Оценка энергии солнечного излучения
Интенсивность солнечного света, которая достигает земли меняется в зависимости от времени суток, года, местоположения и погодных условий. Общее количество энергии, подсчитанное за день или за год, называется иррадиацией (или еще по-другому «приход солнечной радиации») и показывает, насколько мощным было солнечное излучение. Иррадиация измеряется в Вт*ч/м² в день, или другой период.
Интенсивность солнечного излучения в свободном пространстве на удалении, равном среднему расстоянию между Землей и Солнцем, называется солнечной постоянной. Ее величина — 1353 Вт/м². При прохождении через атмосферу солнечный свет ослабляется в основном из-за поглощения инфракрасного излучения парами воды, ультрафиолетового излучения — озоном и рассеяния излучения частицами атмосферной пыли и аэрозолями. Показатель атмосферного влияния на интенсивность солнечного излучения, доходящего до земной поверхности, называется «воздушной массой» (АМ). АМ определяется как секанс угла между Солнцем и зенитом.
На рис.1 показано спектральное распределение интенсивности солнечного излучения в различных условиях. Верхняя кривая (АМ0) соответствует солнечному спектру за пределами земной атмосферы (например, на борту космического корабля), т.е. при нулевой воздушной массе. Она аппроксимируется распределением интенсивности излучения абсолютно черного тела при температуре 5800 К. Кривые АМ1 и АМ2 иллюстрируют спектральное распределение солнечного излучения на поверхности Земли, когда Солнце в зените и при угле между Солнцем и зенитом 60°, соответственно. При этом полная мощность излучения — соответственно порядка 925 и 691 Вт/м². Средняя интенсивность излучения на Земле примерно совпадает с интенсивностью излучения при АМ=1,5 (Солнце — под углом 45° к горизонту) [1].
Около поверхности Земли можно принять среднюю величину интенсивности солнечной радиации 635 Вт/м². В очень ясный солнечный день эта величина колеблется от 950 Вт/м² до 1220 Вт/м². Среднее значение — примерно 1000 Вт/м² [860 ккал/(м²ч)]. Пример: Интенсивность полного излучения в Цюрихе (47°30′ с. ш., 400 м над уровнем моря) на поверхности, перпендикулярной излучению:1 мая 12 ч 00 мин 1080 Вт/м²;21 декабря 12 ч 00 мин 930 Вт/м².
Для упрощения вычисления по приходу солнечной энергии, его обычно выражают в часах солнечного сияния с интенсивностью 1000 Вт/м². Т.е. 1 час соответствует приходу солнечной радиации в 1000 Вт*ч/м². Это примерно соответствует периоду, когда солнце светит летом в середине солнечного безоблачного дня на поверхность, перпендикулярную солнечным лучам.
Приход солнечной радиации меняется в течение дня и от места к месту, особенно в горных районах. Иррадиация меняется в среднем от 1000 кВт*ч/м² в год для северо-европейских стран, до 2000-2500 кВт*ч/м² в год для пустынь. Погодные условия и склонение солнца (которое зависит от широты местности), также приводит к различиям в приходе солнечной радиации.
В России, вопреки распространённому мнению, очень много мест, где выгодно преобразовывать солнечную энергию в электроэнергию при помощи солнечных батарей. Ниже приведена карта ресурсов солнечной энергии в России. Как видим, на большей части России можно успешно использовать солнечные батареи в сезонном режиме, а в районах с числом часов солнечного сияния более 2000 часов/год — круглый год. Естественно, в зимний период выработка энергии солнечными панелями существенно снижается, но все равно стоимость электроэнергии от солнечной электростанции остается существенно ниже, чем от дизельного или бензинового генератора.
Особенно выгодно применение солнечных батарей там, где нет централизованных электрических сетей и энергообеспечение обеспечивается за счет дизель-генераторов. А таких районов в России очень много.
Более того, даже там, где сети есть, использование работающих параллельно с сетью солнечных батарей позволяет значительно снизить расходы на электроэнергию. При существующей тенденции на повышении тарифов естественных энергетических монополий России, установки солнечных батарей становится умным вложением денег.
