Күн тұрақтысы – күннен бір астрономиялық бірлік қашықтықтағы энергия мөлшері. 1.361 кВт/м² (күн минималды кезеңінде) және 1.362 кВт/м² (максималды кезеңінде).
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Күн сәулесінің қарқындылығы немесе күн тұрақтысы
Intensity of sunlight or solar constant
Күн тұрақтысы (КТ) – Күннен бір астрономиялық бірлік қашықтықтағы белгілі бір ауданға түсетін энергия мөлшерін өлшейтін шама. Нақтырақ айтқанда, бұл бірлік ауданына шағылысатын орташа күн электромагниттік сәулеленуінің (жалпы күн сәулеленуі) ағын тығыздығы. Ол Күннен бір астрономиялық бірлік қашықтықта (ау), сәулелерге перпендикуляр бетте өлшенеді (шамамен Күн мен Жер арасындағы қашықтық). Күн тұрақтысы – бүкіл электромагниттік спектрдегі сәулеленуді қамтиды. Спутник арқылы өлшегенде, күннің ең аз белсенділік кезеңінде (күннің 11 жылдық циклында күн дақтарының саны ең төменгі шегіне жеткенде) 1,361 киловаттқа тең (кВт/м2), ал күннің ең жоғары белсенділік кезеңінде шамамен 0,1%-ға артық (шамамен 1,362 кВт/м2) болып тіркеледі. Күн "тұрақтысы" – қазіргі заманғы CODATA ғылымының мағынасында физикалық тұрақты шама емес; яғни, ол физикада мүлдем өзгермейтін Планк тұрақтысы немесе жарық жылдамдығы сияқты емес. Күн тұрақтысы – өзгеретін мәннің орташа көрсеткіші. Соңғы 400 жылда ол 0,2%-дан кем өзгерген. Миллиард жыл бұрын бұл көрсеткіш әлдеқайда төмен болған. Бұл тұрақты сәулелену қысымын есептеу үшін қолданылады, бұл күн желкеніне түсетін күшті анықтауға көмектеседі.
The solar constant (GSC) measures the amount of energy received by a given area one astronomical unit away from the Sun. More specifically, it is a flux density measuring mean solar electromagnetic radiation (total solar irradiance) per unit area. It is measured on a surface perpendicular to the rays, one astronomical unit (au) from the Sun (roughly the distance from the Sun to the Earth). The solar constant includes radiation over the entire electromagnetic spectrum. It is measured by satellite as being 1.361 kilowatts per square meter (kW/m2) at solar minimum (the time in the 11 year solar cycle when the number of sunspots is minimal) and approximately 0.1% greater (roughly 1.362 kW/m2) at solar maximum. The solar "constant" is not a physical constant in the modern CODATA scientific sense; that is, it is not like the Planck constant or the speed of light which are absolutely constant in physics. The solar constant is an average of a varying value. In the past 400 years it has varied less than 0.2 percent. Billions of years ago, it was significantly lower. This constant is used in the calculation of radiation pressure, which aids in the calculation of a force on a solar sail.
Есептеу
Күн сәулеленуі Жер атмосферасының үстіндегі спутниктермен өлшенеді, содан кейін кері квадрат заңы қолданылып, бір астрономиялық бірліктегі (ау) күн сәулеленуінің шамасын анықтап, осыған сәйкес күн тұрақтысы бағаланады. Шамамен орташа мән, толық мәліметтер үшін күннің өзгеруін қараңыз.
Solar irradiance is measured by satellites above Earth's atmosphere, and is then adjusted using the inverse square law to infer the magnitude of solar irradiance at one Astronomical Unit (au) to evaluate the solar constant. The approximate average value cited, see solar variation for details.
