Бақылау сұрақтары:

1. Күннің жерден қашықтығы. Күн сәулесі ағынның қуаты қанша кВт-ты құрайды және күннің химиялық құрамы қандай элементтерден тұрады?

2. Күннің ішінде секундына қанша материяны энергияға айналдырады және олардың атомдық элменттері қандай күйде болады?

3. Плазма – ол қандай қоспалардан құралады?

4. Термоядролық тектесу дегеніміз не?

5. Күнді ұстап тұратын қандай күш?

6. Күннің орталық аймағында ыстықтығы және одан бөлінетін энергия қалай жүреді және оның формуласы қандай?

7. Күн қандай қабаттардан тұрады?

8. Жер күннен қанша жылу алады, оның қанша пайызын атмосфера қабатынан және бұлттардан кері шағылдырады?

9. Күн энергиясының жерге түсетін жылдық мөлшерінің оның қанша бөлігі жердің құрғақ бөлігіне түседі?

10. Күннен жылына 1 м² жерге түсетін энергиясының шамасы неге тең?

11. Күн радиациясының жылдық орташа тығыздығы қандай?

12. Күн радиация ағынының атмосферадан тыс жоғарғы шектік қабатындағы тығыздығы қандай шаманы құрайды оны қалай атайды ?

13. Күн энергияның бір сағатта 1 м² ауданға түсетін орташа шамасы неге тең?

14. Жер Күнді өз орбитасымен айналғанда оның арақашықтықтығы бір жылда қанша пайызға өзгеріп отырады?

15. Күн кеңістік жағдайында жерден қарағанда қандай бұрышпен көрінеді?

16. Күн энергияның спектрі атмосфераның жоғарғы тыс қабатында қандай толқын ұзындығы аралығында орналасқан?

3-ДӘРІС

Тақырып : Күн сәулесінің Жер атмосферасымен өзара әсерлесуі. Күн радиациясының түрлері және оны өлшейтін аспаптар

Жоспар:

Күн сәулесінің атмосферада жұтылуы және оған байланысты әрекеттесуі.

Күн радиациясының түрлері және оны өлшейтін аспаптар

Күн сәулесінің атмосферада жұтылуы және оған байланысты әрекеттесуі

Күн сәулесінің энергиясын Жер бетіне түсетін қарқындылығы атмосферадан тыс шеткі қабатпен салыстырғанда едәуір төмен, себебі оның атмосфералық қабаты арқылы өтетін жарықтық сәулелермен болатын бірқатар атмосферадағы үдерістердің әсерінен төмендейді.

Күн бетінің физикасын ұлғайтқыш оптикалық аспаптардың көмегімен бақылай отырып, оның бетіндегі күңгірт аймақтарды, күн дақтарын, күн алауларын және жарық шашатын аймақтарын бақылауға болады.

Күнде сәулеленудің жалпы қарқындылығы мен оның толқын ұзындықтарына таралуы, әсіресе спектрдің ультракүлгін аймағында, тіптен дерлік өзгермейтіндігі анықталған.

Жер бетіне Күннен орасан зор – жылына 66,8∙10¹⁶ кВт сағ жуық энергия түседі [6,15,19,38].

Алайда атмосферадағы әрқилы күрделі әсерлесулердің салдарынан жер бетіне күн энергиясының тек бір бөлігі ғана жетеді.

Б)

4.2 а, б-сурет. Күн сәулесі атмосфера арқылы өткенде туындайтын өзгерістік жағдайлар

Атмосфераның Жер бетінен 25 км және одан да қашықтағы жоғары қабаттарында ультракүлгін сәулеленудің жұтылуы мен шашырауы жүреді.