Спектр солнечного света: описание, особенности
Спектром солнечного света можно любоваться во всей его красе в оптическом и метеорологическом явлении – радуге. Лучи света, проходящие через крошечные капли воды, взвешенные в воздухе, преломляются под разными углами в зависимости от длины волны света. В результате белый свет разлагается на отдельные цвета, и на небе образуется разноцветная дуга (рис. 1.).
Рис. 1. Радуга
Солнечный свет – это свет, идущий от солнца на поверхность Земли. Свет – это видимая часть электромагнитного излучения, воспринимаемая человеческими глазами.
Электромагнитная волна, которая представляет собой пространственно-распространяющееся возмущение электромагнитного поля, характеризуется:
- частотой ν, которая представляет собой количество полных изменений магнитного и электрического поля в секунду, выраженным в герцах (Гц),
- длиной волны λ, которая представляет собой расстояние между соседними точками, в которых электрическое и магнитное поля находятся в одной фазе.
Эти величины связаны между собой: чем выше частота, тем меньше длина волны: ν = с / λ , где с – скорость света, равная приблизительно 3*10 8 м/с.
Видимый свет – это узкий диапазон длин волн от 3,8 * 10 -7 м до 7,5 * 10 -7 м (т.е. от 380 до 750 нм). Электромагнитное излучение с длиной волны более 750 нм, невидимое для человека, называется инфракрасным излучением, а излучение с длиной волны менее 380 нм – ультрафиолетовым излучением.
Мы можем разделить источники света на несколько категорий, включая тепловое, синхротронное излучение и излучение, испускаемое электронами в атоме или твердом теле. К тепловым источникам света относятся: звезды, лампочки, галогенные лампы, дуговые лампы и пламя. Источниками света также могут быть синхротронное (синхротронное излучение) и светоизлучающие диоды (LED), люминесцентные лампы, ртутные лампы, кварцевые лампы, мазер и лазер (как излучение электронов).
Мы воспринимаем солнечный свет как белый свет. Если пропустить этот свет через призму, он расщепляется на разные цвета (рис. 2.). Каждый цвет соответствует своей длине электромагнитной волны: от 380 нм для фиолетового света до 750 нм для красного. Разделив белый свет на отдельные цвета, мы получим спектр белого света (рис. 3.).
Особенности.
Спектр солнечного света – это записанное изображение излучения, распределенного по различным длинам волн.
Рис. 2. Свет расщепляется в призме на отдельные цвета, создавая спектр белого света Рис. 3. Спектр белого света
Приблизительные диапазоны длин волн для отдельных цветов следующие:
- фиолетовый 380-430 нм;
- синий 430-500 нм;
- зеленый 500-570 нм;
- желтый 570-620 нм;
- красный 620-750 нм.
Открытие того, что белый свет состоит из света разных цветов, принадлежит Ньютону, который в XVII веке впервые расщепил солнечный свет в призме, получив многоцветный спектр. Ньютон также показал, что при объединении расщепленного света с помощью линзы и второй призмы снова получается белый свет.
Разложение солнечного света при прохождении через границы двух сред вызвано тем, что показатель преломления для данной среды меняется в зависимости от длины волны – он имеет наименьшее значение для красного света и наибольшее для фиолетового. Согласно закона преломления света: sin α / sin β = n , где где α – угол падения, β – угол преломления, n – показатель преломления, – фиолетовый луч будет отклоняться сильнее, чем красный (рис. 4.).
Рис. 4. Угол преломления зависит от значения показателя преломления. Для фиолетового света угол преломления βf меньше, чем для красного света βc
Разложение белого света показывает, из каких цветов состоит свет, но не дает информации о том, какова мощность излучения во всех последовательных местах цветового спектра. Для более тщательного изучения спектра излучения необходимо перемещать датчик, например, фотоэлемент, вдоль спектра для измерения мощности для каждой длины волны. Измеренное количество лучистой энергии в определенных диапазонах длин волн света λ позволяет построить кривую спектрального распределения (рис. 5.).
Рис. 5. Кривая спектрального распределения
Кривая спектрального распределения показывает измеренное количество энергии излучения в определенных спектральных диапазонах.
