태양 상수

태양 상수는 단위 면적당 평균 태양 전자기 복사 (태양 방사 조도)를 측정하는 자속 밀도입니다. 그것은 광선에 수직 인 표면, 태양으로부터의 하나의 천문 단위 (AU) (태양에서 지구까지의 거리)에서 측정됩니다.

태양 상수는 가시 광선뿐만 아니라 모든 유형의 태양 복사를 포함합니다. 위성으로 측정 한 태양계 최저치는 평방 미터 당 1.361 킬로와트 (kW / ㎡)이며, 최대 태양 광량은 약 0.1 % (약 1.362 kW / ㎡)입니다.

태양의 “상수”는 현대 CODATA 과학적 의미에서 물리적 상수가 아니다. 즉 그것은 물리학에서 절대적으로 일정한 플랑크 상수 또는 빛의 속도와는 다릅니다. 태양 상수는 변화하는 값의 평균입니다. 지난 400 년 동안의 변화는 0.2 % 미만입니다.

공식
태양 상수 를 계산하려면, 태양이 방출하는 에너지 흐름을 태양 표면 사이의 면적 비율로 나누면 충분합니다  (태양 라디오)와 라디오 구체  (천문 단위). 위성으로 측정 한이 값을 얻으려면 유효 온도로 사용해야합니다  ) 델 솔 5776 값 K.

태양 상수는에서 표현 될 수있다.  . 이를 위해서는 7 월 1 일 = 0.24 칼로리, 1 분 = 60 초, 1m 2 = 10 4 cm 2를 기억하십시오.
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하루의 대기 시간에 도달하는 에너지를 측정하는 데 매우 유용한 단위는 다음과 같습니다.

따라서 30 ° N 위도의 장소는 6 월 21 일 여름 최고점 일, 1004,7 일 / 일의 일사량을 받고 12 월 21 일 동지 일은 480,400 일 / 일뿐입니다.

반면에, 위도가 다른 대기 상부의 연간 일사량을 계산할 수 있습니다. 기둥의 경우 연평균 일사량은 133.2 kilolangleys / year이고 적도의 경우에는 klangley = 1000 langleys 인 320.9 kilolangleys / year로 증가합니다.

계산
태양 복사 조도는 지구의 대기권 위의 위성에 의해 측정 된 후, 태양 상수를 평가하기 위해 하나의 천문 단위 (AU)에서 태양 복사 조도의 크기를 추론하기 위해 역 제곱 법칙을 사용하여 조정됩니다. 대략적인 평균값은 분당 81.65 kJ / m2 인 1.3608 ± 0.0005 kW / m2이며, 1 분당 약 1.951 칼로리 / cm2 또는 분당 1.951 개이다.

태양 광 출력은 거의 같지만 일정하지는 않습니다. 총 태양 복사 조도 (TSI)의 편차는 작았고 위성 시대 이전의 기술로 정확하게 탐지하기 어려웠다 (1954 년 ± 2 %). 현재 총 태양 광 출력은 (지난 11 년 흑점주기 3 번에 걸쳐) 약 0.1 %로 다양하게 측정됩니다. 자세한 내용은 태양 광 변화를 참조하십시오.

태양 광도
에너지는 시간 단위로 태양에 의해 방출되는 에너지라고합니다. 그러므로 그것은 가치가있다 :

 .

태양 표면에 대한 계산을 수행하는 대신 지구에서 거리를두고 <b> 태양 상수 </ b>를 사용하여 유사한 결과를 얻을 수 있습니다. 태양에 의해 방출되는 유량은 더 큰 표면에 분포되기 때문에 거리에 따라 감소합니다. 지구가있는 거리의 구형 표면은 가치가 있습니다 :

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따라서 태양 광도는 다음과 같은 가치가 있습니다.


유사한 결과는 다음과 같은 추론에 의해 계산함으로써 얻어진다 :

태양에서 본 지구의 각 직경은 약 1 / 11,700 라디안이므로 태양으로부터의 지구의 입체각은 1 / 175,000,000 스테 라디안입니다. 이것은 지구가 태양이 방출하는 2000 억 개의 방사선 (약 3.6 × 10 26W)의 일부만 차단한다는 것을 의미합니다.

태양 상수는 눈에 보이는 것뿐만 아니라 모든 종류의 방사선을 포함합니다. 태양 상수는 태양의 겉보기 크기 (관측자가받은 밝기의 강도)와 관련이 있으며 그 값은 -26.8입니다. 그 이유는 두 가지 매개 변수가 태양의 관측 가능한 밝기를 설명하기 때문입니다.

역사적인 측정
1838 년에, Claude Pouillet은 태양 상수의 첫 번째 추정을 만들었습니다. 그가 개발 한 매우 단순한 열량계를 사용하여 현재 추정치에 가깝게 1.228 kW / m²의 값을 얻었다.

1875 년 Jules Violle은 Pouillet의 연구를 재개했으며 부분적으로 그가 프랑스 몽블랑 (Mont Blanc)에서 만든 측정에 근거하여 다소 큰 1.7kW / m²의 추정치를 제시했습니다.

