Сонячна енергія, Сонце як джерело енергії

27.08.2015

Сонце — джерело енергії

Про сонце та його енергії написані сотні книг. Про нього пишуть фізики і хіміки, астрономи і астрофізики, географи і геологи, біологи й інженери. І в цьому немає нічого дивного. Адже сонце є джерелом життя для всього земного. Сонце випаровує воду з океанів, морів, з земної поверхні. Воно перетворює цю вологу у водяні краплі, утворюючи хмари і тумани, а потім змушує її знову падати на Землю у вигляді дощу, снігу, роси або інею, створюючи, таким чином, гігантський кругообіг вологи в атмосфері. Сонячна енергія є джерелом загальної циркуляції атмосфери і циркуляції води в океанах. Вона ніби створює гігантську систему водяного і повітряного опалення нашої планети, перерозподіляючи тепло по земній поверхні. Сонячне світло, потрапляючи на рослини, викликає у нього процес фотосинтезу, визначає ріст і розвиток рослин; потрапляючи на грунт, він перетворюється в тепло, яке нагріває її, формує ґрунтовий клімат, даючи тим самим життєву силу знаходяться в грунті насіння рослин, мікроорганізмів і населяють її живим істотам, які без цього тепла перебували в стані анабіозу (сплячки).

А хіба могли б обійтися без сонця люди і тварини? Звичайно, немає. Вони, якщо не прямо, то побічно залежать від нього, оскільки не можуть жити без води і без їжі. Отже, Сонце – це основне джерело енергії на землі і першопричина, яка створила більшість інших енергетичних ресурсів нашої планети, таких як запаси кам’яного вугілля, нафти, газу, енергії вітру, падаючої води, електричної енергії і т. д. Енергія Сонця, яка в основному виділяється у вигляді променистої енергії, так велика, що її важко навіть собі уявити. Досить сказати, що на Землю надходить лише одна двохмільярдна частка цієї енергії, але вона становить близько 2,5 *10 18 кал./мін. порівняно з цим всі інші джерела енергії, як зовнішні (випромінювання місяця, зірок, космічні промені), так і внутрішні (внутрішні тепло Землі, радіоактивне випромінювання, запаси кам’яного вугілля, нафти і т. д.) зневажливо малі. Сонце — найближча до нас зірка представляє собою величезний світний газова куля, діаметр якого приблизно в 109 разів більше діаметру Землі, а його обсяг більше обсягу Землі приблизно в 1 млн. 300 тис. разів. Середня щільність Сонця складає близько 0,25 від щільності нашої планети.

Сонячна енергія, Сонце як джерело енергії

Оскільки сонце не твердий, а газовий кулю, говорити про його розмірах слід умовно, розуміючи під ними розміри видимого із Землі сонячного диска. Внутрішня частина сонця не доступна спостереженню. Вона являє собою своєрідний атомний котел гігантських розмірів, де під тиском близько 100 мільярдів атмосфер відбуваються складні ядерні реакції, під час яких водень перетворюється в гелій. Вони-то і є джерелом енергії сонця. Температура всередині сонця оцінюється в 16 мільйонів градусів. Про те, що це температура, англійський учений Д. Джинс в книзі «Всесвіт навколо нас» говорить наступні: «… булавочная головка речовини, нагрітого до температури, яка панує в центрі сонця, випромінювала стільки тепла, що людина, що знаходиться на відстані 150 км від неї згорів би миттєво». Газ, який вирує в надрах Сонця, не тільки надзвичайно гарячий, але і дуже важкий. Його щільність в 11,4 рази перевищує щільність Сонця. Настільки величезне підвищення (а не зниження) температури сонячних газів по мірі віддалення від сонця вчені пояснюють виникненням ударних хвиль, які народжуються жахливою силою шумом, який відбувається на поверхні світила. Сучасні дослідження космічних станцій показують, що гази сонячної корони заповнюють всі міжпланетний простір сонячної системи. Газові частинки, безперервно випромінює сонячною короною (корпускули), утворюють у міжпланетному просторі своєрідний «сонячний вітер». Про деякі властивості цього вітру можна дізнатися, спостерігаючи поведінку комет або магнітне обурення у верхніх шарах атмосфери, розташованих поблизу магнітних полюсів Землі.