На рис. 6 показана кривая спектрального распределения солнечного излучения. Вертикальная ось показывает интенсивность излучения, I, приходящуюся на интервал длин волн ( λ, λ + Δλ ).
Интенсивность излучения (или мощность излучения) – это энергия, излучаемая в единицу времени на единицу телесного угла. На горизонтальной оси указана длина волны излучения λ с обозначением диапазона длин волн видимого света. Мы видим, что наибольшая мощность излучения, достигающего Земли, находится в видимом световом диапазоне с максимумом при длине волны около 500 нм, что соответствует сине-зеленому цвету. В солнечном излучении содержатся все длины волн видимого света, поэтому мы воспринимаем солнечный свет как белый.
Однако излучение Солнца выходит далеко за пределы этого диапазона. Оно также содержит ультрафиолетовое излучение, длина волны которого короче, чем у видимого света, и инфракрасное излучение, длина волны которого больше, чем у видимого света.
Рис. 6. Кривая спектрального распределения солнечного излучения – зависимость интенсивности излучения от длины волны
В начале 19 века в спектре солнечного света были обнаружены темные полосы. Они были названы линиями Фраунгофера в честь их первооткрывателя. Некоторые из линий Фраунгофера показаны на рис. 7. Сегодня мы знаем, что положение этих линий в спектре несет информацию о химическом составе солнечной атмосферы. Они были созданы, когда излучение прошло через атмосферу Солнца и содержащиеся в ней атомы поглотили фотоны с характерными для этих атомов длинами волн. Таким образом, для этих длин волн в солнечном спектре произошел разрыв (темная полоса).
Рис. 7. Спектр солнечного света с видимыми линиями Фраунгофера
Солнце — это просто. Часть вторая: механизмы радиоизлучения
Продолжаю тему, начатую ранее. Статья получила множество откликов, в том числе через хабрапочту и аську. Многие высказывали полезные дополнения и исправляли некоторые неточности, имевшиеся в статье. За это большое спасибо!
В этой части я хотел бы немного рассказать о механизмах радиоизлучения, о том, как оно возникает и какое оно вообще бывает :). Ну и в качестве затравки на будущее несколько фотографий активных областей Солнца, полученных мной с помощью радиотелескопа Nobeyama: 
Так вот, про механизмы радиоизлучения 🙂
Электромагнитное излучение создаёт любой ускоряющийся заряженный объект, будь то протон или электрон. Так как масса электрона во много раз меньше массы протона, то и излучать электрон будет намного сильнее. Почему так? Мощность излучения заряженной частицы мы можем посчитать по формуле Лармора: 
Здесь q — заряд, a — ускорение и c — скорость света в вакууме. Воспользуемся также вторым законом Ньютона и в итоге получим, что чем меньше масса, тем больше излучение. К слову сказать, излучает электрон в 4 миллиона раз сильнее протона.
Элементарные механизмы электромагнитного излучения
1.Тормозной
При таком механизме излучения среда воздействует на движущийся заряд. Кулоновские (дальние) столкновения приводят к ускорению или замедлению заряда. Соответственно электрон начинает излучать.
2.Черенковский
Для понимания принципа данного механизма достаточно представить аналогию с ударной волной от самолета или волной, создаваемой лодкой (катером, прутиком), движущимися по воде.
3.Изгибный (магнитодрейфовый)
Я думаю, многие помнят из школьного (или институтского) курса физики движение тела по изгибающейся линии (каждая точка такой лини обладает радиусом кривизны, для окружности — радиусом). Собственно данное ускорение именно оттуда 🙂
4. Излучение в линиях
Излучение происходит из-за энергетических переходов в молекулах и атомах.
5. Магнитотормозной
На Солнце в активных областях (АО) основным излучающим механизмом является именно магнитотормозной механизм излучения. Расскажем о нём побольше. 
