Солнечная энергия для планеты Земля

Солнечная энергия для планеты Земля

Контрольная работа

Солнечная энергия для планеты Земля

1. Характеристики Солнца

Центром нашей планетарной системы является Солнце — звезда в виде раскаленного плазменного шара, из всех звезд ближе всего расположенная к планете Земля. Солнце является огромным источником энергии мощностью около 3,86·1023 кВт. Количества тепла, излучаемого Солнцем каждую секунду, составляющего 88·1024 кал. или 370·1012 ГДж, хватило бы, чтобы растопить лед толщиной в тысячу километров. Из этого количества тепла поверхности Земли достигает лишь 1,2.1012 Вт. Примерно одна миллионная доля энергии, излучаемой Солнцем, достигает верхних слоев земной атмосферы, 25 % рассеивается газами и примесями, и 47 % этой энергии достигает земной поверхности.

Считается, что в недрах Солнца происходят термоядерные реакции, протекающие при огромной температуре (около 15 млн. градусов) и давлении и сопровождаемые выделением большого количества энергии. Предполагается, что одной из таких реакций может быть синтез ядер водорода с образованием ядер гелия: каждую секунду 564 млн. т водорода преобразуются в 560 млн. т гелия, а остальные 4 млн. т водорода трансформируются в излучение. Протекание такой термоядерной реакции будет происходить, пока не иссякнут запасы водорода, которых должно хватить еще на несколько миллиардов лет.

Температура поверхности Солнца достигает 6000 К. Возраст Солнца оценивается не менее чем в 5 млрд. лет — это возраст планеты Земля, Солнце же образовалось намного раньше. Расстояние Солнца от Земли составляет 149 600 000 км. Масса Солнца приблизительно в 333 000 раз больше массы Земли и в 750 раз больше массы всех остальных Солнечной системы. Средняя плотность солнечного вещества составляет примерно 1 400 кг/мі, что близко к плотности воды и в тысячу раз больше плотности воздуха у поверхности Земли. Во внешних слоях Солнца плотность в миллионы раз меньше среднего значения, а в центре — в 100 раз больше.

Солнце имеет следующий химический состав: водород (~ 73% от массы и ~ 92% от объема), гелий (~ 25% от массы и ~ 7% от объема) и другие химические элементы с меньшей концентрацией (менее 1 %): железо, никель, кислород, азот, кремний, сера, магний, углерод, неон, кальций и хром.

Солнце является источником различных типов излучения, а также элементарных частиц. Солнечное излучение бывает прямым и рассеянным (на различных частицах, содержащихся в воздухе), в совокупности оба вида излучения образуют суммарное солнечное излучение. Рассеянная радиация является единственным источником энергии в приземных слоях атмосферы в пасмурные дни. Солнечная энергия постепенно поглощается земной атмосферой, и не все виды солнечного излучения достигают Земли. В настоящее время отмечается увеличение поглощаемого Земной поверхностью солнечного тепла ввиду увеличения количества парниковых газов в атмосфере Земли.

Солнечная радиация представляет собой электромагнитное излучение в диапазоне волн от 0,28 до 3 мкм и скоростью 300 000 км/с. Условно весь солнечный спектр подразделяется на видимые лучи, ультрафиолетовое излучение и инфракрасное излучение. Основная доля энергии, излучаемой солнцем, приходится на видимый свет [1]. В пределах солнечного спектра волны имеют следующие диапазоны:

ультрафиолетовые, длиной 0,28-0,38 мкм (2% солнечного спектра);

световые (видимые), длиной от 0,38 до 0,78 мкм (49 % солнечного спектра);

инфракрасные, длиной от 0,78 до 3,3 мм (большая часть оставшейся части спектра).