Швидкість газових часток, що утворюють «сонячний вітер» 300 – 500, а за деякими даними навіть 800 км в секунду. Завдяки цьому «вітру» Сонце безперервно втрачає не тільки енергію, але й масу. Він щорічно забирає від Сонця близько 1,4 *10 13 тонн речовини. Але, хоча ця цифра і астрономічна, втрати сонячної матерії, порівняно із загальною масою Сонця, так малі, що можуть призвести до зменшення її на 1% лише через 100 мільярдів років. Земля, як, втім, і всі планети сонячної системи оточена не безповітряним холодним простором, а розпеченим корональным газом, температура якого досягає десятків тисяч градусів. Верхній розряджений шар атмосфери Землі (екзосфера) як би зливається з цим потоком, що летять від сонця гарячих газів. Тому і температура часток повітря тут сягає сотень градусів нижче нуля.

Крім газових частинок (корпускул), які, як я сказав, летять від Сонця зі швидкістю 300 – 500 і більше км/сек. і досягають поверхні Землі приблизно через 8 – 10 хвилин, Сонце випромінює енергію у вигляді електромагнітних хвиль різної довжини і частоти, починаючи від декількох Ангстрем (1 мікрон = 10000 Ангстрем) і закінчуючи дуже довгими радіохвилями. Основна частина приходить на Землю сонячної радіації лежить в межах 0,17 – 24 мікрона, причому 99% цієї радіації припадає на ділянку спектра від 0,17 до 4 мікрон. Радіація Сонця з довжинами хвиль менше 0,17 мікрон поглинається верхніми шарами атмосфери, і виміряти її можна тільки піднявшись на великі висоти. Ця короткохвильова ультрафіолетова радіація Сонця є дуже небезпечною для життя живих організмів. Якби атмосфера не захищала нас від неї, то життя на Землі була б неможливою.

Автомобільний шоу Топ Гір. впевнено перемогла в минулорічному марафоні, не збирається здавати позицій.

Сонячна радіація з довжиною хвиль більше 24 мікрон становить мізерно малу величину і в практичних розрахунках не враховується. Весь спектр радіації Сонця (від 0,17 до 4 мікрон) зазвичай ділять на три частини. Перша частина – ультрафіолетова радіація (від 0,17 до 0,35 мікрона). За сильний вплив на живі організми її іноді називають хімічної радіацією. Саме вона викликає зміни в складі шкірного пігменту і утворює сонячний загар, а при тривалому впливі – еритему або опік. При тривалому опроміненні вона згубно діє на багато мікроорганізми. Однак, незважаючи на значимість цієї радіації в житті рослин і тварин, її частка в енергетичному балансі Землі не перевищує 7 відсотків. Другу частину сонячного спектру (від 0,35 до 0,75 мікрона) становить світлова радіація, тобто те, що ми звемо сонячним світлом. На частку цієї радіації в енергетичному балансі припадає вже 46 відсотків. І, нарешті, третю частину сонячного спектру (від 0,76 до 4 мікрон і далі) утворює так звана інфрачервона, вже невидима для ока, радіація (47 відсотків).

Надто багато перешкод треба ще подолати вченим, щоб енергетичне використання енергії сонця на землі стало реальним. Лише зараз, через сто з гаком років, почала формуватися нова наукова дисципліна, що займається проблемами енергетичного використання сонячної енергії, — геліоенергетика. І лише зараз можна говорити про перші реальні успіхи в цій області.