Магнитотормозное излучение определяется тем, что при движении электрона в магнитном поле под углом к силовой линии (такой угол называют питч-углом) траекторией движения электрона является спиралевидная линия с осью вдоль силовой линии магнитного поля. При проектировании этой спиралевидной линии на плоскость, перпендикулярную вектору магнитного поля B, образуется окружность. Поскольку электрон движется в магнитном поле, на него действует сила Лоренца: 
Частота вращения электрона по окружности есть гирочастота: 
В зависимости от скорости движения электрона выделяют три вида магнитотормозного излучения. Если излучающая частица – слабо релятивистская, то излучение циклотронное. В таких случаях энергия излучающей частицы много меньше энергии покоя частицы. Если частица – ультрарелятивистская, то излучение называют синхротронным. При этом энергия излучающей частицы много больше энергии покоя этой частицы. Циклотронное и синхротронное излучение – два крайних вида магнитотормозного излучения. Существует промежуточный вид магнитотормозного излучения – гиросинхротронное излучение. В этом случае излучающая частица – умеренно релятивистская, и энергия движения такой частицы сравнима с её энергией покоя.
Частотный спектр гиросинхротронного излучения представляет из себя вот что: 
Условно частотный спектр делится на 3 участка: оптически толстый, оптически тонкий режимы и режим, в котором значение оптической толщины приближено к 1. В фазе роста частотного спектра значение оптической толщины много больше 1 (источник находится в оптически толстом режиме), в области высоких частот значение оптической толщины много меньше 1 (источник находится в оптически тонком режиме). В окрестностях наибольшего значения интенсивности радиоизлучения значение оптической толщины порядка 1.
На этом вводная часть завершена, в следующих частях будет непосредственно Солнце и описание того, что же там происходит 🙂
Ну и напоследок:
Вики-справка по статье:
1. Про энергетические уровни читать здесь
2. Релятивистская — близкая к скорости света
3. Энергия покоя — E = mc^2
4. Частотный спектр — зависимость интенсивности радиоизлучения от частоты генерируемого излучения
5. Оптическая толщина — величина, которая характеризует ослабление света в среде за счёт его поглощения и рассеивания.
6. Почему электрон излучает при ускорении: читать здесь или Гинзбурга «Теоретическая физика и астрофизика».
Книги по теме:
1. Железняков В.В. «Излучение в астрофизической плазме».
2. Краус Дж.Д. «Радиоастрономия».
Вторая книга сильно попроще 🙂 первая для маньяков 🙂 До встречи!
Солнечная радиация или ионизирующее излучение солнца
Солнце – источник света и тепла, в котором нуждается все живое на Земле. Но помимо фотонов света, оно излучает жесткую ионизирующую радиацию, состоящую из ядер и протонов гелия. Почему так происходит?
Причины возникновения солнечного излучения
Солнечная радиация образуется в дневные часы во время хромосферных вспышек – гигантских взрывов, происходящих в атмосфере Солнца. Часть солнечного вещества выбрасывается в космическое пространство, образуя космические лучи, главным образом состоящие из протонов и небольшого количеств ядер гелия. Эти заряженные частицы спустя 15-20 минут после того, как солнечная вспышка становится видимой, достигают поверхности земли.
Воздух отсекает первичное космическое излучение, порождая каскадный ядерный ливень, который затухает с понижением высоты. При этом рождаются новые частицы – пионы, которые распадаются и превращаются в мюоны. Они проникают в нижние слои атмосферы и попадают на землю, зарываясь вглубь до 1500 метров. Именно мюоны отвечают за образование вторичного космического излучения и естественной радиации, воздействующей на человека.
Спектр солнечного излучения
Спектр солнечного излучения включает как коротковолновые, так длинноволновые области:
- гамма-лучи;
- рентгеновское излучение;
- УФ-радиацию;
- видимый свет;
- инфракрасную радиацию.
Свыше 95% излучения Солнца приходится на область «оптического окна» – видимого участка спектра с прилегающими областями ультрафиолетовых и инфракрасных волн. По мере прохождения через слои атмосферы действие солнечных лучей ослабляется – вся ионизирующая радиация, рентгеновские лучи и почти 98% ультрафиолета задерживаются земной атмосферой. Практически без потерь до земли доходит видимый свет и инфракрасное излучение, хотя и они частично поглощаются молекулами газов и частицами пыли, находящимися в воздухе.