Тарихи өлшеулер
1838 жылы Клод Пуйе күннің тұрақтысын алғаш рет есептеп шығарды. Ол өзі жасаған өте қарапайым пиргелиометрді пайдаланып, қазіргі бағалауға жақын 1.228 кВт/м² мәнін алды. 1875 жылы Жюль Виолле Пуйе жұмысын жаңартып, Францияның Монблан тауынан алған өлшеулеріне негізделген 1.7 кВт/м² шамасында сәл жоғарырақ мән берді. 1884 жылы Сэмюэл Пирпонт Лэнгли Калифорниядағы Уитни тауынан күннің тұрақтысын бағалауға тырысты. Ол күнің әртүрлі уақытындағы өлшемдерді алып, атмосфераның сіңіру әсерін түзетуге ұмтылды. Дегенмен, ол ұсынған 2.903 кВт/м² соңғы мәні тым жоғары болды. 1902 және 1957 жылдар аралығында Чарльз Грили Аббот және басқалар түрлі биіктіктегі жерлерде өлшеулер жүргізіп, 1.322 мен 1.465 кВт/м² аралығында мәндер тапты. Аббот Лэнглидің түзетулерінің бірінің қате қолданылғанын көрсетті. Абботтың нәтижелері 1.89 мен 2.22 калория (1.318 – 1.548 кВт/м²) аралығында ауытқыды, бұл ауытқу Күнге, Жер атмосферасына емес, байланысты болғандай көрінді. 1954 жылы күннің тұрақтысы 2.00 кал/мин/см² ± 2% деп бағаланды. Қазіргі нәтижелер шамамен 2,5 пайызға төмен.
In 1838, Claude Pouillet made the first estimate of the solar constant. Using a very simple pyrheliometer he developed, he obtained a value of 1.228 kW/m2, close to the current estimate. In 1875, Jules Violle resumed the work of Pouillet and offered a somewhat larger estimate of 1.7 kW/m2 based, in part, on a measurement that he made from Mont Blanc in France. In 1884, Samuel Pierpont Langley attempted to estimate the solar constant from Mount Whitney in California. By taking readings at different times of day, he tried to correct for effects due to atmospheric absorption. However, the final value he proposed, 2.903 kW/m2, was much too large. Between 1902 and 1957, measurements by Charles Greeley Abbot and others at various high altitude sites found values between 1.322 and 1.465 kW/m2. Abbot showed that one of Langley's corrections was erroneously applied. Abbot's results varied between 1.89 and 2.22 calories (1.318 to 1.548 kW/m2), a variation that appeared to be due to the Sun and not the Earth's atmosphere. In 1954 the solar constant was evaluated as 2.00 cal/min/cm2 ± 2%. Current results are about 2.5 percent lower.
Күн сәулеленуі
Атмосфераның жоғарғы жағындағы нақты тікелей күн сәулесі бір жыл ішінде шамамен 6,9%-ға (қаңтардың басында 1,412 кВт/м²-ден шілде айының басында 1,321 кВт/м²-ге дейін) өзгереді, себебі Жердің Күнге дейінгі қашықтығы өзгеріп отырады, ал әдетте күннен күнге 0,1%-дан да аз ауытқу байқалады. Осылайша, бүкіл Жер үшін (көлденең қимасы 127 400 000 км² болатын) қуат 1,730 × 10¹⁷ Вт (немесе 173 000 терават) құрайды, бұл көрсеткіш ±3,5% (шамамен 6,9% жылдық диапазоның жартысы) шамасында өзгеруі мүмкін. Күн тұрақтысы ұзақ мерзімде өзгермейді (күннің өзгеруін қараңыз), бірақ бір жыл ішінде атмосфераның жоғарғы жағында өлшенген күн сәулеленуінен гөрі әлдеқайда аз өзгереді. Бұл себебі, күн тұрақтысы 1 астрономиялық бірлік (а.