими физическими процессами на Земле. Солнечный свет является внешним по отношению к Земле источником, тогда как радиоактивные изотопы и гравитационный потенциал, за исключением приливной энергии, являются внутренними. Радиоактивные изотопы и гравитация работают вместе, чтобы производить геотермальную энергию под поверхностью Земли. Вращение Земли влияет на глобальные потоки воздуха и воды.

2.3 Погода и климат Земли в основном определяются энергией Солнца. Например, неравномерное нагревание поверхности Земли и атмосферы Солнцем вызывает конвекцию в атмосфере, вызывая ветры и влияя на океанские течения.

2.4 Вода играет важную роль в хранении и передаче энергии в системе Земля. Основная роль воды обусловлена ​​ее распространенностью, высокой теплоемкостью и тем, что на Земле регулярно происходят фазовые переходы воды. Солнце обеспечивает энергию, которая управляет круговоротом воды на Земле.

2.5 Движение вещества между резервуарами обусловлено внутренними и внешними источниками энергии Земли. Эти движения часто сопровождаются изменением физических и химических свойств вещества. Углерод, например, встречается в карбонатных породах, таких как известняк, в атмосфере в виде углекислого газа, в воде в виде растворенного углекислого газа и во всех организмах в виде сложных молекул, которые контролируют химию жизни. Энергия управляет потоком углерода между этими различными резервуарами.

2.6 Парниковые газы влияют на поток энергии через систему Земли. Парниковые газы в атмосфере, такие как углекислый газ и водяной пар, прозрачны для большей части падающего солнечного света, но не для инфракрасного света от нагретой поверхности Земли. Эти газы играют важную роль в определении средних глобальных приземных температур. Когда Земля излучает столько же энергии, сколько поглощает, ее средняя температура остается стабильной.

2.7 Последствия изменений в энергетической системе Земли часто проявляются не сразу. Реакция на изменения в энергетической системе Земли, вход и выход, часто заметна только в течение месяцев, лет или даже десятилетий.

Энергия питает систему Земли

Вулканические огненные фонтаны извергаются в Мауна-Улу в 1969 году, демонстрируя внутреннее тепло Земли. Изображение предоставлено Геологической службой США.

Когда учащиеся узнают о процессах на Земле, они обычно сосредотачиваются на самих процессах, таких как тектоника плит, приливы или течения. Эти идеи иллюстрируют, как все процессы на Земле управляются энергией. Перенос энергии можно рассматривать как движущую силу земной системы.

Большая часть энергии в системе Земли поступает всего из нескольких источников: солнечной энергии, гравитации, радиоактивного распада и вращения Земли. Солнечная энергия управляет многими поверхностными процессами, такими как ветры, течения, гидрологический цикл и климатическая система в целом. Гравитация заставляет реки и другие материалы течь вниз по склону и создает приливы (из-за гравитационного притяжения Луны). Радиоактивный распад создает тепло в недрах Земли, а силы вращения Земли влияют на потоки воздуха и воды.

Эти идеи в значительной степени пересекаются с Принципами 1 и 2 климатической грамотности. Принцип 1 климатической грамотности фокусируется на Солнце как на основном источнике энергии для климатической системы Земли, а Принцип 2 климатической грамотности объясняет, что парниковые газы влияют на энергетический баланс Земли. Земля. Углекислый газ и другие парниковые газы задерживают исходящую радиацию, которая в противном случае вышла бы за пределы земной системы, тем самым нагревая атмосферу. Он также обобщает углеродный цикл через различные поглотители и источники углерода.

Энергетические потоки могут меняться со временем

На этой карте показан снимок моделей ветра, дующего над США.

Потоки энергии на Земле могут принимать разные формы. В некоторых случаях потоки энергии постоянны, например, при распаде естественных радиоактивных материалов внутри Земли. Этот процесс выделяет тепло недрам Земли, что помогает управлять движением тектоники плит с довольно постоянной скоростью.

В других случаях потоки энергии могут изменяться во времени, например, в углеродном цикле. Энергия управляет потоком углерода между различными резервуарами. Углерод может существовать в карбонатных породах (таких как известняк), в запасах ископаемого топлива (таких как уголь, нефть или природный газ), в атмосфере, в океанах или в молекулах биологических организмов. Крупномасштабное сжигание ископаемого топлива удаляет накопленный органический углерод из земной коры и выбрасывает углекислый газ в атмосферу. Это изменило состав атмосферы, так что она более эффективно улавливает уходящее тепло. Таким образом, люди изменили естественный энергетический баланс Земли.

Даже без людей на Земле произошли изменения в энергетическом балансе. В течение геологического времени произошли резкие изменения в потоке энергии через Землю. Например, Земля была полностью расплавлена ​​в начале своей геологической истории и была покрыта льдом в докембрийский период. Когда-то Солнце было на 30% тусклее, чем сегодня.

Исследуйте эти идеи в контексте Учения о ранней Земле.

Эти драматические изменения иллюстрируют, как меняющиеся потоки энергии через земную систему изменили ход истории Земли. Студенты могут оценить, как на энергетический баланс планеты повлияло как природное, так и человеческое влияние.