1884 년 Samuel Pierpont Langley는 캘리포니아의 Whitney 산에서 태양 상수를 추정하려고 시도했다. 매일 다른 시간대에 측정 값을 읽음으로써 그는 대기 흡수로 인한 영향을 교정하려고했습니다. 그러나 그가 제안한 최종 값인 2.903 kW / m²는 너무 컸습니다.

1902 년과 1957 년 사이에 Charles Greeley Abbot과 다른 여러 고지대에서 측정 한 값은 1.322에서 1.465 kW / m² 사이의 값을 나타 냈습니다. Abbot은 Langley의 교정 중 하나가 잘못 적용되었음을 보여주었습니다. Abbot의 결과는 1.89 ~ 2.22 칼로리 (1.318 ~ 1.548 kW / m²)로 다양했으며, 이는 지구 대기가 아닌 태양 때문인 것으로 보입니다.

1954 년에 태양 상수는 2.00 cal / min / sq cm ± 2 %로 평가되었습니다. 현재 결과는 약 2.5 % 낮아졌습니다.

다른 측정과의 관계

태양 방사 조도
지구의 태양으로부터의 직접적인 태양 복사 조도는 태양으로부터 지구까지의 거리가 다양하기 때문에 1 년 동안 약 6.9 % (1 월 초 1.412 kW / m²에서 7 월 초 1.321 kW / m²로) 변동합니다. 매일 0.1 % 미만입니다. 따라서 전체 지구 (² 127,400,000 km 횡단면)의 전력은 1.730 × 1017W (또는 173,000 테라 와트), 3.5 % (연간 약 6.9 %의 절반)입니다. 태양 상수는 오랜 시간 동안 일정하지 않지만 (태양 변화 참조), 태양 상수는 대기 상단에서 측정 된 태양 방사량보다 훨씬 적습니다. 이는 태양 상수가 1 천문 단위 (AU)의 고정 거리에서 평가되는 반면 태양 복사 조도는 지구 궤도의 편심에 영향을 받기 때문입니다. 그것의 태양까지의 거리는 원일점에서 147.1 • 106 킬로미터와, 근일점에서 152.1 • 106 킬로미터 사이에 매년 다릅니다.

지구는 횡단면 (π • RE²)에 의해 결정되는 총 복사량을 받지만, 회전시이 에너지는 전체 표면적 (4 • π • RE²)에 분포됩니다. 따라서 광선이 닿는 각도와 태양의 절반을받는 한 순간의 태양의 각도를 고려한 평균 들어오는 태양 복사는 태양 상수 (약 340W / ㎡)의 1/4입니다. 지구의 표면에 도달하는 양 (일사량)은 대기압에 따라 더 감소합니다. 주어진 순간에 지구 표면상의 한 위치에서받는 태양 복사의 양은 대기의 상태, 위치의 위도 및 시간에 달려 있습니다.

겉보기 등급
태양 상수는 가시 광선뿐만 아니라 태양 전자기 복사의 모든 파장을 포함합니다 (전자기 스펙트럼 참조). 이것은 태양의 겉보기 등급 인 -26.8과 양의 상관 관계가 있습니다. 태양의 상수와 태양의 크기는 태양의 겉보기 밝기를 설명하는 두 가지 방법이지만 크기는 Sun의 시각적 출력에만 근거합니다.

태양의 총 복사량
태양에서 볼 때 지구의 각 직경은 약 1 / 11,700 라디안 (약 18 아크 초)으로 태양에서 볼 때 지구의 입체각은 약 1 / 175,000,000 스테 라디안입니다. 따라서 태양은 지구에 잡히는 방사량의 약 22 억 배, 즉 약 3.86 × 1026 와트를 방출합니다.

태양 복사 조도의 과거 변동
우주 조사는 1978 년에 시작되었다.이 측정은 태양 상수가 일정하지 않다는 것을 보여준다. 그것은 11 년 흑점 태양주기에 따라 다릅니다. 시간이 지나면 다시 400 년 동안 태양 흑점을 사용하거나 방사성 핵종질을 사용하여 1 천년 전으로 되돌아 가야한다. 이러한 재구성은 태양 방사 조도가 뚜렷한주기에 따라 변하는 것을 보여준다. 이 사이클은 11 년 (Schwabe), 88 년 (Gleisberg주기), 208 년 (DeVries주기) 및 1,000 년 (Eddy주기)입니다.

수십억 년에 걸쳐 태양은 점차 확대되고 결과적으로 더 큰 표면적으로부터 더 많은 에너지를 방출합니다. 태양의 광도가 현재 가치의 70 %에 불과했던 수십억 년 전 지구의 물에 대한 명확한 지질 학적 증거를 어떻게 설명 할 것인가하는 문제는 희미한 젊은 태양의 역설로 알려져 있습니다.

