ثابت الشمسية – HiSoUR والفن تاريخ معلومات السفر

الثابت الشمسي هو كثافة تدفق قياس الإشعاع الكهرومغناطيسي الشمسي المتوسط (الإشعاع الشمسي) لكل وحدة مساحة. يقاس على سطح عمودي على الأشعة ، وحدة فلكية واحدة (AU) من الشمس (تقريبا المسافة من الشمس إلى الأرض).

يتضمن ثابت الطاقة الشمسية جميع أنواع الإشعاع الشمسي ، وليس فقط الضوء المرئي. يقاس بالساتل على أنه 1.361 كيلوواط لكل متر مربع (kW / m²) عند الحد الأدنى للطاقة الشمسية وحوالي 0.1٪ (حوالي 1.362 كيلو وات / متر مربع) بحد أقصى للطاقة الشمسية.

“الثابت” الشمسي ليس ثابتًا ماديًا بالمعنى العلمي الحديث لكوتاتا. بمعنى أنه ليس مثل ثابت بلانك أو سرعة الضوء ثابتة على الإطلاق في الفيزياء. ثابت الطاقة الشمسية هو متوسط قيمة متفاوتة. خلال الـ 400 عام الماضية ، تفاوتت بنسبة أقل من 0.2 في المائة.

معادلة
لحساب ثابت الطاقة الشمسية ، يكفي لتقسيم تدفق الطاقة التي تنبعث منها الشمس بنسبة المناطق بين سطح الشمس $r_ {s} \،$ (الراديو الشمسي) وراديو الراديو $a_ {0} \ ،$ (وحدة فلكية) من ذلك. للحصول على هذه القيمة ، والتي تقاس في الواقع عن طريق الأقمار الصناعية ، ينبغي أن تستخدم كدرجة حرارة فعالة $تي {{mathrm {eff}}}}$ ) Del Sol 5776 the value K.
${\ displaystyle K = \ sigma \ cdot T _ {\ mathrm {eff}} ^ {4} \ cdot ({\ frac {r_ {s}} {a_ {0}}}) ^ {2} = 1366 \ W \ cdot {m ^ {- 2}}}$
يمكن التعبير عن ثابت الطاقة الشمسية في ${\ frac {calorias} {cm ^ {2} \ cdot minute}} \،$ . للقيام بذلك ، تذكر 1 يوليو = 0.24 سعرة حرارية ، 1 دقيقة = 60 ثانية و 1 م ² = 10 ⁴ سم ²
$K = 1366 {\ frac {joules} {s \ cdot m ^ {2}} = {\ frac {1366 \ cdot 0.24 \ cdot 60} {10 ^ {4}}} = 1،967 {\ frac {calories}} { cm ^ {2} \ cdot minute}} \ approx 2 {\ frac {calorias} {cm ^ {2} \ cdot minute}} \،$ .
الوحدة المستخدمة لقياس الطاقة التي تصل إلى قمة الغلاف الجوي في يوم واحد هي:
$1langley = 1 {\ frac {caloria} {cm ^ {2}}} \،$

وبالتالي ، فإن مكانًا عند خط عرض 30 درجة شمالًا يستقبل يوم 21 حزيران ، وهو يوم انقلاب صيفي ، وهو عبارة عن تشويش لـ 1004،7 langleys / day وفي 21 ديسمبر ، يوم الانقلاب الشتوي فقط 480،4 langan / day.

من ناحية أخرى ، يمكن حساب التشمس السنوي في الجزء العلوي من الغلاف الجوي عند خطوط العرض المختلفة. بالنسبة للقطب ، يبلغ التشوه السنوي 133.2 كيلوغنيريز / سنة بينما يرتفع عند خط الاستواء إلى 320.9 كيلوغلنيس / سنة حيث klangley = 1000 langleys.

عملية حسابية
يتم قياس الإشعاع الشمسي عن طريق الأقمار الصناعية فوق الغلاف الجوي للأرض ، ثم يتم ضبطه باستخدام قانون المربع العكسي لاستنتاج حجم الإشعاع الشمسي في وحدة فلكية واحدة (AU) لتقييم ثابت الطاقة الشمسية. القيمة التقريبية للقيمة المذكورة ، 1.3608 ± 0.0005 كيلووات / متر مربع ، أي 81.65 كيلو جول / متر مربع في الدقيقة ، تعادل حوالي 1.951 سعرة حرارية لكل دقيقة لكل سنتيمتر مربع ، أو 1.951 لونجي لكل دقيقة.

