Воздух хорошо пропускает солнечные лучи: Свойства воздуха. Видеоурок. Окружающий мир 3 Класс

Содержание

Урок «Свойства воздуха»

Представление о результатах:

Личностные результаты: готовность и способность обучающихся к саморазвитию; осознание ответственности человека за общее благополучие; самооценка на основе критериев успешности учебной деятельности, установка на безопасный, здоровый образ жизни.

Метапредметные результаты: осознанное и произвольное построение сообщения в устной форме; установление причинно-следственных связей; использование инструкций и освоенных закономерностей.

Предметные результаты: научится наблюдать, исследовать явления окружающего мира, выполнять простейшие инструкции..

Цель урока: выяснить свойства воздуха и значение воздуха в природе; учить проводить опыты, фиксировать и анализировать результаты; воспитывать бережное отношение к природе.

Оборудование:

учебник О.Н. Федотовой, Г.В. Трафимовой, С.А. Трафимова “Окружающий мир 2 класс”, рабочая тетрадь №1, хрестоматия по окружающему миру; полиэтиленовые пакеты, газеты, соломинки, стаканы с водой, часы.

Приложение 1 (презентация)

ХОД УРОКА

I. Самоопределение к деятельности.

— Какой урок начинается?
— Проверьте, всё ли готово к уроку.

II. Постановка учебной задачи.

— Тему сегодняшнего урока вы назовете сами, если отгадаете загадку:

Через нос проходит в грудь
И обратный держит путь.
Он невидимый, и всё же
Без него мы жить не можем.

(Воздух).

III. Актуализация знаний учащихся.

— Что же такое воздух? (Смесь газов: кислорода, углекислого газа и других газов).

— На слайде вы видите диаграмму на которой выделены цветом составные части воздуха.

Рисунок 1

Какая из выделенных частей соответствует количеству кислорода в воздухе? (1) (СЛАЙД 3)

— Какая из частей соответствует количеству углекислого газа? (2)
— Для чего нам нужен воздух? (Он необходим для дыхания человека и животных, для растений).
— Что произойдет, если воздух вдруг исчезнет? (Мы не проживем и несколько минут).

IV. Открытие нового знания.

— Где находится воздух? (Воздух заполняет все промежутки, все трещинки и щелки в предметах. Он растворен в воде морей, озер, рек, ручьев).

— Сегодня мы проведем первое заседание клуба “Ключ и заря” в нашем классе, которое будет посвящено свойствам воздуха. Задание всем присутствующим: провести опыты и наблюдения. Составить сообщение на тему “Свойства воздуха”.

(СЛАЙД 4)

— Посмотрите на доску, на ней записаны правила поведения при проведении опытов: (СЛАЙД 5)

  1. Необходимо бережно относится ко всем приборам, их можно не только разбить, ими можно и пораниться.
  2. Во время работы можно не только сидеть, но и стоять.
  3. Опыты проводятся поочередно каждым учеником.
  4. Если опыт проводит один ученик, то второй молча наблюдает. Только после этого проводится обмен мнениями по результатам проведенного опыта.
  5. Переговариваться друг с другом нужно тихо, не мешая остальным.
  6. Подходить к столу и проводить замену лабораторного оборудования можно только с разрешения учителя.
  7. После окончания работы необходимо тщательно вымыть руки с мылом.

— Мы будем проводить опыты по определению свойств воздуха и составим план доклада на доске из предложений выводов по каждому из них.

— Воздух окружает нас со всех сторон. Вы можете потрогать воздух? Проведем опыт, и вы почувствуете его.

Опыт №1.

— Возьмите полиэтиленовый пакет и “поймайте” им воздух. Закрутите пакет. Пакет наполнен воздухом. Сделайте небольшое отверстие, надавите на пакет и направьте струю воздуха на лицо. Вы почувствуете прикосновение воздуха к коже.
— Как иногда играют дети с бумажными пакетами, надувая в них воздух, после резкого удара по пакету что мы слышим? (Пакет громко щелкает и разрывается).
— От чего это происходит? (Это вырвался воздух, который нагнан изо рта).
— Какой опыт проделал Миша, чтоб доказать, что есть воздух вокруг него? (С. 46 учебника).

Вывод: Воздух окружает нас со всех сторон.

(СЛАЙД 6, щелчок мыши).

Работа по хрестоматии.

— В хрестоматии есть текст, который называется “Как обнаружить воздух?”, найдите его по оглавлению. Давайте его прочитаем:
— Так как же можно обнаружить воздух с помощью слуха?
— А с помощью зрения?
— Что вы видите вокруг себя? (Столы, доску, цветы, за окном деревья, облака).
— Воздух мешает нам видеть предметы? (Нет, он прозрачен).

Опыт №2.

— Выполните опыт с цветной полоской, представленный в учебнике на с. 46.

Вывод: Воздух прозрачен.

(СЛАЙД 6, щелчок мыши).

— Можем ли мы увидеть воздух? (Нет, мы не видим окружающего нас воздуха).

Опыт №3.

— Давайте проведем еще один опыт: возьмите соломинку и опустите ее в стакан с водой. Слегка подуйте в соломинку. Что появилось? (Пузырьки воздуха).

— Какого цвета воздух – кто заметил? (Пузырьки воздуха бесцветные).

Вывод: При помощи зрения воздух всё же можно обнаружить в некоторых случаях, мы видим что он бесцветен.

 — Проведите опыт (с. 47 учебника, опыт с цветным стеклышком) и сделайте вывод. (Воздух бесцветен).

Вывод: Воздух бесцветен.

(СЛАЙД 6, щелчок мыши).

— Почему же в параграфе “Свойства воздуха” нет рисунка воздуха? (Воздух бесцветен).
— Вы были в лесу? Вдыхали лесной воздух? Чем он пах? (Лесом). Бродили по берегу реки вечером? Что вы чувствовали? (Запах речки). Что вы чувствуете, когда мама печет пирог? (Запах пирога).
— Чем же пахнет чистый воздух? (Воздух не имеет запаха).

Вывод: Воздух не имеет запаха.

(СЛАЙД 6, щелчок мыши).

— Но иногда невидимый воздух становится видимым, когда в нем слишком много дыма, он приобретает неприятный запах, им становится трудно дышать.

— Прочитайте на с. 47, что нужно делать, если в квартире запахло дымом.
— Расскажите, от чего загрязняется воздух? (В городах строится много заводов. Из их труб в воздух поднимается дым, в котором много пыли ядовитых веществ, вредных для здоровья всех живых существ. Выхлопные газы автомашин так же загрязняют воздух).
— Загрязненный воздух нее может быть использован для дыхания ни одним из живых существ, что же делаю люди, чтобы воздух был чистым?

(На заводах работают установки, которые улавливают пыль и ядовитые газы. Ученые разрабатывают новые машины, которые не будут загрязнять воздух…)

— А главным очистителем воздуха являются зеленые насаждения. Вот почему так легко дышится в лесу. Один только тополь выделяет кислорода столько, сколько 3 липы, 7 елей, 4 осины.

— Всегда ли окружающий вас воздух прозрачен и не имеет запаха? (Обращение к личному опыту детей).

Выполнение заданий в тетради для самостоятельной работы:

— Рассмотрите рисунки на с. 18 (з а д а н и е № 27). Правильно ли поступают взрослые и дети? Придумайте знаки к картинкам и нарисуйте их.

Динамический момент.

— Вы, наверное, устали?
— Воздух поможет вам отдохнуть.

Упражнение  “Цветочная поляна”.

— А теперь расслабьтесь, представьте, что вы оказались на лесной полянке, вокруг прекрасные цветы. Понюхайте цветок, который вам понравился больше всех.
— Какое слово выразит его душистый аромат?
— Сделайте глубокий вздох и скажите (АХ!)
— Почему звери к зиме надевают тёплые пушистые шубки? (В пушистых шубках между ворсинками больше воздуха, который сохраняет тепло).


— Почему звери и птицы в сильный холод прячутся в снег? (Хоть снег и холодный, но между снежинками есть воздух. Этот воздух и защищает животных от холода).
— Почему очень важно, чтоб на полях лежал снег? (Снег защищает посевы от вымерзания. Он холодный, но между снежинками находится воздух. Этот воздух предохраняет растения от холода).
— Значит, воздух обладает ещё одним полезным свойством – сохранять тепло, воздух плохо проводит тепло. Поэтому в домах делают двойные рамы. Воздух между стеклами рам удерживает тепло и не выпускает его на улицу.

Вывод: Воздух плохо проводит тепло.

(СЛАЙД 6, щелчок мыши).