대기 조건으로 인한 변화
구름이없는 하늘에서도 부분적으로 반사되어 대기에 흡수되므로 태양 에너지의 최대 약 75 %가 실제로 지구 표면에 도달합니다. 가벼운 권운의 구름도 50 %로, 권운의 구름은 40 %로 감소시킵니다. 따라서 표면에 도달하는 태양 에너지는 권운에서 550W / m²에서 맑은 하늘로 1025W / m²까지 다양합니다.

변화
태양에 의해 방출되는 방사선은 정확히 일정하지는 않지만 활동의 사이클로 묘사되는 매우 작은 진폭과주기적인 진동의 혼란과 태양의 밝기가 시간이 지남에 따라 천천히 증가하는 경향 변화를 겪습니다.

주기적인 변화는 다른주기 (기간)의 여러 진동으로 구성되는 것으로 보이는데, 가장 잘 알려진 것은 광구에서 흑점의 풍부함의 변화 주기로 나타나는 11 년의 진동이다. 최근 사이클은 0.1 %의 한계 내에서 태양 광 밝기의 변화를 보여줍니다. 그러나 Maunder의 최저치 인 1650 ~ 1700 사이의 지점이없는 시간에서 태양 복사는 최대 0.6 %까지 증가 할 수있었습니다.

태양의 발전에 대한 이론적 모델은 약 3 억년 전에 태양계가 그 시대의 3 분의 1 밖에되지 않았을 때 태양이 현재 방출하는 에너지의 75 %만을 방출했다는 것을 암시합니다. 대기의 조성이 온실 가스, 특히 이산화탄소 (CO2)와 암모니아 (NH3)에서 훨씬 풍부하기 때문에 지구의 기후는이 데이터가 암시하는 것보다 덜 차갑습니다.

주기적 특성의 다른 변형은 지구의 궤도 매개 변수, 특히 편심과 관련이 있습니다. 이것은 장기간에받은 평균 에너지에는 영향을 미치지 않지만 계절 변동에 영향을 미칩니다. 현재 지구는 1 월 초순에 근일점을 이루며 동지와 거의 일치하며, 이는 북반구가 남쪽보다 더 많은 태양 에너지를 수집하는 데 기여합니다. 그러나 근일점 (그리고 원일의 일)은 매우 오랜 기간 동안 진동합니다.
어쨌든 지구 궤도의 이심률은 비교적 작지만 화성이나 무엇보다 명왕성 (현재는 “왜성 행성”으로 간주)과 같은 다른 행성에서는 크다. 이들 중, 서로 다른 시간에 요격되는 에너지의 차이가 상당 할 수 있습니다. 다음 표는 평균 거리에 따라 계산 된 태양계 행성의 태양 상수를 나타냅니다.

관련성
태양 상수의 값은 물론 상대적 안정도가 가장 중요한 지상 과정의 기본입니다. 특히, 기후, 외부 지질 학적 과정 및 삶의 결정을 위해. 또한 인류의 미래를 위해서는 최소한 신 재생 에너지의 기술 개발에 달려 있기 때문에.

다른 행성에 대한 태양 상수
태양에 의해 방출되는 유량은 더 큰 표면에 분포되기 때문에 거리에 따라 감소합니다. 우리가 {  지구 (천문학 단위)에서 거리에있는 태양 상수와 어떤 태양 행성의 UA로 표현 된 거리 r에서의 K까지 태양 광도가 변하지 않는다는 것은 사실 일 것이다.

즉 말하자면:

예를 들어, 태양 상수로부터 1.5236 AU 떨어진 행성 화성은 가치가 있다고 가정합니다 :

다른 행성의 유효 온도
다른 행성들에서의 유효 온도를 계산하기 위해서는 육상 복사 균형의 계산이 행해지지만 행성에 대해서는 일반화되어야한다. 각 행성은 온도로부터 방출되는 동일한 에너지를 태양으로부터 차단함으로써 평형에 도달했다고 가정한다.

 여기서 r은 행성의 반경입니다.

 알베도에있다.

그 이유는 행성의 일부분 만 태양 에너지와 교차하는 반면 행성의 전체 표면은 태양 에너지를 방출하기 때문입니다.

흡수되고 방사되는 에너지가 열 평형에 의해 동일 할 때, 결과는 다음과 같습니다.

공식의 평가는 행성의 다른 효과적인 온도를 제공합니다. 대기와 구름은 단파 태양 복사의 일부를 반사하기 때문에이 온도는 표면 온도와 혼동되어서는 안됩니다. 반면에 행성의 열 복사에 의해 방출 된 장파는 부분적으로 온실 가스에 흡수되어 특히 화성의 경우와 같이 분위기가 희박하다면 큰 차이가 없어야합니다.

행성 K (W / ㎡) K / K 0 알베도 e (K)
수은 9040 6.7 0.058 442
금성 2610 1.9 0.71 244
지구 1360 년 1 0.33 253
화성 590 0.4 0.17 216
목성 오십 0.04 0,52 87
토성 열 다섯 0.01 0.47 63
천왕성 3.7 0.003 0,51 33
해왕성 1,5 0.001 0.41 32
태양계 행성의 태양 상수 ( K )와 유효 온도 ( e )