الانتاج الشمسي هو تقريبا ، ولكن ليس تماما ، ثابت. كانت الاختلافات في مجموع الإشعاع الشمسي (TSI) صغيرة وصعبة الكشف بدقة مع التكنولوجيا المتاحة قبل عصر الأقمار الصناعية (± 2 ٪ في عام 1954). يقاس الآن إجمالي الإنتاج الشمسي على أنه متفاوت (على مدى دورات البقع الشمسية الثلاثة عشر الأخيرة) بمعدل 0.1٪ تقريبًا ؛ انظر الاختلاف الشمسي لمزيد من التفاصيل.

معان الطاقة الشمسية
الطاقة تسمى الطاقة المنبعثة من الشمس في وحدة الزمن. لذلك يستحق:

$L_ {s} = 4 \ cdot \ pi \ cdot r_ {s} ^ {2} \ cdot \ sigma \ cdot T {{mathrm {eff}}}} ^ {4} \،$ .

يتم الحصول على نتيجة مماثلة بدلاً من القيام بعملية حساب للسطح الشمسي ، والقيام بذلك على مسافة من الأرض وباستخدام ثابت الطاقة الشمسية . يتناقص التدفق المنبعث من الشمس مع المسافة لأنه موزع على سطح أكبر. إن السطح الكروي على المسافة التي تساوي الأرض فيها يستحق:

$S = 4 \ cdot \ pi \ cdot a_ {0} ^ {2} = 2.81 \ times 10 ^ {{23}} m ^ {2} \،$ .
لذا ، فإن معان الطاقة الشمسية يستحق:

$L_ {s} = k \ cdot S = 3،65 x 10 ^ {26} W = 3،65 x 10 ^ {23} كيلوواط$
يتم الحصول على النتيجة التناظرية من خلال إجراء الحساب حسب المنطق التالي:

يبلغ القطر الزاوي للأرض المرئي من الشمس حوالي 1/11 ، 700 راديان ، وبالتالي فإن الزاوية الصلبة للأرض من الشمس هي 1 / 175.000.000 سترادي. هذا يعني أن الأرض تعترض جزءًا فقط من 2000 مليون من الإشعاع الذي تصدره الشمس (حوالي 3.6 × 10²⁶ واط).

يتضمن ثابت الطاقة الشمسية جميع أنواع الإشعاع ، وليس فقط المرئي. يرتبط ثابت الطاقة الشمسية بالحجم الظاهر للشمس (شدة سطوعها كما يتلقاها المشاهد) التي تبلغ قيمتها -26.8 ؛ نظرًا لأن كلا المعلمتين تصفان سطوع الشمس الذي يمكن ملاحظته ، على الرغم من أن الحجم يشير إلى الطيف المرئي فقط.

القياسات التاريخية
في عام 1838 ، قام كلود بويليه بعمل أول تقدير لثابت الشمس. باستخدام مقياس pyrheliometer بسيط جدا طوره ، حصل على قيمة 1.228 كيلوواط / متر مربع ، على مقربة من التقدير الحالي.

في عام 1875 ، استأنف جول فيول عمل بويلي وقدم عرضًا أكبر إلى حد ما من 1.7 كيلو واط / م 2 ، وذلك جزئياً بناءً على قياس صنعه من مونت بلانك في فرنسا.

في عام 1884 ، حاول صامويل بيربونت لانغلي تقدير ثابت الطاقة الشمسية من ماونت ويتني في ولاية كاليفورنيا. عن طريق أخذ قراءات في أوقات مختلفة من اليوم ، حاول تصحيح الآثار بسبب الامتصاص في الغلاف الجوي. ومع ذلك ، كانت القيمة النهائية التي اقترحها ، وهي 2.903 كيلو وات / متر مربع ، كبيرة للغاية.

بين عامي 1902 و 1957 ، وجدت قياسات تشارلي غريلي أبوت وغيرها في مواقع عالية الارتفاع القيم بين 1.322 و 1.465 كيلووات / متر مربع. أظهر أبوت أن أحد تصويبات لانغلي تم تطبيقه بشكل خاطئ. تفاوتت نتائج أبوت بين 1.89 و 2.22 سعرة حرارية (1.318 إلى 1.548 كيلوواط / متر مربع) ، وهو تغير بدا أنه ناجم عن الشمس وليس الغلاف الجوي للأرض.