Количество солнечной энергии, поступающей на верхнюю границу атмосферы, невелико. Поток солнечной энергии, вычисленный на 1 см2 за минуту, называют солнечной постоянной, которая составляет 1,98 кал/см2∙мин (или 1382 Дж/(м2 ·с), или 1382 Вт/м2). Так как Земля имеет форму шара, то лишь четверть этого потока приходится в среднем на единицу площади сферы, то есть 345,5 Дж/(м2·с).

Атмосфера является мощным фильтром, задерживающим некоторую часть солнечного излучения. В слоях атмосферы образуются вертикальные зоны высокой энергии, где и происходит частичное поглощение солнечной энергии. Существенное поглощение коротковолновой ультрафиолетовой радиации происходит на высоте свыше 100-200 км над земной поверхностью (в термосфере). В озоносфере (в стратосфере) на высоте от 15 до 25 км теряется еще некоторая часть коротковолновой ультрафиолетовой радиации.

Кроме того, часть солнечного излучения отражается и поглощается облаками, различными компоненты и примесями в атмосфере. Земной поверхности достигает часть прямой и часть рассеянной радиации. Отношение потока отраженного радиационного излучения к потоку падающего излучения называют альбедо, которое зависит от характера оптических свойств географического ландшафта и положения в пространстве отражающей поверхности. Величина альбедо изменяется в пределах от 95% у свежевыпавшего снега до 5% у воды (при вертикальном падении солнечных лучей). Леса отражают значительно меньше — от 10 до 20%, сельскохозяйственные поля — от 17 до 30%.

Таким образом, количество солнечной энергии, попадающей на определенную единицу земной поверхности в единицу времени зависит от нескольких факторов: широты местности, климатических условий, сезонности, угла наклона поверхности по отношению к Солнцу, рельефом, растительностью. солнце излучение магнитный буря

Рассеивание и поглощение солнечной энергии сильно зависят от антропогенных факторов, таких как выбросы промышленных предприятий, городской смог, а также природных явлений: деятельности вулканов, выбрасывающих в атмосферу колоссальные количества пепла, дыма лесных пожаров, пылевых бурь и т. д.

2. Солнечная энергия и природные процессы

Количество получаемой земной поверхностью солнечной радиации зависит от высоты солнца, географической широты местности, времени года, прозрачности атмосферы . Количество солнечной радиации неравномерно в разное время суток в разное время года. В полдень, когда Солнце находится над горизонтом, путь прохождения солнечного излучения через атмосферу уменьшается, количество солнечного излучения максимально, солнечная радиация меньше поглощается и рассеивается. Если рассматривать поступление солнечной энергии на Землю в течение года, то на Севере зимой оно значительно меньше, чем летом, в результате день короче и меньшая освещенность зимой. Ближе к экватору эти различия сглаживаются. Т.е. количество радиации, достигающей земной поверхности, зависит от угла падения лучей (широты местности).

Солнечная радиация определяет физико-географические процессы, происходящие на земной поверхности и в атмосфере. В результате неравномерного поступления солнечной энергии в разные географические районы Земли, на нашей планете образовались климатические пояса.

На поступление солнечной энергии на поверхность Земли оказывают влияние атмосферные явления. Например, из-за облачности, земной поверхности достигает меньшее количество солнечной энергии. Над горами часто формируется облачная завеса, образующаяся в результате конденсации влаги, приносимой воздушными массами. Количество солнечной радиации в прибрежных районах и в континентальной местности существенно различается.

В тропосфере, получающей солнечную энергию, образуются облака и возникают другие метеорологические процессы (атмосферные осадки, ураганы, ветры и др.). Под воздействием солнечной энергии происходит перемещение огромных масс воды, представляющих собой океанические течения, например, Гольфстрим.

В озоносфере благодаря солнечной активности происходят изменения: толща озона изменяется в сторону уменьшения в среднем на 2 % (максимум 8 %) на, увеличивает интенсивность ультрафиолетового излучения для земной поверхности.

В результате воздействия солнечной энергии происходят процессы выветривания и эрозии горных пород. Результатом воздействия солнечной энергии является образование энергетических ресурсов планеты, захороненных в недрах Земли в виде углей, нефти и природного газа.