Толқын ұзындығы 0,32 мкм-нан аз фотондардың әсерінен озонның О₂ және О-ге ыдырауы жүреді. Осылайша, ультракүлгін сәулеленудің барлық дерлік энергиясы О, О₂ және О₃-тің ыдырау және бірігуінің тұрақты үдерісін қолдауға жұмсалады, оның нәтижесінде атмосфера арқылы өту кезінде ультракүлгін сәулелену аз энергиялы сәулеленуге түрленеді. Және бұл біздің бақытымыз, өйткені ультракүлгін сәулелену теріні күйдіреді, көзді зақымдайды және тіпті өлім қаупі болуы да мүмкін.

Су тамшылары да күнмен сәулеленуді дәл осылай күшті шашыратады. Олардың жоғары тығыздығы кезінде, мысалы ауыр бұлтта, шашыраудың күштілігі сондай, тіпті фотондардың 80%-ы кері ғарыш кеңістігіне қайта шағылады.

Атмосферамен әсерлесудің нәтижесінде Жер бетіндегі күнмен сәулеленудің қарқындылығы оның атмосфераның жоғары қабаттарындағы мәнімен салыстырғанда екі еседен астам азаяды (4.2-сурет).

Осылайша энергияның спектрлік таралуы да елеулі өзгереді (4.3-сурет).

4.3-сурет. Күн сәулесінің спектрлік сипаттамасы

Күнмен сәулелену атмосфера арқылы өту кезінде тағы бір айтарлықтай кедергіге тап келеді – бұл су буының, көмірқышқыл газының және тағы да басқа сәулеленуді жұтатын қосылыстардың молекулалары.

Бұл эффектілердің барлығы атмосфераның құрамына тәуелді болады және бір орыннан екіншісі орынға дейін байқаларлықтай өзгереді. Күн сәулесінің өтуіне үлкен қалалардың атмоферасының едәуір ластануы, теңіз жағалауындағы су буының жоғары мөлшері, бұлттылық және т.б. кедергі келтіреді.

Бірақ, шамасы, жер шарының кез келген нүктесіндегі күн сәулесінің қарқындылығын анықтайтын негізгі фактор болып оның жүріп өткен жолы болып табылады.

Оптикалық маңыз (масса)

Тікелей күн сәулелерінің атмосфера арқылы жүріп өткен қашықтығы түсу бұрышына (зениттік бұрыш) және бақылаушының теңіз деңгейінен орналасу биіктігіне тәуелді болады (4.4-сурет).

Біз аспан бұлтсыз, шаңсыз немесе ауаның ластануынсыз ашық деп жорамалдаймыз. Атмосфераның жоғары шекарасы дәл анықталмағандықтан, өтілген қашықтықтан гөрі маңыздырақ фактор сәулеленудің атмосфералық газдар және булармен әсерлесуі болып табылады. Қалыпты қысым кезіндегі атмосфера арқылы қалыпты өтетін тура сәуле ағыны ауаның белгілі бір массасымен әсерлеседі. Ол сәуленің көлбеу түсуі кезіндегі жол ұзындығының ұлғайтады.

4.4-сурет. Оптикалық маңыз (масса) m = secθ

1 – т коэффициентіне көбейтілген жүрілген жолдың ұзындығы; 2 – қалыпты түсу кезіндегі жолмен салыстырғандағы сәуленің θ_z бұрышымен көлбей түсуі кезіндегі жол ұзындығының ұлғаюы оптикалық масса деп аталады және т символымен белгіленеді [6,19,27,38].

Оптикалық масса үшін АМ қысқартылуы қолданылады. АМ0 нөлдік атмосфераға, яғни атмосферадан тыс ғарыштық кеңістіктегі сәулеленуге; АМ1 сәйкес келеді m = 1 Күннің зенитте орналасуына сәйкес келеді; АМ2 – m = 2 және т.с.с.

4.4-суретінен жер бетінің қисықтығын есепке алмағанда мынаны аламыз.

m=secθ_z. (4.1)

Жылыжай әсері және ұзын толқынды сәулелену

Егер Жердің радиусы R, ал ғарыштық күнмен сәулеленудің қарқындылығы (күн тұрақтысы) S_o болса, онда Күннен алынған энергияның шамасы мынаны құрайды πR² (1 — ρ₀)S_o.