— Рассмотрите иллюстрацию в учебнике на с.48. Почему в холодный зимний день воробей такой нахохленный? (Между перьями воробья – воздух, он сохраняет тепло тела воробья).


— Как человек использует в быту знания о том, что воздух плохо проводит тепло? (В шерстяной и меховой одежде между волосками много воздуха. Именно поэтому она хорошо сохраняет тепло нашего тела в холодную погоду. В ватном халате тоже много воздуха, а так как воздух плохо проводит тепло, то в жаркую погоду он не дает перегреваться телу человека).

Выполнение заданий в тетради для самостоятельной работы:

— Прочитайте о привычке дедушки Вани (з а д а н и е № 26). Почему он так делал?
— Почему летом вам советуют надеть на голову панамку? (Чтобы не напекло голову. Летом Солнце прогревает поверхность Земли, так как воздух пропускает солнечные лучи).
— Что такое облака на небе? (Это капельки воды).
— Когда теплее – когда солнечные лучи беспрепятственно попадают на Землю или когда солнце закрыто облаками, тучами?

(Солнце лучше прогревает Землю когда на небе нет туч, больших кучевых облаков).

Вывод: Воздух хорошо пропускает солнечные лучи.

(СЛАЙД 6, щелчок мыши).

Опыт №4.

— Проделайте опыт с часами (с. 49).
— Что лучше передает звук – воздух или дерево?

Вывод: Воздух хуже проводит звук, чем дерево.

(СЛАЙД 6, щелчок мыши).

V. Первичное закрепление нового знания.

Выполнение заданий в тетради для самостоятельной работы:

З а д а н и я № 23, 24 в тетради.

— Какие условия необходимы для жизни на Земле? (Воздух, вода, тепло).
— Ученые делали опыты с воздухом и узнали, что он состоит из разных газов. Что это за газы? (Кислород и углекислый газ).
— Выполните з а д а н и е № 25 самостоятельно.
— Какие свойства воздуха вы перечеркнули? (Прозрачен, бесцветен, не имеет запаха).
— Какие еще свойства воздуха вы здесь нашли? (Плохо проводит тепло, бесцветен, хорошо пропускает солнечные лучи).
— Вспомните о задании провести опыты и наблюдения, составить сообщение на тему “Свойства воздуха”. Доложите о свойствах воздуха, о которых вы узнали на уроке:

(Выступления учащихся с докладами).

VI. Обобщение усвоенного и включение его в систему ранее изученного.

— Из опытов мы увидели, что вокруг нас есть воздух, но мы его не замечаем: он невидим. Воздух заполняет все промежутки, трещинки и щелки в предметах. Воздух находится не только в твердых телах, но и в воде.
— Дружная работа на уроке помогла вам узнать много интересного о воздухе и составить план сообщения о свойствах воздуха.
— Ребята, людям и животным, заводам и машинам  - всем нужен воздух. Почему же на земле его не становится меньше? (Потому что на Земле есть зеленые растения. Человек дышит кислородом, а выдыхает углекислый газ. А растения используют углекислый газ, а выделяют кислород, который необходим людям и животным).

— Молодцы, ребята! Давайте же стараться жить так, чтобы на нашей планете — Земле всегда цвели цветы и пели птицы! (СЛАЙД 7)

 * Дети читают стихотворение Г. Маршановой “Береги свою планету!” (СЛАЙД 8)

Есть одна планета-сад
В этом космосе холодном.
Только здесь леса шумят,
Птиц скликая перелетных.
И стрекозы только тут
В речку смотрят удивленно.
Здесь в траве живет беспечно
Стрекотун-певун кузнечик,
Юный ветер, хулиган,
Щекочет старый океан,
Грациозные дельфины
Вальс танцуют и поют,

В общем, счастливо живут.
Здесь лишь утро золотое,
Воздух нежно-голубой,
Дышится легко и вволю.
Забываем мы порой –
Воздух дан в аренду нам,
Он один на всех землян.
Чтобы жизнь торжествовала,
Охранять нам воздух надо.
Береги свою планету,
Ведь другой на свете нету!

VII. Рефлексия деятельности.

— Кто оценит свою работу на уроке на “отлично и хорошо”?
— Кто недостаточно уверенно чувствовал себя на уроке, кому нужна помощь в усвоении знаний данной темы?
— Кто сможет продемонстрировать родителям опыты, которые проводили на уроке?
— На ваш взгляд, кто был самым активным на уроке?
— А теперь откройте дневники для домашнего задания.

VIII. Домашнее задание (дифференцированное): с.45-49, читать

Слабые: оформить сообщение с рисунками о воздухе.
Сильные: рисунок на тему “Охрана воздуха”.

Урок по окружающему миру по теме «Воздух. Свойства воздуха»

Цель: формирование образного представления об атмосфере – воздушной оболочке Земли; познакомить с составом воздуха, с некоторыми свойствами воздуха.

Задачи:

  • показать важность воздуха для всего живого;
  • развивать умение исследовать свойства веществ экспериментальным способом
  • развитие речи, познавательного интереса, расширение кругозора учащихся;
  • формирование потребности узнавать неповторимый мир природы;
  • экологическое воспитание учащихся.

Оборудование:

  • учебник, лист бумаги, пенал
  • доска
  • карточки с опорными словами
  • очки от солнца
  • газета

План урока:

  1. Организационный момент
  2. Постановка учебной задачи.
  3. Изучение новой темы
  4. Физкультминутка
  5. Проведение опытов
  6. Подведение итогов

Ход урока

I. Организационный момент.

II. Постановка учебной задачи.

– На предыдущих уроках вы знакомились с живой и неживой природой, изучали её связь.

– Кто мне ответить, что относится к живой природе? (Растения, грибы, животные.)

– Какие признаки живой природы вы знаете? (Живые существа рождаются, растут, развиваются, размножаются, расселяются, умирают.)

– А теперь отгадайте загадки:

Через нос проходит в грудь.
И обратный держит путь.
Он невидимый, и все же,
Без него мы жить не можем. (Воздух)

Карточка с отгадкой вывешивается на доску.

  • В небе подсолнух: весь год цветёт, а семян не дает. (солнце)
– карточка с отгадкой вывешивается на доску.
  • Светит, сверкает, всех согревает. (Солнце)
  • В морях и реках обитает, но часто по небу летает.
  • А как наскучит ей летать, на землю падает опять. (Вода)
  • – Карточка с отгадкой вывешивается на доску.

    – Что можно сказать об этих 3-х словах? (Они все относятся к неживой природе).

    – Скажите, пожалуйста, на ваш взгляд, без чего человек не может прожить? (И без воздуха, и без воды, и без солнца, но дети должны прийти к выводу, что на первом месте стоит воздух, т.к. мы им дышим).

    – Попробуйте задержать дыхание и не дышать, сколько времени вы сможете так продержаться? (Несколько секунд)

    – Как вы думаете, о чем мы будем говорить сегодня на уроке? (О воздухе)

    – Верно, но изучить сам воздух вам довольно ещё тяжело, мы с вами узнаем о нем при помощи изучения его свойств, т.е. тех признаков, по которым вы можете его описать.

    – Итак, наша с вами сегодняшняя задача: это познакомиться со свойствами воздуха.

    III. Изучение новой темы

    – Послушайте небольшое сообщение о воздухе.

    Атмосфера – газовая оболочка, окружающая Землю. Для нас, людей и других существ на земле, атмосфера воспринимается как воздух, среда, на границе которой мы живём, без которой земная жизнь просто невозможна. …Атмосфера оживляет землю. Океаны, моря, реки, ручьи, леса, растения, животные, человек – всё живёт в атмосфере и благодаря ей. Земля плавает в воздушном океане; его волны омывают как вершины гор, так и их подножия; а мы живём на дне этого океана, со всех сторон им охваченные, насквозь им проникнутые…

    – Это слова французского астронома19 века, К. Фламмариона.

    – ВОЗДУХ, смесь газов, из которых состоит атмосфера Земли: азот -78%, кислород – 21%, углекислый газ – 1 %. (учитель вывешивает диаграмму на доску/или через проектор и раздает каждой команде по листочку с мини-диаграммой).

    – Посмотрите на картинку и скажите, из каких компонентов состоит воздух? (азот, кислород, углекислый газ)

    – Содержание, какого компонента в воздухе больше всего? Сколько %? (азота-78%, кислорода -21%, углекислого газа-1%).