Помимо солнечного излучения, в атмосферу земли проникает поток ионизированных частиц (протонов, нейтронов, альфа частиц) гелиево-водородного состава, называемый Солнечным ветром. Солнечный ветер взаимодействует с магнитным полем Земли. Такие природные явления, как геомагнитные возмущения (бури) и полярные сияния связаны с влиянием солнечного ветра [2].

Количество тепла и света, поступающего от Солнца на Землю на протяжении многих сотен миллиардов лет, остается постоянным, но интенсивность солнечной радиации значительно меняется в зависимости от уровня солнечной активности. С периодичностью в 11 лет солнечная активность достигает максимальных значений. Усиление солнечной активности характеризуется увеличением числа пятен и вспышек на поверхности Солнца. Солнечные лучи, обладающие наибольшей энергией, достигают поверхности Земли спустя несколько минут после вспышки [1]. На Земле же в такие моменты возникают магнитные бури, усиливается ионизация верхних слоев атмосферы, изменяется уровень воды в водоемах [2].

Сильные магнитные бури сопровождаются появлением акустических колебаний очень низкой частоты (инфразвука). Эти акустические сигналы генерируются при развитии полярных сияний. Ураганы, сильные молниевые разряды, землетрясения, извержения вулканов тоже сопровождаются появлением акустических шумов, и часто это связано с солнечной активностью [1].

Огромное значение солнечная энергия имеет для формирования биомассы. Органические полезные ископаемые: уголь, нефть и газ — это тоже производные солнечной энергии. Органические вещества в растениях, необходимые для производства тепловой и электрической энергии, появляются в результате фотосинтеза.

3. Роль солнечной энергии в биосфере

Солнце оказывает свое воздействие не только на погоду и земной магнетизм, но и на биосферу, включающую животных, растения, микроорганизмы, а также человека.

Исключительная роль Солнца состоит в происхождении и развитии жизни на Земле. Благодаря незначительной части солнечной энергии, попадающей на Земную поверхность, поддерживается функционирование всех компонентов биосферы, происходит газовый обмен в атмосфере, осуществляются процессы теплообмена на поверхности суши и океана, обеспечивается жизнедеятельность живых организмов.

Благодаря Солнцу в зелёных частях растений образуется пигмент хлорофилл, с помощью которого происходит реакция фотосинтеза — взаимодействие диоксида углерода и воды. Часть солнечной энергии расходуется на обогрев земной поверхности и испарение воды и лишь 0,2-0,3 % солнечной энергии используется в процессе фотосинтеза. Эта энергия преобразуется в энергию химических связей органических веществ. Продуктом фотосинтеза является кислород, самый необходимый химический элемент для жизни организмов, а также оказывающий влияние на химические процессы в земной коре, в частности, образование минералов. При реакции фотосинтеза образуется и глюкоза, с помощью которой синтезируется целлюлоза, формирующая растения. При расщеплении и окислении органических веществ в процессе питания освобождается энергия, которая расходуется на процессы жизнедеятельности организмов: рост, движение, размножение, развитие, обогрев тела.

Таким образом, постоянно поступающая солнечная энергия аккумулируется в органических веществах и ее используют все живые организмы. Незначительного количества солнечной энергии, достигающей земной поверхности и поглощаемой растениями, оказывается достаточным для обеспечения синтеза огромного количества органического вещества биосферы. Растения служат пищей для животных существ, поглощая, таким образом, накопленную солнечную энергию. При переходе от одного звена живых организмов к другому, солнечная энергия распределяется между живыми организмами, включая людей.