В связи с этим, солнечное излучение не приводит к заметному повышению радиоактивного излучения на поверхности Земли. Вклад Солнца вместе с космическими лучами в формирование общей годовой дозы облучения составляет всего 0,3 мЗв/год. Но это усредненное значение, на самом деле уровень падающего на землю излучения различен и зависит от географического положения местности.
Где солнечное ионизирующее облучение сильнее?
Наибольшая мощность космических лучей фиксируется на полюсах, а меньше всего – на экваторе. Связано это с тем, что магнитное поле Земли отклоняет к полюсам заряженные частицы, падающие из космоса. Кроме этого, излучение усиливается с высотой – на высоте 10 километров над уровнем моря его показатель возрастает в 20-25 раз. Активному воздействию более высоких доз солнечной радиации подвергаются жители высокогорий, поскольку атмосфера в горах тоньше и легче простреливается идущими от солнца потоками гамма-квантов и элементарных частиц.
Важно. Серьезного воздействия радиационный уровень до 0,3 мЗв/ч не оказывает, но при дозе 1,2 мкЗ/ч рекомендуется покинуть район, а случае крайней необходимости находится на его территории не более полугода. При превышении показаний вдвое следует ограничить пребывание в этой местности до трех месяцев.
Если над уровнем моря годовая доза космического облучения составляет 0,3 мЗв/год, то при повышении высоты через каждые сто метров этот показатель увеличивается на 0,03 мЗв/год. После проведения небольших расчетов можно сделать вывод, что недельный отпуск в горах на высоте 2000 метров даст облучение 1мЗв/год и обеспечит почти половину общей годовой нормы (2,4 мЗв/год).
Получается, что жители гор получают годовую дозу радиации, в разы превышающую норму, и должны чаще болеть лейкозом и раком, чем люди, живущие на равнинах. На самом деле, это не так. Наоборот, в горных районах фиксируется более низкая смертность от этих заболеваний, а часть населения – долгожители. Это подтверждает тот факт, что длительное нахождение в местах высокой радиационной активности не оказывает негативного влияния на организм человека.
Солнечные вспышки – высокая радиационная опасность
Вспышки на Солнце – большая опасность для человека и всего живого на Земле, поскольку плотность потока солнечного излучения может превышать обычный уровень космического излучения в тысячу раз. Так, выдающийся советский ученый А. Л. Чижевский связал периоды образования солнечных пятен с эпидемиями тифа (1883-1917 г) и холеры (1823-1923 г) в России. На основании сделанных графиков он еще в 1930 году предсказал возникновение обширной пандемии холеры в 1960-1962 годах, которая и началась в Индонезии в 1961 году, затем быстро распространилась на другие страны Азии, Африки и Европы.
Сегодня получено множество данных, свидетельствующих о связи одиннадцатилетних циклов солнечной активности со вспышками заболеваний, а также с массовыми миграциями и сезонами бурного размножения насекомых, млекопитающих и вирусов. Гематологи установили увеличение количество инфарктов и инсультов в периоды максимальной солнечной активности. Такая статистика связана с тем, что в это время у людей повышается свертываемость крови, а так как у больных с заболеваниями сердца компенсаторная деятельность угнетена, возникают сбои в его работе вплоть до некрозов сердечной ткани и кровоизлияний в мозг.
Большие солнечные вспышки происходят не так часто – раз в 4 года. В это время увеличивается количество и размер пятен, в солнечной короне образуются мощные коронарные лучи, состоящие из протонов и небольшого количества альфа-частиц. Самый мощный их поток астрологи зарегистрировали в 1956 году, когда плотность космического излучения на поверхности земли увеличилась в 4 раза. Еще одним последствием подобной солнечной активности стало полярное сияние, зафиксированное в Москве и Подмосковье в 2000 году.
Как себя обезопасить?
Конечно, повышенный радиационный фон в горах – не повод отказываться от поездок в горы. Правда, стоит подумать о мерах безопасности и отправиться в путешествие вместе с портативным радиометром, который поможет контролировать уровень радиации и при необходимости ограничить время пребывания в опасных районах. В местности, где показании счетчика показывают величину ионизирующего облучения в 7 мкЗв/ч, не стоит находиться больше одного месяца.