б.) қашықтықта есептеледі, ал күн сәулеленуі Жер орбитасының эксцентриктігіне тәуелді болады. Жердің Күнге дейінгі қашықтығы жыл бойы перигелийде 147,1 × 10⁶ км-ден афелийде 152,1 × 10⁶ км-ге дейін өзгереді. Сонымен қатар, Жер орбитасының ұзақ мерзімді (ондағаннан жүздеген мың жылдарға дейінгі) аздаған өзгерістері (Миланкович циклдары) күн сәулеленуі мен инсоляцияға (бірақ күн тұрақтысына емес) әсер етеді. Жерге түсетін сәулеленудің жалпы мөлшері Жердің көлденең қимасымен (π·RE²) анықталады, бірақ Жердің айналуы кезінде бұл энергия бүкіл беттік ауданына (4·π·RE²) таралады. Осылайша, сәулелердің түсу бұрышын және планетаның жартысының кез келген уақытта күн сәулесін қабылдамайтынын ескере отырып, келіп түсетін орташа күн сәулесі күн тұрақтысының төрттен бір бөлігіне тең (шамамен 340 Вт/м²). Жер бетіне жететін мөлшер (инсоляция ретінде) атмосферадағы сәулеленудің әлсіреуінен одан әрі азаяды, бұл көрсеткіш өзгеруі мүмкін. Кез келген сәтте Жер бетіндегі нақты бір жерге түсетін күн сәулесінің мөлшері атмосфераның жағдайына, сол жердің ендігіне және тәуліктің уақытына байланысты болады.
The actual direct solar irradiance at the top of the atmosphere fluctuates by about 6.9% during a year (from 1.412 kW/m2 in early January to 1.321 kW/m2 in early July) due to the Earth's varying distance from the Sun, and typically by much less than 0.1% from day to day. Thus, for the whole Earth (which has a cross section of 127,400,000 km2), the power is 1.730×1017 W (or 173,000 terawatts), plus or minus 3.5% (half the approximately 6.9% annual range). The solar constant does not remain constant over long periods of time (see Solar variation), but over a year the solar constant varies much less than the solar irradiance measured at the top of the atmosphere. This is because the solar constant is evaluated at a fixed distance of 1 Astronomical Unit (au) while the solar irradiance will be affected by the eccentricity of the Earth's orbit. Its distance to the Sun varies annually between 147.1·106 km at perihelion and 152.1·106 km at aphelion. In addition, several long term (tens to hundreds of millennia) cycles of subtle variation in the Earth's orbit (Milankovich cycles) affect the solar irradiance and insolation (but not the solar constant). The Earth receives a total amount of radiation determined by its cross section (π·RE2), but as it rotates this energy is distributed across the entire surface area (4·π·RE2). Hence the average incoming solar radiation, taking into account the angle at which the rays strike and that at any one moment half the planet does not receive any solar radiation, is one fourth the solar constant (approximately 340 W/m2). The amount reaching the Earth's surface (as insolation) is further reduced by atmospheric attenuation, which varies. At any given moment, the amount of solar radiation received at a location on the Earth's surface depends on the state of the atmosphere, the location's latitude, and the time of day.
Көрініс көлемі
Күн тұрақтысы күннің электромагниттік сәулеленуінің барлық толқын ұзындығын қамтиды, көрінетін жарықты ғана емес (электромагниттік спектрді қараңыз). Ол Күннің көрінетін шамасымен тікелей байланысты, ол -26,8 шамасына тең. Күн тұрақтысы және Күннің шамасы – Күннің көзге көрінетін жарқылығын сипаттаудың екі тәсілі, алайда шама тек Күннің көру арқылы қабылданатын жарық шығысына негізделген.
The solar constant includes all wavelengths of solar electromagnetic radiation, not just the visible light (see Electromagnetic spectrum). It is positively correlated with the apparent magnitude of the Sun which is −26.8. The solar constant and the magnitude of the Sun are two methods of describing the apparent brightness of the Sun, though the magnitude is based on the Sun's visual output only.