Большую роль в жизнедеятельности организмов имеет озоновый слой, создающий защиту организмов от опасного коротковолнового ультрафиолетового излучения. Ультрафиолетовое солнечное излучение разрушает молекулу кислорода в воздухе, которая распадается на два атома, и свободные атомы кислорода соединяются с другими молекулами кислорода, образуя молекулу из трёх атомов — озон. Озон образуется и за счет атмосферных электрических разрядов, называемых молниями. Озон играет очень важную роль в биосфере, поэтому формирование озоновых дыр представляет серьёзную угрозу для живых организмов, включая человека.

Однако ультрафиолетовые лучи в небольшом количестве необходимы для человека, так как под их воздействие образуется жизненно важный витамин D. Из-за недостатка этого витамина снижается усвоение организмом кальция и возникает рахит — серьёзное заболевание, оказывающее влияние на формирование костной ткани у детей. У взрослых при недостатке витамина D отмечается размягчение костей (остеомаляция). Появляется быстрая утомляемость, бессонница и пр. Из-за снижения усвоения кальция усиливается и хрупкость мелких кровеносных сосудов, увеличивается проницаемость тканей. В небольшом количестве ультрафиолетовые лучи улучшают работу кровеносных органов и процессы обмена веществ, усиливают дыхание клеток.

Благодаря ультрафиолетовым лучам, в атмосфере ускоряются процессы самоочищения от загрязнений, вызванных антропогенным влиянием.

4. Использование солнечной энергии

Использование солнечной энергии является наиболее экологичным и естественным способом получения энергии. Во многих странах количество попадающей на крыши зданий солнечной энергии значительно превышает потребности в этой энергии этих зданий. Следовательно, появляется возможность использования этой энергии. Солнечные коллекторы, поглощающие солнечную энергию и вырабатывающие тепло, способны обеспечить горячей водой и отоплением, а фотоэлектрические установки преобразуют солнечный свет непосредственно в электроэнергию [4].

Существуют активные и пассивные системы для использования солнечной энергии. Коллекторы и солнечные фотоэлементы относятся к активным солнечным системам. Пассивные системы устанавливаются при оптимальном для использования энергии расположении зданий по отношению к Солнцу. Но и активные системы должны быть правильно ориентированы по отношению к Солнцу для получения наибольшего эффекта от их использования.

Южная сторона здания лучше всего подходит для установки солнечного оборудования. Учитывается также и угол наклона: световоспринимающая поверхность должна находиться перпендикулярно по отношению к солнечным лучам. Стационарные солнечные батареи максимальное количество солнечной радиации в течение года получают при их расположении под углом наклона относительно уровня горизонта, равным географической широте местности, в которой расположено здание. Поэтому при проектировании зданий, предполагающих использование энергии солнца, необходимо учитывать как угол наклона крыши, так и ориентацию на юг, а также расстояние от фотоэлектрических батарей до места потребления, которое должно быть как можно более меньшим, в целях уменьшения энергопотерь [4].

Значительная часть территории нашей страны имеет благоприятные для использования солнечной энергии климатические условия. В южных ее районах продолжительность солнечного излучения составляет в среднем 2000-3000 часов в год. Количество солнечной энергии в самом солнечном месяце года — июле, приходящееся на 1 м2 горизонтальной поверхности, находится в диапазоне 6,4-7,5 кВт/ч в день. Использование солнечной энергии в данных районах может иметь важное хозяйственное значение [4].

Литература

1.Владимирский Б.М., Кисловский Л.Д. Солнечная активность и биосфера. М.: Знание. 1982. 63 с.

2.Влияние солнечной активности на атмосферу и биосферу Земли / М.Н. Гневышев, А.И. Соль. — М.: Наука, 1971. — 256 с.

3.Солнце. Солнечная радиация. Виды солнечной радиации // Энергия солнца <http://xn—-8sbhhqawkgirq2e9d.xn--p1ai/>. URL: <http://xn—-8sbhhqawkgirq2e9d.xn--p1ai/> (Дата обращения: 13.12.2013).

.Энергия солнца. URL: http://www.solarbat.info/drugoe/energia-solnca (Дата обращения: 13.12.2013).