    IV. Физкультминутка.

    V. Проведение опытов.

    – С составом воздуха мы разобрались и более подробно с этим вы познакомитесь в старших классах, а сейчас вам придется потрудиться и представить себя в роли ученых, которые находятся в лаборатории и занимаются изучением воздуха, т.е. его свойств. Как и положено, у каждого из вас есть ученая книга – это ваш учебник, листы для записи выводов и специальные приборы, которые будут оставлять след на бумаге и записывать ваши умные мысли – это ручки и карандаши.

    – Откройте учебник на стр. 45, прочитайте тему нашего заседания, она выделена черным цветом.

    (Свойства воздуха).

    – Так как вы все очень умные ученые и у нас настоящее заседание прошу вашего внимания для прослушивания задания.

    (Учитель достает сверток и читает)

    Задание всем присутствующим:

    1. провести опыты и наблюдения;
    2. сделать выводы;
    3. выполнить соответствующие записи.

    – Давайте приступим к работе, дорогие коллеги. Прошу вас прочитать предложение, выделенное голубым цветом.

    (Воздух окружает тебя со всех сторон).

    – Вы согласны с этим?

    – Давайте проведем опыт, переверните страницу своей книги и прочитайте, какой совет в ней написан.

    (сложи газету в несколько раз и взмахни ею около своего лица)

    – Возьмите газету, сложите её и взмахните. Почувствовали легкий ветерок? Это заколебался воздух. Посмотрите на картинку, как Миша доказал, что вокруг него воздух. Как ещё можно доказать? Обсудите в группах.

    (Миша запустил воздушного змея, дунул на одуванчик)

    – Какое первое свойство воздуха вы выяснили?

    (1 свойство воздух содержится во всем, что нас окружает)

    – Положите перед собой листки и заполните первый пункт.

    (дети заполняют таблицу, учитель на доске вывешивает информацию).

    – У вас в учебнике нарисована цветная полоска. Пожалуйста, закройте цветную полоску ладошкой, не отрывая от рисунка, назовите мне цвета. Сможете это сделать?

    – Почему?

    – Уберите руку, теперь можно назвать? Назовите.

    – Вам это ничего не напоминает? Кто догадался, в каком порядке расположены цвета?

    Обсудите и скажите, какой же вывод можно сделать о прозрачности воздуха, после второго опыта? Если закрыли ладошкой и не видим, а когда убрали, то между вами и рисунком только воздух. Сквозь него вы четко видите цвета, в которые раскрашена ладошка.

    (2 свойство воздух прозрачен, учитель вывешивает информацию на доску)

    – Совершенно верно, я вижу вас, а вы видите меня – это говорит о том, что воздух прозрачен. Заполните следующую строчку на вашем листе.

    (дети выполняют задание).

    – У каждой группы на столе лежат очки от солнца. Пожалуйста, пусть кто-нибудь их оденет и посмотрит на лист бумаги. Какого цвета стала бумага?

    – А почему это вы увидели такой цвет, остальные ваши коллеги видят белый, а вы другой цвет. От чего это зависит?

    – Верно, снимите очки и вы увидите тоже, что и все остальные. Какой вывод можно сделать о том, какого цвета воздух?

    (3 свойство воздух бесцветен)

    – Что нам помогло это определить?

    Упражнения для мышц спины и шеи (физкультминутка)

    – Ответьте мне вот на такой вопрос, почему в учебнике нет рисунка воздуха?

    – Прочитайте очень важную информацию на стр.47 в красной рамке.

    (Если в помещении пахнет газом, дымом или гарью, то это означает, что воздух загрязнен.

    Немедленно обратись к взрослым. Они выяснят причину загрязнения воздуха.

    Хорошо, если ты сможешь позвонить по телефону, в службу МЧС.)

    – Прочитайте вывод в голубой рамке. Запишите его.

    (4 свойство чистый воздух не имеет запаха)

    – Назовите мне места, в которых воздух загрязнен? А где он будет чистый?

    – Обратите внимание на окна в своем классе. Там вставлены двойные рамы?

    Как вы думаете для чего? Прочитайте в учебнике.

    (чтобы было теплее, стр.48).

    Дополнительные вопросы:

    – Почему земля под снегом остается теплой, и корни растений не замерзают?

    – На самом деле, что же греет землю, снег ли? (Между снежинками – воздух, он не пропускает холод)

    – Как сидят птички, когда на улице мороз? Почему?

    – А что происходит с мехом животных к зиме? (Мех животных, перья птиц сами по себе не греют, а греет воздух, находящийся между ними)

    – Что ещё добавим в наши исследования? Запишите.

    (5 свойство воздух плохо проводит тепло, учитель вывешивает информацию на доску)

    Дополнительное задание:

    – Прочитайте самостоятельно на стр. 49 текст. И ответьте на вопрос. Почему в жаркие дни вам советуют надеть на голову панамку?

    (6 свойство – воздух хорошо пропускает солнечные лучи)

    – И последний наш с вами опыт: у каждой команды есть на парте механические часы. Положите их перед собой и послушайте их тиканье. Слышите, как они тикают? Постепенно удаляйте часы от себя, пока не перестанете слышать их ход. Положите голову на стол, слышите? Вы отчетливо можете услышать, как работают часы. О чем это говорит? (о том, что воздух хуже передаёт звук, чем дерево)

    – Вы провели ряд опытов, сделали выводы и теперь давайте всё это обобщим. Какие свойства воздуха вы теперь знаете?

    VІ. Подведение итогов.

    Учитель задает вопросы по просмотренному материалу на закрепление, просит учащихся команд задать вопросы друг другу.

    Вода и ее свойства

    Тема урока :

    «Вода в природе. Основные свойства воды» 3 класс УК Плешаков

    • Воздух находится вокруг тебя, проникает во все трещины и щели, заполняет отверстия в почве.
    • Воздух – это смесь газов.
    • При дыхании мы берём из него углекислый газ, а выделяем кислород.
    • Землю окружает слой воздуха, который называют атмосферой .
    • Воздух имеет цвет.
    • Воздух прозрачен.
    • Чистый воздух не имеет запаха.
    • Воздух хорошо проводит тепло.
    • Воздух хорошо пропускает солнечные лучи.
    • Воздух лучше передает звук чем дерево.

    Экспресс – опрос

    • Воздух находится вокруг тебя, проникает во все трещины и щели, заполняет отверстия в почве. ДА
    • Воздух – это смесь газов. ДА
    • При дыхании мы берём из него углекислый газ, а выделяем кислород. НЕТ
    • Землю окружает слой воздуха, который называют атмосферой . ДА
    • Воздух имеет цвет. НЕТ
    • Воздух прозрачен. ДА
    • Чистый воздух не имеет запаха. ДА
    • Воздух хорошо проводит тепло. НЕТ
    • Воздух хорошо пропускает солнечные лучи. ДА
    • Воздух лучше передает звук чем дерево. НЕТ

    Экспресс – опрос

    Что случилось с цветком?

    • Почему это произошло?
    • Без какого вещества ничто живое на земле не может существовать?

    Вода и её

    свойства.

    Использование человеком воды

    Промышленность

    В быту

    НАУКА

    ОТДЫХ

    вода нужна всем

    Гидроэлектростанции

    Вода «добывает» электрический ток, работая на электростанциях

    Осадки –

    снег

    Ветер

    Конденсация пара

    Ледники

    Осадки –

    дождь

    Реки

    Грунтовые воды

    Суша

    Родник

    Испарение

    Подземные воды

    Океан

    Круговорот воды в природе – всемирный процесс

    Свойства воды

    1. Вода прозрачна

    Свойства воды

    2. Вода не имеет цвета

    Свойства воды

    Свойства воды

    3. Вода не имеет запаха и вкуса

    3. Вода не имеет запаха и вкуса

    Свойства воды

    Свойства воды

    4. Вода –растворитель, но не все вещества растворяются в ней

    Свойства воды

    Свойства воды

    4. Нерастворившиеся вещества остаются на фильтре , а вода проходит через него.

    Свойства воды

    Свойства воды

    6. Вода обладает текучестью

    Не зря в народе есть пословица:

    «Не всякая водица для питья годится».

    Мы на 70 % состоим из воды.

    Без воды человек может прожить только 3 дня

    ДЕФИЦИТ ПРЕСНОЙ ВОДЫ

    Многие страны сталкиваются с серьезными водоресурсными проблемами, которые заключаются не только в количественной нехватке воды, но и в дефиците чистых пресных вод. Ежегодно в водоемы попадает огромное количество неочищенных сточных вод. Среди наиболее загрязненных рек и озер мира Дунай, Рейн, Сена, Миссисипи, Волга, Днепр, Ладожское озеро, Балхаш и др.

    Станция по очистке воды.