 

Помочь учащимся понять эти идеи

Сопутствующее видео Министерства энергетики
Посмотреть версию этого видео не на YouTube

Эти концепции довольно тонкие. Гораздо легче понять знакомый наблюдаемый физический процесс, чем понять энергию, которая им управляет. Начните с процессов, в которых энергию легко наблюдать, таких как извержения вулканов или ураганы. Оттуда студенты могут оценить, как энергия является частью почти каждого процесса на Земле. Предложите учащимся использовать концептуальную карту, чтобы связать процесс с задействованными типами энергии. Вернитесь к Энергетическому Принципу 1 за списком различных форм энергии.

В качестве альтернативы преподаватели могут использовать системный подход. Используя гидросферу в качестве одного из примеров, учащиеся могут изучить, как энергия поглощается на протяжении всего цикла. Солнечная энергия вызывает испарение; неравномерный нагрев Земли вызывает движение воздушных масс; Силы Кориолиса помогают штормам обрести форму; и гравитация заставляет реки течь вниз по склону. Другим важным фактором является высокая теплоемкость (или удельная теплоемкость) воды. Это означает, что для изменения температуры воды требуется много энергии. Этот смягчающий эффект позволяет водной среде оставаться при относительно стабильной температуре по сравнению с воздухом. Это также объясняет, почему в районах вблизи больших водоемов температура умеренная с меньшим количеством экстремальных температур, чем в районах, удаленных от воды.

При обучении изменению климата подумайте о том, как потепление атмосферы влияет на другие процессы, такие как бури, волны тепла и другие формы экстремальных погодных явлений. Благодаря высокой теплоемкости воды океаны могут поглощать большую часть тепла, вызванного изменением климата. Но какие еще последствия это имеет?

Еще один способ связать эти идеи с изучением изменения климата — посмотреть на альбедо. Эта концепция исследует, как энергия Солнца может поглощаться поверхностью Земли или отражаться от нее и отражаться обратно в космос. Снег и лед отражают большую часть поступающей радиации. Более темные поверхности, такие как открытый океан и голая земля, поглощают больше энергии. По мере отступления ледников и таяния морского льда потеря площади, покрытой льдом, способствует дальнейшему потеплению. Это один из примеров самоусиливающегося цикла обратной связи.

 

Внедрение этих идей в классную комнату

Связанные учебные материалы

Картографирование концепций

Визуализация энергетического баланса процессов, чтобы учащиеся познакомились с идеей о том, что энергия является неотъемлемой частью почти всех процессов на Земле. Обучение потоку энергии в системах является одним из способов поощрения системного мышления у учащихся.

Поскольку эти идеи могут быть абстрактными, педагогические методы, которые воплощают их в жизнь, полезны. Визуализация и моделирование могут выявить скрытые процессы в работе. Картирование понятий может помочь учащимся найти связь между причиной и следствием. Студенты могут даже принять стратегию ролевой игры, чтобы стать атомом углерода или тропическим штормом. Как только учащиеся познакомятся с идеей о том, что энергия присуща земным процессам, эти принципы могут быть включены во многие темы наук о Земле.

Учебные материалы из коллекции CLEAN

Средняя школа

• Удивительное альбедо — это лаборатория, в которой учащиеся используют термометры, белую и темную бумагу и лампы для измерения различий в альбедо. Установлены связи с альбедо в Антарктиде.
• Геотермальная энергия: использование силы Земли — в этом коротком видеоролике объясняется, как геотермальная энергия используется, преобразуется в пар, транспортируется в генераторы и преобразуется в электричество.

Средняя школа

• Визуализация «Земля — это система» помогает объяснить, почему понимание Земли как интегрированной системы компонентов и процессов необходимо для естественнонаучного образования. Видео «Удар по солнечному балансу» использует красочную анимацию, чтобы проиллюстрировать энергетический баланс Земли.
• Что делает парниковый газ парниковым газом? и почему некоторые молекулы поглощают энергию? предложить учащимся два интерактивных способа (компьютерное моделирование и построение модели на практике) для изучения того, как газы могут улавливать тепло.
• Анимация «Ветер и циркуляция океана» иллюстрирует поток энергии, который течет от атмосферных ветров к течениям океана. Высокое качество анимации привлекает внимание и было бы очень полезно для объяснения сложных процессов, которые трудно себе представить.
• В задании «Ураганы как тепловые двигатели» учащиеся изучают влияние ураганов на температуру поверхности моря, чтобы понять, как ураганы извлекают тепловую энергию с поверхности океана.

Колледж

Сопутствующие учебные материалы

Обучение системному мышлению для студентов колледжей

Обучение сложным системам с помощью STELLA

• Почему изменение климата делает штормы сильнее. В этом видео показано, как повышение температуры в Арктике влияет на путь струйное течение, сила штормов и продолжительность отдельных погодных явлений.
• Упражнение «Моделирование энергетического баланса Земли» использует программу моделирования STELLA Box для определения температуры Земли на основе входящего и исходящего излучения, альбедо и сложной атмосферы со скрытыми и явными потоками тепла.
• Анимация «Парниковые газы — ИК-спектры» позволяет учащимся исследовать инфракрасные спектры парниковых газов и изображать спектры поглощения. Также могут быть наложены вибрационные моды и энергетический спектр Земли.