Бұл энергия Жердің ғарыш кеңістігіне тарайды сәулелік энергиясының шағылдырғыш қабілеттілігі ε=1 және Жердің орташа температурасы Т_е тең болғанда

(4.2 )

демек,

Ғарыштан бақылағанда Жер бетінің ұзын толқынды сәулеленуінің спектрлік таралуы 250 К температурадағы абсолюттік қара дененің спектрлік таралуына сәйкес келеді.

Атмосфераның сәулеленуі Жер бетімен қатар қарама-қарсы бағытта да таралады. Жердің қара денесінің сәулелендіргіш ретіндегі тиімді температурасы Жер бетінің емес, атмосфераның сыртқы қабаттары сәулелендіретін температураға баламалы.

Жер бетінің орташа температурасы 14ºС шамасын құрайды, бұл осы жағдайда инфрақызыл жылу оқшаулағыш экранның рөлін атқаратын сыртқы атмосфераның температурасынан шамамен 40ºС-қа жоғары.

Бұл температураның жоғарылауы жылыжай әсері деп аталады, өйткені бау жылыжайының шынысы да дәл осылай инфрақызыл сәулеленуді жылыжайдан сыртқа шығармайды, бірақ қысқатолқынды күнмен сәулеленуді ішке өткізеді.

Ауа толықтай дерлік мөлдір болғандықтан, Жер бетіндегі дене өзін сол сәтте қоршап тұрған ауамен емес, одан гөрі салқынырақ атмосфераның жоғарғы қабаттарымен сәулелік энергиямен алмасады.

Бұл жағдайда атмосфераның жоғарғы қабаттары аспан температурасы деп аталатын денені қоршаған ауаның T_a температурасынан төменірек T_s температуралы ерекшеленген кеңістік түрінде болады. Жүргізілген бағаларға сәйкес

(4.3)

Дегенмен, шөл далалы аудандарда T_a - T_s = 25° С дейін жетуі мүмкін.

Күн радиациясының түрлері және оны өлшейтін аспаптар

Метеорологияда сәулелік энергия ағындары толқын ұзындықтары 0,2-ден 5,0 мкм-ге дейінгі қысқа толқынды радиацияға және толқын ұзындықтары 5,0-ден 100 мкм-ге дейінгі ұзын толқынды радиацияға бөлінеді.

Қысқа толқынды күн радиациясының ағындары :

– тікелей;

– шашыранды (диффузиялық);

– қосынды.

W-күн энергиясы деп электромагниттік толқындармен тасымалданатын энергияны атайды.

Халықаралық бірліктер жүйесінде W сәулелену энергиясының бірлігі болып – 1 джоуль саналады.

Сәулелік ағын – Ф_э келесі формуламен анықталады

Ф_э=W/t, (4.4)

мұндағы W – t уақытындағы сәулелену энергиясы. W=1Дж, t=1с деп шамалай отырып, мынаны аламыз: 1(Ф_э)=1Дж/1 сек=1 Вт.

Сәулеленудің сәулелік ағынының тығыздығы (радиация ағыны-I) келесі формуламен анықталады:

I=Ф_э/S, (4.5)

мұндағы, Ф_э – S жер бетіне біркелкі түсетін сәулелену ағыны.

Ф_э=1Вт, S=1м² деп шамалай отырып, 1(Е_э)=1Вт/ 1 м²=1 Вт/м² аламыз.

I_т тікелей күн радиациясы – күн дискісінен түсетін және жазықтықта өлшенетін, күн сәулелеріне перпендикуляр сәулелену ағыны түрінде болады.

Көлбей бетке түсетін радиация келесі формула бойынша есептеледі;

S^'=I_тsinh, (4.6)

Мұндағы, h – күннің көкжиекпен салыстырғандағы биіктігі.

Тікелей түсетін күн радиациясын өлшеу үшін Савинов-Янишевский актинометрі қолданылады.