في عام 1954 تم تقييم ثابت الطاقة الشمسية كما 2.00 كال / دقيقة / متر مربع ± 2 ٪. النتائج الحالية هي حوالي 2.5 في المئة أقل.

العلاقة مع القياسات الأخرى

الإشعاع الشمسي
يتذبذب الإشعاع الشمسي المباشر الفعلي في الجزء العلوي من الغلاف الجوي بنحو 6.9٪ خلال عام (من 1.412 كيلو واط / متر مربع في بداية يناير إلى 1.321 كيلو واط / متر مربع في أوائل شهر يوليو) بسبب المسافة المتغيرة للأرض عن الشمس ، وعادةً أقل بكثير من 0.1 ٪ من يوم لآخر. وهكذا ، بالنسبة للأرض بأكملها (التي بها مقطع عرضي مساحته 127،400،000 كيلومتر مربع) ، تكون القدرة هي 1.730 × 1017 وات (أو 173،000 تيراوات) ، زائد أو ناقص 3.5٪ (نصف المدى السنوي البالغ 6.9٪ تقريبًا). لا يظل ثابت الطاقة الشمسية ثابتًا على مدى فترات طويلة من الزمن (انظر التباين الشمسي) ، ولكن أكثر من عام يتغير الثابت الشمسي أقل بكثير من الإشعاع الشمسي الذي يتم قياسه في الجزء العلوي من الغلاف الجوي. ويرجع ذلك إلى أن ثابت الطاقة الشمسية يتم تقييمه على مسافة ثابتة من وحدة فلكية واحدة (AU) ، في حين سيتأثر الإشعاع الشمسي بميل غريب الأطوار لمدار الأرض. وتختلف المسافة إلى الشمس سنوياً بين 147.1 • 106 كم عند السطح و 152.1 • 106 كم في الحضيض.

تحصل الأرض على كمية إجمالية من الإشعاع يحددها المقطع العرضي لها (π • RE²) ، ولكن عند تدويرها يتم توزيع هذه الطاقة عبر كامل مساحة السطح (4 • π • RE²). ومن ثم فإن متوسط الإشعاع الشمسي القادم ، مع مراعاة الزاوية التي تضرب بها الأشعة وأن نصف الكوكب لا يتلقى أي إشعاع شمسي في أي لحظة ، هو ربع الطاقة الشمسية (حوالي 340 واط / متر مربع). كما أن الكمية التي تصل إلى سطح الأرض (كالشَوَان) يتم خفضها عن طريق ارتداد الغلاف الجوي ، الذي يختلف. في أي لحظة ، تعتمد كمية الإشعاع الشمسي المتلقاة في موقع على سطح الأرض على حالة الغلاف الجوي ، وخط عرض الموقع ، والوقت من اليوم.

حجم الظاهر
يشمل ثابت الطاقة الشمسية جميع الأطوال الموجية للإشعاع الكهرومغناطيسي الشمسي ، وليس فقط الضوء المرئي (انظر الطيف الكهرومغناطيسي). ترتبط بشكل إيجابي مع الحجم الظاهر للشمس وهو −26.8. إن الثابت الشمسي وحجم الشمس هما طريقتان لوصف السطوع الظاهري للشمس ، على الرغم من أن الحجم يعتمد على الإنتاج البصري للشمس فقط.

إشعاع الشمس الكلي
يبلغ القطر الزاوي للأرض كما يراه من الشمس حوالي 1 / 11،700 راديان (حوالي 18 ثانية قوسية) ، أي أن الزاوية الصلبة للأرض كما تراها من الشمس تقارب 1 / 175،000،000 من steradian. وهكذا تصدر الشمس حوالي 2.2 مليار مرة كمية الإشعاع التي تصطادها الأرض ، وبعبارة أخرى حوالي 3.86 × 1026 واط.