    Страна

    Афганистан

    Население, имеющее доступ к чистой воде, в %

    13

    Эфиопия

    Чад

    24

    Сьерра-Леоне

    27

    Камбоджа

    28

    Мавритания

    30

    Ангола

    37

    Оман

    38

    Руанда

    39

    Папуа — Новая Гвинея

    41

    Экваториальная Гвинея

    42

    ДР Конго

    43

    Эритрея

    45

    Гаити

    46

    Кения

    47

    48

    Таблица. Страны мира, испытывающие

    дефицит чистой воды (где менее 50%

    населения имеет доступ к

    чистой питьевой воде).

    На одного жителя России приходится воды: средний показатель 22 400 куб.м в/ год

    • Например, для того чтобы получить 1 т бумаги надо взять 250 т воды, на бытовые нужды 1 житель нашего города расходует 200-300 л воды в день, из них в смывном бачке туалета ~ 120 л, для ванны и душа ~ 90 л, мытье посуды ~ 18-20 л, на стирку 12-15 л, на уборку — 9 л, на приготовление пищи и питье 15 л.

    Во всем мире за год выбрасывается:

    более 30 млрд. куб. м неочищенных вод;

    250 млн. тонн пыли;

    200 млн. тонн окиси углерода;

    150 млн. тонн двуокиси серы;

    53 млн. тонн окислов азота;

    70 млн. тонн неочищенных ядовитых газов.

    Вода – это жизнь!

    Вода – одно из главных богатств

    на Земле. Трудно представить,

    Что стало бы с нашей планетой,

    если бы исчезла пресная вода.

    А такая угроза существует.

    Берегите воду!

    От загрязнения воды страдает всё живое, она вредна для жизни человека. Поэтому воду — наше главное богатство, надо беречь!

    Что такое воздух? — урок. Окружающий мир, 2 класс.

    Воздух нас окружает везде: на улице и в помещениях. Воздух проникает во все щели и трещины, он есть под землёй, в почве и в воде. Воздух — это часть неживой природы.

    Воздух — это смесь газов: азота, кислорода и углекислого газа.

    Самый важный из них — кислород, потому что именно им дышит человек.

     

    Воздух есть везде — на улице, в комнате, в земле, в воде. Любое свободное пространство на нашей планете естественным образом заполняется воздухом.

    Атмосфера — это воздушная оболочка, которая окружает нашу планету.

    Мощный слой воздуха окружает Землю. Он сохраняет тепло на нашей планете, полученное от Солнца. Воздух необходим всему живому на Земле. Он нужен животным и людям для дыхания. Птицам и насекомым воздух нужен для полётов. Необходим он и растениям, которые тоже «дышат». Растения погибают, если воздух не поступает к их корням и листьям.

     

    Воздух — невидим, но его можно обнаружить с помощью органов чувств. Например, при дуновении ветра. Ветер — это движение воздуха. Воздух прозрачный и бесцветный, поэтому мы можем различать цвет и форму предметов даже вдали.

     

    Чистый воздух не имеет запаха. Если мы ощущаем на улице различные запахи, то только потому, что частицы пахучих веществ смешиваются с воздухом.

     

    Воздух хорошо пропускает солнечные лучи, поэтому поверхность Земли хорошо нагревается в солнечную погоду.

     

    Воздух должен быть чистым, но во многих местах, особенно в городах, он сильно загрязнён. Заводы и фабрики выбрасывают в атмосферу вредные вещества. Такой воздух опасен для людей, растений и животных. На заводах и фабриках должны работать специальные установки, которые улавливают вредные вещества.

     

    Рис. \(1\). Загрязнение воздуха

     

    Для того чтобы воздух был чистым, очень важно беречь растения. Они своими листьями задерживают пыль и гарь. Растения также поглощают углекислый газ и вырабатывают кислород. Потому в местах, где много растительности, дышится легко.

     

    Чтобы воздух в помещении был чистым, нужно регулярно проветривать, пылесосить, делать влажную уборку.

    Обрати внимание!

    Только чистый воздух — прозрачный и не имеет запаха.

    Источники:

    Рис. 1. Загрязнение воздуха https://pixabay.com/images/id-1761801/ 4.06.2021

    Воздух и его свойства. Демонстрация свойств воздуха (существует вокруг нас, без запаха, прозрачное, пытается занять все доступное пространство) — МИР НЕЖИВОЙ ПРИРОДЫ — ВСЕ УРОКИ ПРИРОДОВЕДЕНИЯ 1 КЛАСС — конспекты уроков — План урока — Конспект урока — Планы уроков

    МИР НЕЖИВОЙ ПРИРОДЫ

     

    Урок 21

    Тема. Воздух и его свойства. Демонстрация свойств воздуха (существует вокруг нас, без запаха, прозрачное, пытается занять все доступное пространство)

     

    Цель: выяснить свойства воздуха и значение воздуха в природе; учить исследовать свойства воздуха, проводить опыты, фиксировать и анализировать результаты, следовать инструкциям и правилам техники безопасности во время проведения демонстрационных опытов; воспитывать познавательный интерес.

    ХОД УРОКА

    I. Организационный момент

    ►► Упражнение «Погода»

    — Какой сегодня день?

    — Какое число и месяц?

    — Какое состояние неба?

    — Был ветер, когда вы шли в школу?

    — А осадки?

     

    II. Сообщение темы и цели урока

    ►► Работа над загадкой

    Куда ступишь — везде имеешь,

    Хоть не видишь, а употребляешь. (Воздух)

    — Наша планета Земля со всех сторон окружена воздухом, которым мы дышим. Однако мы его не видим, потому что оно… Сегодня мы с помощью опытов определим свойства воздуха.

     

    III. Изучение нового материала

    ►► Демонстрация свойств воздуха (существует вокруг нас, без запаха, прозрачное, пытается занять все доступное пространство)

    — Для чего нам нужен воздух? (Оно необходимо для дыхания человека, животных, и для растений.)

    — Что произойдет, если воздух вдруг исчезнет? (Мы не проживем и нескольких минут.)

    — Где находится воздух? (Воздух заполняет все промежутки, и все щели в предметах. Оно растворено в воде морей, озер, рек, ручьев.)

    — Воздух окружает нас со всех сторон. Вы можете потрогать воздух? Проведем эксперимент, и вы почувствуете его.

    — Возьмите полиэтиленовый пакет и «поймайте» им воздуха. Закрутите пакет. Пакет наполнен воздухом. Сделайте небольшое отверстие, нажмите на пакет и направьте струю воздуха на лицо. Вы почувствуете прикосновение воздуха к коже.

    Ученики берут в руки тетрадь и машут им возле лица.

    — Что почувствовала кожа на вашем лице? (Легкий ветерок) Почему он образовался? (Потому, что ветер — это движение воздуха. Воздух постоянно движется. Ветер, который мы чувствуем, — это и есть воздух.)

    — Что вы видите вокруг себя? (Столы, доска, цветы, за окном деревья, облака.)

    — Воздух мешает нам видеть предметы? (Нет, оно прозрачное.)

    — Можем ли мы увидеть воздух? (Нет, мы не видим воздух, что окружает нас.)

    — С помощью зрения его можно обнаружить лишь в некоторых случаях. Проведем опыт. Опускаем в банку с водой стакан вверх дном. Медленно наклоняем ее. Что вы видите? (Из стакана выходят пузырьки воздуха, а в стакан попадает вода.)

    — Если бросить в стакан с водой камень, образуются пузырьки. Почему?

    — Какого цвета воздух? (Воздух бесцветное.)

    — Но толстый слой воздуха имеет цвет. Голубое небо — это толстый слой воздуха, освещенный солнцем.

    — Мы слышим, как льется вода, как ходят люди. Можем ли мы услышать воздух? Проведем опыт. Возьмем велосипедный насос. Начинаем накачивать воздух. Вы не видите воздух, но слышите, как оно получается.

    — Вы были в лесу? Вдыхали лесной воздух? Чем оно пахнет? (Лесом) Гуляли по берегу реки или моря вечером? Что вы чувствовали? (Запах реки, моря) Что вы чувствуете, когда мама печет пирог? (Запах пирога) Воздух не имеет запаха.

    — Но иногда невидимое воздух становится видимым, когда в нем слишком много дыма, оно приобретает неприятного запаха, им становится трудно дышать.

    — Что следует делать, если в квартире запахло дымом?

    — Для чего в окнах устанавливают двойные рамы? (Воздуха между стеклами рам удерживает тепло и не выпускает его на улицу.)

    — Почему зимой мы надеваем меховую шапку и шубу? (Воздух, находящийся между волосками ткани, меха, не пропускает тепло нашего тела.)