Найдите задания и наглядные материалы для преподавания этой темы

Поиск по уровню обучения: средняя школа введение в среднюю школу колледж старшие классы колледжа поиск по всем уровням обучения

« Предыдущая страница      Следующая страница »

Основы солнечного излучения | Министерство энергетики

Солнечное излучение , часто называемое солнечным ресурсом или просто солнечным светом, является общим термином для электромагнитного излучения, излучаемого солнцем. Солнечное излучение можно улавливать и превращать в полезные формы энергии, такие как тепло и электричество, с помощью различных технологий. Однако техническая осуществимость и экономическая эксплуатация этих технологий в конкретном месте зависят от доступного солнечного ресурса.

Основные принципы

Каждое место на Земле получает солнечный свет по крайней мере часть года. Количество солнечной радиации, достигающей любой точки на поверхности Земли, зависит от:

• Географическое положение
• Время суток
• Время года
• Местный ландшафт
• Местная погода.

Поскольку Земля круглая, солнце падает на поверхность под разными углами: от 0° (прямо над горизонтом) до 90° (прямо над головой). Когда солнечные лучи вертикальны, поверхность Земли получает всю возможную энергию. Чем больше наклонены солнечные лучи, тем дольше они проходят через атмосферу, становясь более рассеянными и рассеянными. Поскольку Земля круглая, в холодных полярных регионах солнце никогда не бывает высоко, а из-за наклона оси вращения эти области вообще не получают солнца в течение части года.

Земля вращается вокруг Солнца по эллиптической орбите и в течение части года находится ближе к Солнцу. Когда Солнце находится ближе к Земле, поверхность Земли получает немного больше солнечной энергии. Земля ближе к солнцу, когда лето в южном полушарии и зима в северном полушарии. Однако наличие обширных океанов смягчает более жаркое лето и более холодную зиму, которые можно было бы ожидать в южном полушарии в результате этой разницы.

Наклон оси вращения Земли на 23,5° является более важным фактором, определяющим количество солнечного света, падающего на Землю в определенном месте. Наклон приводит к более длинным дням в северном полушарии от весеннего (весеннего) равноденствия до осеннего (осеннего) равноденствия и более длинным дням в южном полушарии в течение остальных 6 месяцев. День и ночь длятся ровно по 12 часов в дни равноденствий, которые происходят каждый год 23 марта и 22 сентября или около того.

Такие страны, как США, расположенные в средних широтах, получают больше солнечной энергии летом не только потому, что дни длиннее, но и потому, что солнце находится почти над головой. Солнечные лучи гораздо более наклонены в более короткие дни зимних месяцев. Такие города, как Денвер, штат Колорадо (около 40° широты), получают почти в три раза больше солнечной энергии в июне, чем в декабре.

Вращение Земли также отвечает за ежечасные колебания солнечного света. Ранним утром и ближе к вечеру солнце стоит низко над горизонтом. Его лучи проходят через атмосферу дальше, чем в полдень, когда солнце находится в самой высокой точке. В ясный день наибольшее количество солнечной энергии достигает солнечного коллектора около полудня.

Рассеянное и прямое солнечное излучение

Когда солнечный свет проходит через атмосферу, часть его поглощается, рассеивается и отражается:

• Молекулами воздуха
• Водяным паром
• Облаками
• Лесами

Пожарами 9090 909010 Загрязняющими веществами

• Вулканы.

Это называется рассеянным солнечным излучением . Солнечное излучение, которое достигает поверхности Земли, не рассеиваясь, называется прямым лучом солнечного излучения 9.0148 . Сумма рассеянного и прямого солнечного излучения называется глобальным солнечным излучением . Атмосферные условия могут уменьшить прямое излучение луча на 10 % в ясные сухие дни и на 100 % в пасмурные пасмурные дни.

Измерение

Ученые измеряют количество солнечного света, падающего на определенные места в разное время года. Затем они оценивают количество солнечного света, падающего на регионы на той же широте с похожим климатом. Измерения солнечной энергии обычно выражаются как общее излучение на горизонтальной поверхности или как общее излучение на поверхности, отслеживающей солнце.

Данные о излучении для солнечных электрических (фотоэлектрических) систем часто представляются в виде киловатт-часов на квадратный метр (кВтч/м ² ). Прямые оценки солнечной энергии также могут быть выражены в ваттах на квадратный метр (Вт/м ² ).

Данные об излучении для систем солнечного нагрева воды и отопления помещений обычно представлены в британских тепловых единицах на квадратный фут (Btu/ft ² ).

Распределение

Солнечных ресурсов в Соединенных Штатах достаточно для фотоэлектрических (PV) систем, поскольку они используют как прямой, так и рассеянный солнечный свет.