Күннің жалпы сәулеленуі
Жердің Күннен көрінетін бұрыштық диаметрі шамамен 1/11,700 радиан (шамамен 18 доға секунді), демек Күннен көрінетін Жердің қатты бұрышы шамамен 1/175,000,000 стерадианды құрайды. Осыған байланысты, Күн Жерге түсетін сәулелену мөлшерінен шамамен 2,2 миллиард есе көп сәуле шығарады, яғни шамамен 3,846 × 1026 ватт.
The angular diameter of the Earth as seen from the Sun is approximately 1/11,700 radians (about 18 arcseconds), meaning the solid angle of the Earth as seen from the Sun is approximately 1/175,000,000 of a steradian. Thus the Sun emits about 2.2 billion times the amount of radiation that is caught by Earth, in other words about 3.846×1026 watts.
Күн сәулеленуінің бұрынғы өзгеруі
1978 жылы күн сәулесін ғарыштан бақылау басталды. Осы өлшемдер күн тұрақтысының тұрақты емес екенін көрсетеді. Ол 11 жылдық күн дақтың циклымен өзгереді. Ескірек уақытқа қарай, соңғы 400 жылдағы күн дақтарын немесе 10 000 жыл бұрынғы космогендік радионуклидтерді пайдалана отырып, сәулеленуді қайта құруға сүйену қажет. Мұндай қайта құрулар күн сәулесінің нақты кезеңділіктермен өзгеретінін көрсетеді. Бұл циклдар: 11 жыл (Швабе), 88 жыл (Глейсберг циклы), 208 жыл (ДеВрис циклы) және 1000 жыл (Эдди циклы). Миллиардтаған жылдар бойы Күн біртіндеп кеңейіп, осының нәтижесінде үлкен бетінен көбірек энергия шығарады. Жер бетінде миллиардтаған жылдар бұрын сұйық судың болуының анық геологиялық дәлелдерін, Күннің жарқырауы қазіргі деңгейінің 70% құраған кезде қалай түсіндіруге болады деген шешілмеген мәселе – әлсіз жас Күн парадоксы деп аталады.
Space based observations of solar irradiance started in 1978. These measurements show that the solar constant is not constant. It varies with the 11 year sunspot solar cycle. When going further back in time, one has to rely on irradiance reconstructions, using sunspots for the past 400 years or cosmogenic radionuclides for going back 10,000 years. Such reconstructions show that solar irradiance varies with distinct periodicities. These cycles are: 11 years (Schwabe), 88 years (Gleisberg cycle), 208 years (DeVries cycle) and 1,000 years (Eddy cycle). Over billions of years, the Sun is gradually expanding, and emitting more energy from the resultant larger surface area. The unsolved question of how to account for the clear geological evidence of liquid water on the Earth billions of years ago, at a time when the sun's luminosity was only 70% of its current value, is known as the faint young Sun paradox.
Атмосфералық жағдайларға байланысты өзгерістер
Күн энергиясының шамамен 75 пайызы ғана жер бетіне жетеді, тіпті бұлтсыз аспанда да атмосфера оның бір бөлігін шағылыстырып, сіңіріп алады. Жіңішке цирр бұлттары осы көрсеткішті 50 пайызға дейін, ал тығыз цирр бұлттары 40 пайызға дейін төмендетеді. Осылайша, күн тікелей жоғарыда болғанда жер бетіне жететін күн энергиясы цирр бұлттары болғанда 550 Вт/м²-ден, ал аспан ашық болғанда 1025 Вт/м²-ге дейін өзгеруі мүмкін.
At most about 75% of the solar energy actually reaches the earth's surface, as even with a cloudless sky it is partially reflected and absorbed by the atmosphere. Even light cirrus clouds reduce this to 50%, stronger cirrus clouds to 40%. Thus the solar energy arriving at the surface with the sun directly overhead can vary from 550 W/m2 with cirrus clouds to 1025 W/m2 with a clear sky.