    — Почему очень важно, чтобы на полях лежал снег? (Снег защищает посевы от вымерзания. Он холодный, но между снежинками находится воздух. Это воздух предохраняет растения от холода.)

    — Почему летом вам советуют надеть на голову панамку? (Летом Солнце прогревает поверхность Земли, поскольку воздух пропускает солнечные лучи.)

    — Воздуха ночью сохраняет тепло, которое получает Земля от Солнца, а днем рассеивает его жгучие лучи. Месяц не имеет воздуха, т.к. температура на его поверхности резко меняется днем и ночью. На Земле этого нет.

    — Проведем опыт, чтобы убедиться, что воздух плохо проводит тепло. Возьмем два стакана и наполним их горячей водой. Накроем оба стакана стеклом. Один стакан поставим на стол, а другую — на пустую спичечную коробку и накроем стеклянной банкой. В каком стакане вода дольше не остынет?

    — Что лучше передает звук — воздух или дерево?

    ►► Физкультминутка

     

    IV. Обобщение и систематизация знаний и умений учащихся

    1. Ответы на вопросы

    — Какие свойства воздуха вам известны?

    • Прозрачное;

    • бесцветное;

    • не имеет запаха;

    • плохо проводит тепло;

    • хорошо пропускает солнечные лучи;

    • хуже передает звук, чем дерево.

    2. Игра «Я начну, а ты заканчивай»

    — Закончит предложение.

    • Воздух есть…

    • Без воздуха не могут жить…

    • Ветер выполняет такую полезную работу…

    • Ветер — это движение…

    3. Работа над загадками

    • Рукавом махнул — деревья нагнул. (Ветер)

    • Не зверь, а воет. (Ветер)

    • Крыльев нет, везде летает,

    Да еще и пыль поднимает. (Ветер)

    • Часто летает он вокруг,

    Деревьев немало поломал,

    Но никто, нигде и никогда

    Его не видел, не держал. (Ветер)

    • Я березку гойдну,

    Я тебя штовхну,

    Налечу, засвищу,

    Могу и пыль поднять.

    Кто я? Можете угадать? (Ветер)

     

    IV. Підсумок урока

    — Из опытов мы увидели, что нас окружает воздух, но мы его не замечаем, ведь оно невидимое. Воздух — газообразное тело, заполняет все промежутки, трещинки и щели в предметах. Воздуха содержится не только в твердых телах, но и в воде.

    — Какие свойства воздуха вам известны? (Воздух прозрачное, бесцветное, не имеет запаха, плохо проводит тепло, хорошо пропускает солнечные лучи, хуже передает звук, чем дерево.)

    Как нагревается воздух атмосферы?

    Недавно я попробовала себя в качестве учителя. ) Мы с моим десятилетним племянником учили уроки. К моей большой радости на повестке дня была география, что позволило мне немножечко блеснуть знаниями, приобретенными в школе. Домашнее задание требовало подробно описать способ нагревания атмосферного воздуха.

    Принцип прогрева воздушной оболочки Земли

    Кто-нибудь брал с собой на пляж воду в пластиковой бутылке? Так вот, если бутылка бесцветная и прозрачная, то вода будет нагреваться медленно, а если бутылка темная — жидкость нагреется быстро. Материал бутылки выступает аналогом радиатора в помещении.

    Атмосферный воздух прозрачен и не может нагреваться сам по себе. Для прогрева газам необходим какой-нибудь источник тепла и таким источником становится земля. Непрозрачная подстилающая поверхность принимает солнечную энергию, которая трансформируется в тепловую и передается воздуху.

    Таким образом, газы в атмосфере нагреваются снизу вверх, поэтому максимальная температура в тропосфере наблюдается на уровне моря и снижается на 0,6 °C каждые 100 метров при подъеме вверх.

    Как перегревается воздух в атмосфере

    Глобальное потепление — это словосочетание в последнее десятилетие у всех на слуху, хотя о его причинах знают далеко не многие.

    По мнению ученых, к повышению температуры на поверхности земного шара приводят следующие компоненты атмосферы:

    • водяной пар;
    • углекислота;
    • азот;
    • метан.

    Постоянный рост количества этих газов в составе атмосферы приводит к появлению парникового эффекта.

    Тепличный эффект заключается в том, что парниковые газы хорошо пропускают солнечную энергию на землю, но в то самое время — задерживают тепло, исходящее от земной поверхности в верхние слои атмосферы.

    Парниковый эффект является главной причиной глобального потепления, а рост парниковых газов в составе атмосферы — результат антропогенной (человеческой) деятельности.

    Глобальное потепление приводит к росту площадей пустынных территорий и сокращению запасов пресной воды за счет таяния ледников, в которых сосредоточено 90% питьевой воды на Земле.

    СВОЙСТВА ВОЗДУХА

    II. Сообщение темы урока.

    Открытие нового знания, способа действия.

    Работа по учебнику.

    Обобщение

    Организует формулирование темы урока обучающимися, постановку учебной задачи. Уточняет понимание обучающимися поставленной темы и целей урока.

    Организует работу по открытию нового знания, обеспечивает контроль за выполнением задания.

    Открывает очередное заседание клуба и назначает (выбирает) его председателя.

    Рассказывает обучающимся, как прошло аналогичное заседание в школе села Мирного.

    — Миша рассказал членам клуба о свойствах воздуха, которые известны второклассникам. Какие свойства воздуха перечислил Миша?

    — Миша поделился с членами клуба своими наблюдениями. Прочитайте вслух второй и третий абзацы параграфа (с. 103).

    — Миша сделал вывод, что прозрачное тело (стекло) хорошо пропускает солнечные лучи, поэтому и не нагревается. Так и воздух. Он прозрачен, следовательно, хорошо пропускает солнечные лучи. А непрозрачный песок на пляже летом горячий. Он хорошо нагревается солнечными лучами. Мишу также интересуют вопросы: как доказать, что в стакане воздух, если он невидим? Как взвесить воздух, тяжести которого он не ощущает?

    — Костя Погодин предложил Мише вместе с членами клуба провести опыты с воздухом, которые помогут найти ответы на вопросы.

    — Какие свойства воздуха вы уже знаете?

    -Сегодня мы проведем несколько опытов с воздухом и узнаем еще о некоторых его свойствах.

    Опыт 1. Воздух занимает пространство.

    — Каждый предмет занимает определенное место.

    На то место, где стоит шкаф, нельзя, не отодвинув его, поставить стол. В бутылку, наполненную молоком, невозможно, например, налить масло. Если в стакан с водой опустить камень, часть воды вытечет, потому что камень займет ее место. Занимает ли место воздух?

    — Возьмем стакан и опустим его вверх дном в банку с водой. Что происходит с водой?

    — Ее не пускает воздух, который там находится. Осторожно наклоняем стакан. Что происходит с воздухом?

    — А сейчас возьмем воронку, закроем трубочку воронки пальцем и погрузим в воду. Что вы видите?

    — Убираем палец, которым мы закрыли трубочку. Что происходит с воздухом?

    — Если поднести к отверстию трубки ладонь в то время, когда в воронку входит вода, вы почувствуете выталкиваемый воздух.

    Это свойство воздуха люди научились использовать. Когда надо что-нибудь строить на дне реки или моря, под воду опускают большой железобетонный ящик, опрокинутый вверх дном. Воздух, которым заполнен ящик, не пускает в него воду. Люди работают в этом ящике под водой. Сверху по трубам им подкачивают свежий воздух, необходимый для дыхания.

    — Можете ли вы опустить на дно стакана с водой кусочек сахара, но так, чтобы сахар остался сухим? Проведем опыт.

    Возьмем банку с водой. На небольшой, но толстый деревянный кружок положим кусочек сахара, накроем его опрокинутым вверх дном стаканом и станем осторожно погружать кружок со стаканом в воду. Что происходит с сахаром?

    — А сейчас осторожно поднимем стакан. Одновременно поднимается и кружок с сахаром. Сахар остался сухим, хотя и побывал на дне банки с водой.

    — Возьмем велосипедный насос. Прикроем отверстие насоса и нажмем поршень. Что вы видите, чувствуете?

    — Значит, воздух можно сжать, он упругий.

    — Вы играли с мячом и знаете, что при ударе о пол он подскакивает вверх. Отчего это происходит?

    Опыт 2.

    — Возьмем трубку из толстого стекла и с обеих сторон вставим по ломтику сырого картофеля в виде пробки. Возьмем палочку и осторожно будем проталкивать одну из картофельных пробок внутрь трубки. Что произошло?