Атмосфераға көтерілген атмосфералық газдар молекулаларының, су тамшыларының немесе бұлттардың мұз кристалдары мен қатты бөлшектердің күн радиациясын шашыратуы нәтижесінде көлбей бетке Күн дискісінің радиусы 5⁰ күн төңірегіндегі аймақтан басқа аспан күмбезінің барлық нүктелерінен түсетін радиация шашыранды күн радиациясы D деп аталады.

Толық (Жиынтық) күн радиациясы Q – көлденең бетке түсетін сәулеленудің екі түрін қамтиды: тікелей және диффузиялық;

Q=S^'+D (4.7)

Жер бетіне жеткен жиынтық радиацияның көп бөлігі топырақтың немесе судың жоғары жұқа қабатында жұтылады да, жылуға айналады, ал жартысы шағылады.

Күнмен, Жер бетімен және атмосферамен сәулелендірілетін энергия және оның түрленулері зерттелетін геофизиканың бөлімі актинометрия, ал радиацияның әрқилы түрлерін өлшеуге арналған аспаптар – актинометриялық аспаптар деп аталады.

Савинов-Янишевский актинометрі АТ-50

Актинометр тікелей күн радиациясын өлшеуге арналған және бақылау құралы ретінде қызмет ете алады [6,19,24,25].

Радиация қабылдағыш ретінде күміс фольгадан жасалған қалыңдығы 20 мкм және диаметрі 11 мм жұқа дискі 1 қызмет етеді (4.5-сурет). Дискінің сыртқы жағы (күнге қаратылған) арнайы лакты жабынмен қарайтылған, ал ішкі жағына папирос қағаз арқылы 36 тақ термобатареяның дәнекер жапсарлары 2 жапсырылған. Сыртқы жұп дәнекер жапсарлар 3 біршама ауыр мыс сақинаға 4 бекітілген. Термобатарея мыс сақинамен бірге сыртқы ұшында қабылдағыш саңылау қызметін атқаратын диаметрі 20 мм диафрагмасы бар ұзындығы 116 мм мыс түтікке 7 (4.6-сурет) орналастырылған. Түтіктің ішінде тағы да диаметрі бойынша кеми беретін, диаметрі 10 мм болатын ең кішісі термобатареямен қатар орналасқан диафрагмалар қатары бар. Бұл диафрагмалар қатары Күн дискісі 5⁰ күн төңірегіндегі кеңістікке тең денелік бұрыш құрады. Темробатареядан шығатын сымдар 12 қысқыштар арқылы гальванометрге жалғанады.

4.5-сурет. Актинометрдің термобатареясы: 1 – қабылдағыш пластина; 2 – термобатареялар; 3 – папирос қағазы; 4 – мыс сақина.

Гальванометрдің көрсеткіштері термотоктың күшіне пропоционалды, демек, тікелей күн радиациясының энергетикалық жарықталуына да пропорционалды.

Актинометрдің корпусы тіреуге 10 және көрсеткіш салынған табанға 11 орнатылады, көрсеткіштің көмегімен біз аспапты солтүстікке бағдарлаймыз. Ось 8 ендіктер шкаласы 9 көмегімен әлем осі бойынша орнатылады. Актинометр бойынша бақылау жүргізу үшін оны термобатарея Күнге көзделетін етіп бағдарлау қажет, ол үшін аспаптан қақпағын 1 алып түтіктің кіріс саңылауын Күнге бағыттайды.

4.6-сурет. Савинов-Янишевский актинометрі: 1 – қақпақ; 2, 3 – винттер; 4 – иілулер осі; 5 – экран; 6 – тұтқа; 7 – түтік; 8 – ось; 9 – ендіктер секторы; 10 – тіреу; 11 – табан; 12 – сымдар; 13 – саңылау

Бұл кезде экранда 5 концентрлі көлеңке қалыптасатындай түтіктің орналасуына қол жеткізе отырып, 3 және 6 винттарын басқарып отырады, ал күн сәулесі диафрагма жақтауындағы саңылаудан 13 «күн шұғыласы» түрінде өте отырып экранға салынған қара нүктеге түсуі қажет. Бұл жағдайда аспаптың сезімтал элементі (термобатарея) күн сәулелеріне перпендикуляр бағытталған.