الاختلافات السابقة في الإشعاع الشمسي
بدأت عمليات الرصد الإشعاعي في الفضاء في عام 1978. وتبين هذه القياسات أن الثابت الشمسي ليس ثابتًا. ويختلف ذلك مع دورة الشمس الشمسية الشمسية البالغة 11 عامًا. عند العودة أكثر في الوقت المناسب ، يتعين على المرء الاعتماد على إعادة البناء الإشعاعية ، وذلك باستخدام البقع الشمسية على مدى 400 سنة الماضية أو النويدات المشعة cosmogenic للعودة 10000 سنة. تظهر عمليات إعادة البناء هذه أن الإشعاع الشمسي يختلف باختلاف الدوريات. هذه الدورات هي: 11 سنة (Schwabe) ، 88 سنة (دورة Gleisberg) ، 208 سنة (دورة DeVries) و 1000 سنة (دورة إيدي).

على مدى مليارات السنين ، تتوسع الشمس تدريجيًا ، وتبث مزيدًا من الطاقة من المساحة السطحية الأكبر الناتجة. إن السؤال غير المحلول عن كيفية حساب الأدلة الجيولوجية الواضحة للمياه السائلة على الأرض منذ مليارات السنين ، في الوقت الذي كان فيه لمعان الشمس 70٪ فقط من قيمته الحالية ، يُعرف باسم مفارقة الشمس الصاعدة الباهتة.

الاختلافات بسبب الظروف الجوية
على الأكثر حوالي 75 ٪ من الطاقة الشمسية تصل إلى سطح الأرض ، حتى مع سماء صافية تنعكس جزئيا وتستوعب من قبل الغلاف الجوي.حتى الغيوم الساطعة الخفيفة تخفض هذا إلى 50٪ ، والغيوم السحابية القوية إلى 40٪. وبالتالي فإن الطاقة الشمسية التي تصل على السطح يمكن أن تختلف من 550 واط / متر مربع مع السحب الرقيقة إلى 1025 واط / متر مربع مع سماء صافية.

الاختلاف
إن الإشعاع المنبعث من الشمس ليس ثابتًا تمامًا ، ولكنه يعاني من تقلبات فوضوية ذات اتساع صغير جدًا وتذبذبات دورية تم وصفها بدورات نشاط ، بالإضافة إلى تغيرات في الاتجاه تنبثق من خلالها سطوع الشمس ببطء مع مرور الوقت من تاريخها.

يبدو أن الاختلافات الدورية تتكون من عدة تذبذبات من فترة (مدة) مختلفة ، أشهرها هو 11 سنة التي تظهر كدورة من التباين في وفرة البقع الشمسية في الفوتوسفير. تظهر الدورات الأخيرة اختلافًا في سطوع الشمس في حدود 0.1٪ ؛ ومع ذلك ، من الحد الأدنى ل Maunder ، وهو وقت بدون بقع بين 1650 و 1700 ، يمكن أن يكون الإشعاع الشمسي قد نمت بنسبة تصل إلى 0.6 ٪.

تشير النماذج النظرية لتطور الشمس إلى أنه منذ حوالي 3000 مليون عام ، عندما كان النظام الشمسي ثلث عمره فقط ، كانت الشمس تنبعث منها 75٪ فقط من الطاقة التي تنبعث منها حاليًا. كان مناخ الأرض أقل برودة مما تشير إليه هذه البيانات ، لأن تكوين الغلاف الجوي كان مختلفًا تمامًا ، وأكثر وفرة بكثير في غازات الدفيئة ، وخاصة ثاني أكسيد الكربون (CO ₂ ) والأمونيا (NH ₃ ).

وتتعلق الاختلافات الأخرى في الطبيعة الدورية بالبارامترات المدارية للأرض ، خاصةً مع الانحراف غير المنتظم. هذا لا يؤثر على متوسط الطاقة المتلقاة على المدى الطويل ، لكنه يؤثر على التغيرات الموسمية. حاليا ، الأرض في الحضيض الشمسي في بداية كانون الثاني ، تقريبا بالتزامن مع الانقلاب الشتوي ، الذي يساهم في نصف الكرة الشمالي بجمع المزيد من الطاقة الشمسية من الجنوب. لكن تاريخ الحضيض (والأجواء) يتأرجح مع فترة طويلة جدا.
وعلى أي حال ، فإن الانحراف اللامع لمدار الأرض صغير نسبيا ، ولكنه كبير في الكواكب الأخرى ، مثل المريخ وفوق كل ذلك بلوتو (الذي يعتبر الآن “كوكب قزم”). في هذه ، يمكن أن يكون الفرق في الطاقة المعترض في أوقات مختلفة من السنة كبيرا. يعرض الجدول التالي الثوابت الشمسية لكواكب النظام الشمسي ، محسوبة حسب متوسط المسافة.