    — Толкая пробку, мы сжали воздух в трубке. Сжатый воздух давил на стенки трубки и на обе пробки. Под его напором одна из пробок и вылетела из трубки.

    А сейчас еще раз вставим в оба конца трубки пробки по ломтику сырого картофеля. Приставим один конец трубки к стенке или столу, чтоб пробка не могла вылететь. Попробуем протолкнуть другую пробку внутрь трубки. Что происходит?

    — Сжатый воздух мешает ей двигаться дальше. Вытаскиваем палку. Что происходит с пробкой?

    — Толкая пробку, мы сжимаем в трубке воздух. Но воздух упруг: когда давление на него прекратилось, он расширился и вытолкнул пробку обратно.

    — Все тела, и твердые, и жидкие, имеют вес. Имеет ли вес воздух?

    — Однажды был взят металлический шар с краном и взвешен. С помощью воздушного насоса из шара выкачали воздух. Закрыв кран, шар снова взвесили, но он стал весить меньше. Так было доказано, что воздух имеет вес.

    Опыт 3.

    — Взвесим воздух при помощи самодельных весов, как показано на рисунке учебника (с. 106).

    — Что произошло, когда мы надули шарик?

    — Воздух, наполнивший шарик, делает его тяжелее. Значит, воздух можно взвесить.

    — Что происходит с воздухом при нагревании и охлаждении?

    Опыт 4.

    — Возьмем колбу со вставленной в нее стеклянной трубочкой, конец которой опустим в стакан с водой. Нагреем колбу, обхватив ее руками. Что мы наблюдаем?

    — Это происходит потому, что воздух при нагревании расширяется и не умещается в колбе.

    А сейчас положим тряпочку, смоченную холодной водой, на колбу. Что происходит с водой?

    — Значит, воздух при охлаждении сжимается.

    — Какой воздух тяжелее: холодный или теплый?

    — Вспомним опыт. Когда мы открываем дверь в холодный коридор, то сверху или снизу идет холодный воздух?

    — А теплый воздух где проходит?

    — Почему происходит именно так?

    Опыт 5.

    — Рассмотрите рисунки (с. 108). Две стеклянные колбы уравновешены на весах. Одну подогреем. Что произошло с ней?

    — Значит, теплый воздух легче холодного.

    — Вырежем из плотной бумаги кружок и разрежем его так, чтобы получилась змейка. Укрепим змейку на конце проволоки и подержим над горячей электроплитой. Что происходит со змейкой?

    — Почему она вращается?

    — Этим свойством воздуха люди стали пользоваться для полета. Сделали воздушный шар из плотной ткани, наполнили его горячим воздухом. К шару привязали корзину для воздухоплавателя. Сначала на воздушных шарах отправляли животных, а потом стали подниматься и люди. Позднее шары начали наполнять легким газом

    Обсуждают, формулируют тему урока, ставят учебную задачу.

    Находят в тексте учебника информацию по данному вопросу.

    По заданию председателя один из членов клуба записывает на классной доске тему заседания, а другой — задание для всех присутствующих: подготовить к следующему уроку доклад о свойствах воздуха.

    — Миша мог рассказать, что воздух прозрачен, бесцветен, не имеет запаха, плохо проводит тепло. Именно эти свойства воздуха изучались нами во 2 классе при проведении опытов.

    — Миша обратил внимание на прозрачное оконное стекло, которое и в жаркий день холоднее предметов на подоконнике.

    — Воздух прозрачен, бесцветен, не имеет запаха, плохо проводит тепло.

    Выполняют опыты, руководствуясь инструкционными картами. Формулируют выводы наблюдений.

    — Вода не входит в стакан.

    — Из стакана выходят пузыри воздуха, и в стакан входит вода.

    — Вода не входит в воронку, потому что в ней находится воздух.

    — Вода вытеснила воздух из воронки и заняла его место.

    — Вместе со стаканом кружок опускался все ниже и ниже, пока не достиг дна банки.

    — Воздух очень сильно давит, а когда отпускаем поршень, то он возвращается в первоначальное положение.

    — Когда мяч ударяем о пол, воздух в нем сжимается.

    Но так как воздух упруг, он стремится расшириться, и мяч с силой отскакивает от пола.

    — Вторая пробка с шумом вылетела.

    — Она с трудом продвигается до половины.

    — Пробка движется обратно.

    — Палочка наклонилась в сторону надутого шарика.

    — Из трубки начинают выходить пузырьки воздуха.

    — Вода из стакана входит в трубку и поднимается по ней.

    — Холодный воздух идет снизу.

    — Теплый воздух проходит наверху.

    — Холодный воздух тяжелее, он опускается вниз, а теплый воздух легкий, он движется вверх.

    — Колба поднялась вверх.

    — Змейка начинает вращаться.

    — Горячий воздух поднимается вверх и приводит в движение змейку

    Принимать и сохранять учебную задачу.

    Планировать решение учебной задачи: выстраивать алгоритм действий, выбирать действия в соответствии с поставленной задачей.

    Воспроизводить по памяти информацию, необходимую для решения учебной задачи, обосновывать выбор.

    Применять правила делового сотрудничества.

    Развивать чувство доброжелательности, эмоционально-нравственную отзывчивость.

    Приводить убедительные доказательства в диалоге, проявлять активность во взаимодействии.

    Осуществлять контроль по результату

    IV. Включение нового в активное использование в сочетании с ранее изученным, освоенным

    Организует беседу, помогает сделать вывод. Уточняет и расширяет знания обучающихся.

    — О каких свойствах воздуха вы узнали?

    — Почему форточки делают в верхней части окна, а батареи под окном — внизу?

    — Почему в сильные морозы птицы сидят, нахохлившись?

    — Воздух хорошо предохраняет зимой землю от промерзания, спасая животных и корни растений. Как это происходит?

    — В чем теплее зимой: в валенках или кожаных сапогах?

    — Почему в окнах делают двойные рамы?

    Отвечают на вопросы учителя, высказывают свои мнения и предположения. Уточняют и расширяют свои знания по теме урока.

    — Воздух сжимаемый, упругий, имеет вес, занимает пространство, при нагревании расширяется, при охлаждении сжимается, теплый воздух легче холодного.

    — Теплый воздух легче холодного и поднимается наверх, для этого мы открываем форточку, чтоб его охладить. А батареи нагревают холодный воздух, который находится внизу помещения.

    — Птицы сидят так, чтобы между перьями было как можно больше воздуха, и тогда он удерживает тепло тела.

    — Между снежинками находится воздух, он и не дает морозу добраться до растений.

    — В валенках, они сделаны из войлока, а он содержит больше воздуха, чем кожа.

    — Чтобы между рамами был слой воздуха. Он хорошо защищает помещение от мороза

    Выбирать действия всоответствии с поставленной задачей, оценивать уровень владения тем или иным учебным действием, уметь вносить необходимые корректировки в действие после завершения на основе оценки и учёта характера сделанных ошибок

    NWS JetStream — Передача тепловой энергии

    Источником тепла для нашей планеты является солнце. Энергия от Солнца передается через космос и через атмосферу Земли к поверхности Земли. Поскольку эта энергия нагревает поверхность Земли и атмосферу, часть ее является или становится тепловой энергией. Есть три способа передачи тепла в атмосферу и через нее:

    • радиация
    • проводимость
    • конвекция

    Излучение

    Если вы стояли перед камином или возле костра, вы почувствовали теплопередачу, известную как излучение.Сторона вашего тела, ближайшая к огню, нагревается, в то время как другая сторона остается незатронутой жаром. Хотя вы окружены воздухом, воздух не имеет ничего общего с передачей тепла. По такому же принципу работают тепловые лампы, которые согревают пищу. Радиация — это передача тепловой энергии через пространство электромагнитным излучением.

    Большая часть электромагнитного излучения, приходящего на Землю от Солнца, невидима. Только небольшая часть излучается видимым светом. Свет состоит из волн разной частоты.Частота — это количество случаев, когда событие повторяется в течение установленного времени. В электромагнитном излучении его частота — это количество электромагнитных волн, проходящих через точку каждую секунду.

    Наш мозг интерпретирует эти разные частоты в цвета, включая красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, индиго и фиолетовый. Когда глаз видит все эти разные цвета одновременно, он интерпретируется как белый. Волны от солнца, которые мы не можем видеть, — это инфракрасные волны, которые имеют более низкие частоты, чем красные, и ультрафиолетовые, которые имеют более высокие частоты, чем фиолетовый свет.[подробнее об электромагнитном излучении] Именно инфракрасное излучение вызывает ощущение тепла на нашем теле.