Янишевскидің термоэлектрлік пиранометрі

Бұл аспап аспан күмбезімен қатар жер бетінде орналасқан заттардан да келетін жиынтық және шашыранды радиацияны өлшеуге арналған. Егер бұл аспаптың радиация қабылдағышын созылып жатқан бет жағына қарай бұрса, онда ол шағылған радиацияны тіркейді.

Қазіргі уақытта метеорологиялық станцияларда қолданылатын пиранометрлерде (4.7-сурет) қабылдағыш қызметін шахмат тақтасы тәрізді ақ-қара өрістерге боялған шаршы термобатарея 1 атқарады.

Пиранометрлерде манганин мен константаннан құралған тізбектеле жалғанған термоэлементтер батареясы қолданылады. Термобатареяның беті қара (күйемен) және ақ (магнезиямен) бояумен жабылған, осылайша, жұп дәнекер жапсарлар бір түске, ал тақтары – басқа түске боялады. Бұл жабындардың пайдаланылуы күйе мен магнезияның спектрдің ұзынтолқынды бөлігіндегі жұту қабілеті бірдей болғандығына байланысты. Қысқатолқынды аумақта күйе магнезияға қарағанда қарқындырақ жұтады, міне спектрдің дәл осы бөлігінің есебінен дәнекер жапсарлар арасында температура айырмасы туындайды.

Пиранометрдің термобатареясы 1 оқшаулағыш қабат арқылы аспаптың корпусына бекітілген.

Термобатареяның шеткі термолементтерінен корпустың төменгі жағындағы қысқыштарға өткізгіштер шығады (суретте олар көрінбейді). Шахматтық тәртіпте боялған бүкіл термобатарея өз құраушысы бойында шыны қақпақша бұрандаланатын винттік оймасы 3 бар дискінің шаршылай ойығына 2 бекітіледі. Шыны жартысфера термобатареяны механикалық бұзылудан қорғаныс ретінде ғана емес, сонымен қатар ең әуелі желдің әсерінен құтылу үшін қажет.

Бүкіл термобатарея дискі және шыны жартысферамен бірге 5 мосылы 4 тіреуге винттеледі, мосының көмегімен аспаптың қабылдағышын көлденең деуге болады (4.7-сурет). Дәл осы мосыда аспап қондырғысының көлденеңдігін қадағалауға арналған шартәрізді деңгей бекітіледі (суретте көрсетілмеген).

Тіреуге 4 қысқа металл оқтауша 6 қосарланған, оған винттің 7 көмегімен аспаптың қабылдағыш бетін тікелей күн сәулелерінен көлеңкелеуге және осы уақытта тек шашыранды радиацияны өлшеуге мүмкіндік беретін көлеңкелі экраны 9 бар жеңіл дюральді түтік 8 бекітіледі.

Оқтаушаның ұзындығы экран дискі қабылдағыштың ортасынан 10º бұрыштан көрінетіндей. Қабылдағыштың ашық күйінде жиынтық радиация өлшенеді.

Үш аяқты тірегіш 5 қабылдағышпен және шыны жартысферамен бірге 180º-қа төңкеріле алады, бұл аспапты жер жаққа қарай бағыттап шағылған қысқатолқынды радиацияны өлшеуге мүмкіндік береді (сәулеленудің ұзынтолқынды бөлігін шыны сфера жібермейді). Шыны жартысфераны қорғау үшін аспаптың басушы қақпақшамен жабдықталған.

4.7-сурет. Янишевский пиранометрі: а – басұш; 1 – термобатарея: 2 – диск; 3 – винттік ойма; б – сыртқы түрі.