Якщо дивитися на Сонце через темне скло, туман, чи серпанок (особливо, коли воно перебуває близько до горизонту), то можна побачити величезна темна пляма. В дійсності виявляється, що це пляма, яка є підставою фотосфери, аж ніяк не суцільне і за зовнішнім виглядом нагадує вимощену бруківкою бруківку. Спостереження показують, що поверхня Сонця ніколи не буває спокійним. Поглиблення на цій «мостовий» іноді зливаються між собою, утворюючи великі темні плями, що свідчать про сильних вертикальних рухах сонячних газів; під час сонячної активності таких плям одночасно може нараховуватися кілька, спокійні ж періоди поверхню Сонця місяцями може залишатися чистою. Вивчаючи частоту і інтенсивність полярних сяйв, які збільшуються і посилюються в період сонячної активності, вчені встановили, що сонячна активність має свою періодичність 2, 6, 11, 26, і близько 100 років. Особливо добре простежується 11-річний цикл.

В ті роки, коли максимуми або гребені цих хвиль накладаються один на одного, посилення сонячної активності відбувається найбільш різко. Така ситуація сталася в 1957 році, який вчені вибрали в якості Міжнародного геофізичного року для організації своїх спостережень одночасно на всій земній кулі. В цей рік число плям (воно вимірюється в умовних одиницях, що називаються числами Вольфа) досягло рекордного за останні 250 років значення. Активність Сонця впливає на процеси, що відбуваються як на Землі, так і в атмосфері. З її посиленням в атмосфері відбуваються магнітні збурення, магнітні бурі, погіршується або навіть припиняється проходження радіохвиль. Встановлено великий вплив сонячної активності на погоду і навіть на клімат, а також на геофізичні процеси, що відбуваються в твердій оболонці Землі. Справа в тому, що так звана площину екліптики, в якій відбувається обертання Землі навколо Сонця, нахилена до сонячного екватора всього на 7 0. Це означає, що до Землі надходить промениста енергія і корпускулярне випромінювання тільки з вузькою екваторіальної області Сонця.

Разом з тим астрономами встановлено, що в період посилення сонячної активності, що утворилися на Сонці плями поступово сповзають від сонячних полюсів в зону сонячного екватора. Це призводить до того, що в ці періоди до Землі приходить значно більше ультрафіолетових променів радіації надкоротких довжин хвиль. Їх вплив позначається головним чином, на високих шарах атмосфери і мало відбивається на інтенсивності прямої радіації, що приходить до земної поверхні. У високих шарах атмосфери під впливом ультрафіолетової радіації Сонця молекули кисню 2 розщеплюються навпіл, або, як кажуть, диссоциируются. Утворилися в результаті дисоціації вільні атоми кисню дуже нестійкі, вони швидко приєднуються до будь-якої іншої молекулі кисню, утворюючи новий газ, званий озоном (Про 3 ).

Найбільша концентрація озону спостерігається в шарі атмосфери від 10 до 30 км над поверхнею. Тому його часто називають озоновим шаром. Цей шар озону має дуже високе значення при формуванні клімату не тільки в вільній атмосфері, але і земної поверхні. Справа в тому, що озон поглинає значну частину теплових променів, що випускаються земною поверхнею у світовий простір. Поглинувши їх, він, по-перше, нагріває шар повітря, в якому міститься, а по-друге, повертає тепло назад на Землю, перешкоджаючи її охолодженню. Він діє на зразок рами в парнику, таким чином, виникає тепловий ефект, який він чинить на поверхню нашої планети цей ефект називається парниковим.

Із збільшенням інтенсивності сонячного випромінювання кількість озону в атмосфері збільшується, а його максимальна інтенсивність переміщається з висоти 28 – 30 км на висоту 10 – 11 км. Завдяки такому перерозподілу озону при ясному небі рівноважна температура біля поверхні Землі може підвищитися на декілька градусів, що в свою чергу, позначається на зміні тиску повітря у земної поверхні, а разом з ним – на загальній циркуляції атмосфери. Приблизно кожні два роки, а точніше кожні 26 місяців, вітри від західних переходять до східних, а потім знову до західних.