    Большая часть солнечной радиации поглощается атмосферой, и большая часть того, что достигает поверхности Земли, излучается обратно в атмосферу, превращаясь в тепловую энергию. Объекты темного цвета, например асфальт, поглощают лучистую энергию быстрее, чем объекты светлого цвета. Однако они также излучают свою энергию быстрее, чем объекты более светлого цвета.

    Обучающий урок: тает в сумке, а не в руке

    Проводимость

    Проводимость — это передача тепловой энергии от одного вещества к другому или внутри вещества.Вы когда-нибудь оставляли металлическую ложку в кастрюле с супом, разогретой на плите? Через некоторое время ручка ложки нагреется.

    Это происходит из-за передачи тепловой энергии от молекулы к молекуле или от атома к атому. Кроме того, когда объекты свариваются, металл нагревается (оранжево-красное свечение) за счет передачи тепла от дуги.

    Это называется теплопроводностью и является очень эффективным методом передачи тепла в металлах. Однако воздух плохо проводит тепло.

    Конвекция

    Конвекция — это передача тепловой энергии в жидкости.Этот вид отопления чаще всего встречается на кухне с кипящей жидкостью.

    Воздух в атмосфере действует как жидкость. Солнечное излучение падает на землю, нагревая скалы. Когда температура породы повышается из-за теплопроводности, тепловая энергия выделяется в атмосферу, образуя воздушный пузырь, который теплее окружающего воздуха. Этот пузырь воздуха поднимается в атмосферу. Когда он поднимается, пузырек охлаждается за счет тепла, содержащегося в пузыре, движущемся в атмосферу.

    По мере того, как масса горячего воздуха поднимается, воздух заменяется окружающим более прохладным и более плотным воздухом, который мы ощущаем как ветер. Эти движения воздушных масс могут быть небольшими в определенном регионе, например, локальными кучевыми облаками или большими циклами в тропосфере, охватывающими большие участки земли. Конвекционные течения ответственны за многие погодные условия в тропосфере.

    Быстрые факты

    Это не тепло, которое вы чувствуете, а ультрафиолетовое излучение солнца, вызывающее солнечные ожоги, ведущие к раку кожи.Солнечное тепло не приводит к солнечным ожогам.

    Согласно данным Американской академии дерматологии, солнечный свет состоит из двух типов вредных лучей, которые достигают Земли — ультрафиолетовых лучей A (UVA) и ультрафиолетовых лучей B (UVB). Чрезмерное воздействие на них может привести к раку кожи. Каждый из этих лучей не только вызывает рак кожи, но и делает следующее:

    • Лучи UVA могут преждевременно состарить вашу кожу, вызвать появление морщин и пигментных пятен, а также могут проходить через оконное стекло.
    • Лучи
    • UVB являются основной причиной солнечных ожогов и блокируются оконным стеклом.

    Безопасного способа загара не существует. Это включает излучение от искусственных источников, таких как солярии и солнечные лампы. Каждый раз, загорая, вы повреждаете кожу. По мере нарастания этого ущерба вы ускоряете старение кожи и повышаете риск развития всех типов рака кожи.

    Даже в пасмурные дни ультрафиолетовое излучение может проходить сквозь облака и вызывать солнечный ожог, если вы достаточно долго находитесь на улице.

    Теплообмен

    Сколько тепла требуется для зажигания лесного топлива? Растительный материал, такой как лесное топливо, воспламеняется при относительно низкой температуре. температуры при условии низкого содержания влаги в топливе и подвергается воздействию воздуха, так что доступно достаточное количество кислорода.Фактическая потребность в тепле для воспламенения топлива из мертвого леса варьируется от от 500 до 750 F. Многие обычные источники воспламенения обеспечат достаточно тепла, включая горящую спичку и даже тлеющая сигарета при контакте с сухим мелкодисперсным топливом.

    ТЕМПЕРАТУРА ЗАЖИГАНИЯ СУХОГО ЛЕСНОГО ТОПЛИВА = 500-750 F.

    Мы знаем о многих методах, с помощью которых для начала работы с лесным топливом можно использовать тепло. процесс горения; но как процесс продолжается? Огонь распространяется за счет передачи тепловой энергии тремя способами: Радиация, конвекция и Проведение.

    Радиация

    Радиация означает излучение энергии в виде лучей или волн. Тепло движется в пространстве в виде энергетических волн. Это то тепло, которое чувствуешь, сидя перед камином или вокруг костра. Он путешествует в прямые со скоростью света. Этот это причина того, что при столкновении с огнем согревается только фасад. Зад не греется, пока человек не обернется. Земля нагревается солнцем за счет излучения. Солнечные ожоги — это факт жизни, когда люди подвергаются очень сильному воздействию солнца. длинный.В большинстве случаев подогрев топлива перед возгоранием происходит за счет излучение тепла от огня. В качестве фронт огня приближается, количество получаемого лучистого тепла увеличивается.

    Конвекция

    Конвекция — это передача тепла при физическом движении горячих масс. воздуха. Как воздух нагретая, она расширяется (как и все предметы). По мере расширения он становится светлее окружающего воздуха и поднимается вверх. (Вот почему воздух под потолком отапливаемого помещения теплее, чем что около пола.) Кулер воздух врывается с боков. это греется по очереди и тоже поднимается. Скоро над огнем образуется конвекционная колонна, которую можно увидеть по дыму, возносится в нем. Этот приток более холодного воздуха сбоку помогает подавать дополнительный кислород для процесс горения для продолжения.

    Проводимость

    Проводимость — это передача тепла внутри самого материала. Большинство металлов являются хорошими проводниками тепла. Дерево — очень плохой проводник, поэтому очень медленно передает тепло. Это можно проиллюстрировать тем, что деревянная ручка при жарке сковорода остается достаточно холодной, чтобы ее можно было держать голыми руками. Проведение не является важным фактором распространения лесных пожаров.

    Демонстрация

    Зажгите свечу снова, которую мы использовали в предыдущей демонстрации. (Обратите внимание, что вы можете держать спичку, пока другой конец горит, потому что дерево не хороший дирижер тепла.) Теперь протяните руку к свече и подвиньте ее ближе, пока тепло можно почувствовать.Тепло от свечи доходит до вашей руки. радиация. Поднесите руку ближе к свече. Что происходит с рукой? Это становится теплее, потому что лучистое тепло не должно распространяться так далеко. Теперь держи положите руку на свечу и переместите ее как можно ближе. Можете ли вы держать это как закрыть как можно сбоку? Вы не можете из-за конвекционного нагрева от свечи в дополнение к лучистому теплу.

    1. Три способа передачи тепла: — выберите ответ -a. проводимость, излучение, конвекция b.проводимость, конвекция, сверткаc. проводимость, ощупывание, излучение. кондукция, конвекция, остаточная 7. Температура воспламенения сухого лесного топлива находится в пределах — выберите ответ -a. 400 и 1000b. 500 и 750 F500 и 750 C1000 и 1750

    UCAR Center for Science Education

    Энергия передается между поверхностью Земли и атмосферой различными способами, включая излучение, проводимость и конвекцию.
    Кредит: NOAA NWS

    Электропроводность — это один из трех основных способов перемещения тепловой энергии с места на место.Два других способа движения тепла — это излучение и конвекция . Проводимость — это процесс, при котором тепловая энергия передается через столкновения между соседними атомами или молекулами. Проводимость легче происходит в твердых телах и жидкостях, где частицы расположены ближе друг к другу, чем в газах, где частицы находятся дальше друг от друга. Скорость передачи энергии за счет проводимости выше, когда существует большая разница температур между контактирующими веществами.

    Представьте себе сковороду, установленную на открытой походной плите. Тепло огня заставляет молекулы в кастрюле вибрировать быстрее, делая ее горячее. Эти колеблющиеся молекулы сталкиваются с соседними молекулами, заставляя их вибрировать быстрее. Когда эти молекулы сталкиваются, тепловая энергия передается через проводимость остальной части сковороды. Если вы когда-либо прикасались к металлической ручке горячей сковороды без прихватки, вы не понаслышке знакомы с теплопроводностью!

    Некоторые твердые тела, например металлы, являются хорошими проводниками тепла.Неудивительно, что у многих кастрюль и сковородок есть изолированные ручки. Воздух (смесь газов) и вода плохо проводят тепловую энергию. Их называют изоляторами.

    Проводимость в атмосфере

    Проводимость, излучение и конвекция играют роль в перемещении тепла между поверхностью Земли и атмосферой. Поскольку воздух — плохой проводник, большая часть передачи энергии за счет проводимости происходит непосредственно у поверхности Земли. Проводимость напрямую влияет на температуру воздуха всего на несколько сантиметров в атмосферу.