ملاءمة
تعد قيمة الثبات الشمسي ، وكذلك استقراره النسبي ، أساسية للكثير من العمليات الأرضية الأكثر أهمية. على وجه الخصوص ، لتحديد المناخ والعمليات الجيولوجية الخارجية ، والحياة. أيضا لمستقبل الإنسانية ، على الأقل لأنه يعتمد على التطور التكنولوجي للطاقة المتجددة.

ثابت للطاقة الشمسية لمختلف الكواكب
يتناقص التدفق المنبعث من الشمس مع المسافة لأنه موزع على سطح أكبر. لنفترض أننا ندعو ${$ $K_ {0} \،$ إلى الثابت الشمسي على مسافة من الأرض (1 وحدة فلكية) و K على المسافة r المعبر عنها في UA لأي كوكب شمسي ، سيكون صحيحًا أن السطوع الشمسي لا يتغير ، وهذا هو:
$L_ {s} = K_ {0} \ cdot 4 \ cdot \ pi \ cdot 1 ^ {2} = K \ cdot 4 \ cdot \ pi \ cdot r ^ {2} \،$
ذلك بالقول:

$K = {\ frac {K_ {0}} {r ^ {2}}} \،$

لنفترض على سبيل المثال أن كوكب المريخ الذي يبلغ 1.5236 AU بعيدا عن ثابت الطاقة الشمسية يستحق:

$K = {\ frac {1366} {1،5236 ^ {2}} = 588.45 {\ frac {W} {m ^ {2}}} \،$

درجة الحرارة الفعالة على الكواكب المختلفة
ولحساب درجة الحرارة الفعالة في الكواكب المختلفة ، يجب حساب الرصيد الإشعاعي الأرضي ولكن مع تعميم الكواكب. من المفترض أن كل كوكب قد وصل إلى التوازن باعتراضه من الشمس نفس الطاقة التي تشع من درجة حرارته.

$Energy {{intercepted}} = K \ cdot \ pi \ cdot r ^ {2} \،$ حيث r هو نصف قطر الكوكب.

$Energy _ {absorbed}} = K \ cdot \ pi \ cdot r ^ {2} \ cdot (1-a) \،$ هذا هو البياض

$Energy {{irradiated}} = 4 \ cdot \ pi \ cdot r ^ {2} \ sigma \ cdot T_ {e} ^ {4} \،$

والسبب في 4 هو أن قسم الكوكب فقط يتقاطع مع الطاقة الشمسية بينما يشعها سطح الكوكب بأكمله.

وبما أن الطاقة الممتصة والمشععة متساوية من خلال التوازن الحراري ، فإنها تؤدي إلى:

$T_ {e} = {\ sqrt [{4}] {{\ frac {K \ cdot (1-a)} {4 \ cdot \ sigma}}}} \،$

يعطي تقييم الصيغة درجات الحرارة الفعالة المختلفة للكواكب. لا ينبغي الخلط بين درجات الحرارة هذه ودرجات الحرارة السطحية ، حيث يعكس الغلاف الجوي والغيوم جزءًا من الإشعاع الشمسي القصير الموجة بينما تمتص الموجات الطويلة المنبعثة من الإشعاع الحراري للكوكب جزئياً بواسطة غازات الدفيئة ، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في درجة حرارة السطح خاصة في حالة فينوس في حين إذا كان الجو رقيقًا كما هو الحال في حالة المريخ ، فلا ينبغي أن يكون هناك فرق كبير.

الثوابت الشمسية ( K ) لكواكب النظام الشمسي ودرجات الحرارة الفعالة ( **T _e** )
كوكب	K (م / م²)	K / K ₀	البياض	تي _ه (ك)
والزئبق	9040	6.7	0.058	442
كوكب الزهرة	2610	1.9	0.71	244
أرض	1360	1	0.33	253
المريخ	590	0.4	0.17	216
كوكب المشتري	خمسون	0.04	0،52	87
زحل	خمسة عشر	0.01	0.47	63
أورانوس	3.7	0.003	0،51	33
نبتون	1،5	0.001	0.41	32