Але сонячна активність пов’язана не тільки з кількістю і площею сонячних плям. Є і інші астрономічні умови, що підсилюють або ослабляють надходження сонячної радіації до меж земної атмосфери і створюють свою циклічність. Одним з таких умов є 27-денний період обертання Сонця навколо своєї осі. У зв’язку з цим обертанням виникли або накопичені в якій-небудь частині сонячного екватора темні плями з’являються або зникають з видимого диска Сонця, змінюючи тим самим кількість сонячної радіації, випромінюваної в бік Землі. Такий 27-денний цикл не може не вплинути на погоду та інші геофізичні процеси, що відбуваються на земній поверхні і в атмосфері.

Ось які дані про хвилі холоду в Петербурзі призводить, наприклад, доктор геофізичних наук Т. В. Покровська ( 1967 р.). У перший день календаря кожного місяця середнє число хвиль холоду одно двадцяти, на десятий день – дванадцяти, на дев’ятнадцятий – сорока, на двадцять шостий – тридцять сім. Як видно із сказаного, в першу половину будь-якого місяця року ймовірність теплої погоди в Петербурзі приблизно в 2 — 3 рази вище, ніж в кінці місяця. З ще більш тривалими циклами сонячної активності. рівними в середньому 7 років, пов’язані, мабуть, дощові роки на західному узбережжі Південної Америки, які повторюються через кожні 7 років, а також суворі зими на північно-заході Росії, спостерігаються через такий же проміжок часу. Не без впливу Сонця утворюються в атмосфері і на Землі відомі в народі ще з найдавніших часів так звані хрещенські і сретенские морози або часті грози в ільїн день (2 серпня). Вчені, обробивши запису грозорегистраторов за останні роки, виявили, що вони мають чітку періодичність, причому найбільша активність гроз з року в рік спостерігається, якщо не в ті дні, які встановлені народними прикметами (ільїн день, день Самсона і т. д.), близько від них.

Значний вплив вказує посилення сонячної активності не тільки на процеси, але і на стан самої людини. Ще в середині століття хіміки помітили цікаве явище: деякі колоїдні розчини ні з того ні з сього починають втрачати колоїдну стійкість. Зважені в них речовини раптом випадають у вигляді осаду, а барвники знебарвлюються. Фахівці фетрові і повстяного виробництв ще раніше помітили, що при певних умовах фетр і повсть дуже важко виробляли. У цементній промисловості в теж час високоякісні сорти цементу погано цементуються і т. д. Італійському хіміку Пікарді вдалося встановити тісний зв’язок цих оригінальних явищ з магнітними бурями, а через них — і з сонячною активністю. Виявилося, що порушення коллоидального рівноваги деяких розчинів завжди пов’язане з посиленням сонячної активності і збільшенням корпускулярного випромінювання Сонця. Пізніше лікарі встановили, що стан людей з серцево-судинними захворюваннями погіршується при підвищенні сонячної активності.

Причина тут криється в зміні стані крові, яка, будучи своєрідним колоїдом, також виявилася схильна впливу підвищеного випромінювання Сонця. Медики вже знайшли деякі способи захисту від їх шкідливої дії. Інше впливає сонячне випромінювання в періоди спокійного Сонця. У цей час збільшується надходження сонячної енергії світлової частини спектру, а разом з нею зростає і інтенсивність прямої радіації біля земної поверхні. Тому стає зрозумілим таке, що здавалися раніше невідомих, явище природи, як збільшення на Землі в 3 – 4 рази числа жорстоких посух. Вони спостерігаються як раз в періоди мінімуму сонячної активності або передують цим періодам.

Короткий опис статті: джерела енергії

Джерело: Сонячна енергія, Сонце як джерело енергії

Також ви можете прочитати