    Днем солнечный свет нагревает землю, которая, в свою очередь, нагревает воздух прямо над ней за счет теплопроводности. Ночью земля охлаждается, и тепло перетекает из более теплого воздуха прямо над более прохладной землей посредством теплопроводности.

    В ясные солнечные дни при слабом ветре или его отсутствии температура воздуха может быть намного выше прямо у земли, что совсем немного над ней. Хотя солнечный свет нагревает поверхность, поток тепла с поверхности в воздух наверху ограничен плохой проводимостью воздуха.Серия термометров, установленных на разной высоте над землей, показала бы, что температура воздуха быстро падает с высотой.

    как тепло распространяется в космосе, если космос — это вакуум?

    CC BY-ND

    Любопытные дети — это серия сериала «Разговор», который дает детям всех возрастов возможность получить ответы на свои вопросы об окружающем мире от экспертов. Приветствуются все вопросы: вы или взрослый можете отправить их — вместе со своим именем, возрастом и городом или городом, в котором вы живете — curiouskids @ theconversation.com. Мы не сможем ответить на все вопросы, но сделаем все, что в наших силах.


    Как тепло распространяется в космосе, если космос — это вакуум? — Катерина, десять лет, Норвич, Великобритания.

    Какой отличный вопрос!

    Во-первых, чтобы понять, что такое тепло, вам нужно знать, что все, что вы можете потрогать или увидеть, состоит из крошечных строительных блоков, называемых атомами. Атомы настолько малы, что их даже нельзя увидеть (за исключением очень специального оборудования), но они составляют всю материю Вселенной.

    Если что-то горячее, это означает, что его атомы обладают большим количеством энергии и подпрыгивают. Если что-то холодное, у его атомов гораздо меньше энергии, и они остаются неподвижными.

    Это правда, что космос — это вакуум, а это значит, что там не так много материи. Однако космос — не идеальный вакуум. Даже если мы проигнорируем такие большие вещи, как звезды, планеты и кометы, космос не будет полностью пустым.

    Фактически, Солнце постоянно выдувает материю, известную как солнечный ветер, в нашу солнечную систему.Это одна из причин прекрасного светового эффекта, который мы называем полярным сиянием.


    Подробнее: Любопытные дети: что вызывает северное сияние?


    Но солнечный ветер не очень плотный — в нем гораздо меньше атомов, чем, например, в воздухе. Это означает, что он не может переносить в себе много тепла и поэтому не может объяснить, как тепло от Солнца достигает Земли.

    Существует три способа распределения тепла: теплопроводность, конвекция и излучение.Давайте по очереди подумаем о каждом из них, чтобы выяснить, какой из них позволяет теплу перемещаться в космосе.

    Проводимость

    Проводимость — это то, что ученые называют передачей тепла при прикосновении. Если прикоснуться к чему-то теплому, тепло перейдет от этого к вам. Если прикоснуться к чему-то холодному, тепло перейдет от вас к нему.

    Некоторые материалы, например металлы, являются хорошими проводниками. Другие материалы, такие как стекло, являются плохими проводниками и называются изоляторами.

    Тепло также можно проводить в несколько этапов.Например, если вы держите металлическую ложку в кружке горячего чая, тепло будет передаваться от чая к ложке, а затем от ложки к вашей руке.

    От чая тебе. Rawpixel / Unsplash., FAL

    Но мы не касаемся солнца (и это тоже хорошо — температура его поверхности превышает 5000 ° C!), А космос — это вакуум, поэтому нет ничего, что могло бы действовать как ложка и проводить тепло. Так что мы можем исключить проводимость.

    Конвекция

    Конвекция — это передача тепла через поток жидкости.И жидкости, и газы могут выделять тепло. Атомы будут уходить из горячих регионов в более прохладные, унося с собой тепло и энергию.

    Если вы когда-либо были в ванне, которая начала остывать, а затем открыли кран с горячей водой, вы почувствуете, как горячая вода выходит из крана дальше в ванну.

    Горячие атомы затем будут сталкиваться с более холодными атомами, разделяя свое тепло за счет теплопроводности, пока температура ванны не станет равномерной.

    Но поскольку космос — это вакуум, нет жидкостей или газов, которые отводили бы тепло от Солнца до Земли.Таким образом, мы можем исключить конвекцию.

    Радиация

    Горячие тела материи, такие как солнце, и даже наши собственные человеческие тела, излучают тепло. Когда атомы вещества движутся и вибрируют, они испускают или «излучают» электромагнитную энергию — это называется «тепловым излучением».

    Электромагнитная энергия бывает разных типов — некоторые из них мы можем видеть: они составляют радугу «видимого света». Существуют и другие типы, которые мы не видим, например, инфракрасная энергия, излучаемая нашими горячими телами, и микроволновая энергия, которую мы используем для приготовления пищи.

    Тепловизионная камера позволяет вам «видеть» тепло, улавливая тепловое излучение. Shutterstock.

    В отличие от теплопроводности и конвекции, излучению не требуется материя для передачи тепла. Энергия излучается солнцем через космический вакуум со скоростью света. Когда эта энергия достигает Земли, часть ее передается газам в нашей атмосфере.

    Некоторые из них проходят и нагревают атомы на поверхности земли. Некоторые даже впитываются вашей кожей.

    Земля впитывает энергию солнечного излучения, и это также заставляет ее излучать тепло. Некоторая часть этого тепла передается — например, когда горячий песок на пляже летом обжигает вам ноги. Некоторые из них переносятся ветром и океанскими течениями, а некоторые излучаются обратно в атмосферу или даже в космическое пространство.


    Статьи More Curious Kids, написанные академическими экспертами:

    Комплексный подход на молекулярной основе

    Мы исследуем взаимодействие инфракрасных активных молекул в атмосфере с их собственным тепловым фоновым излучением, а также с излучением от внешнего излучателя абсолютно черного тела.Мы показываем, что фоновое излучение можно хорошо понять только в терминах спонтанного излучения молекул. Процессы излучения и теплопередачи в атмосфере описываются уравнениями скорости, которые решаются численно для типичных условий тропосферы и стратосферы, демонстрируя преобразование тепла в излучение и наоборот. Рассмотрение процессов взаимодействия в молекулярном масштабе позволяет разработать исчерпывающую теоретическую концепцию описания переноса излучения в атмосфере.Представлена ​​обобщенная форма уравнения переноса излучения, которая охватывает как предельные случаи тонкой, так и плотной атмосферы и допускает непрерывный переход от низкой к высокой плотности, контролируемый параметром, зависящим от плотности. Представлено моделирование восходящей и нисходящей радиации и ее взаимодействия с наиболее заметными парниковыми газами — водяным паром, двуокисью углерода, метаном и озоном в атмосфере. Радиационное воздействие при удвоенной концентрации CO 2 оказалось на 30% меньше, чем значение IPCC.

    1. Введение

    Радиационные процессы в атмосфере играют важную роль в энергетическом и радиационном балансе системы Земля-атмосфера. Нисходящее излучение вызывает нагревание поверхности земли из-за прямого поглощения солнечного света, а также из-за обратного излучения атмосферы, которое является источником так широко обсуждаемого атмосферного парникового эффекта или атмосферного нагревающего эффекта. Восходящее излучение способствует охлаждению и гарантирует, что поглощенная энергия Солнца и земного излучения может быть возвращена в космос, а температура Земли может быть стабилизирована.

    Для всех этих процессов, в частности, важно взаимодействие излучения с инфракрасными активными молекулами. Эти молекулы сильно поглощают земное излучение, испускаемое земной поверхностью, и они также могут быть возбуждены за счет теплопередачи в атмосфере. Поглощенная энергия равномерно переизлучается в полный телесный угол, но до некоторой степени также повторно поглощается в атмосфере, так что излучение лежит в основе процесса непрерывного взаимодействия и модификации на всем протяжении распространения.

    Хотя основные соотношения для этого взаимодействия излучения с молекулами уже хорошо известны с начала прошлого века, до сих пор правильное применение этих соотношений, их важность и их последствия для атмосферной системы довольно противоречиво обсуждаются в сообщество климатических наук.

    Таким образом, представляется необходимым и целесообразным дать краткий обзор основных физических соотношений и на этой основе представить новый подход к описанию переноса излучения в атмосфере.

    В разделе 2 мы начнем с основных квантово-теоретических соображений Эйнштейна об излучении [1] и закона излучения Планка [2], чтобы исследовать взаимодействие молекул с их собственным тепловым фоновым излучением под влиянием столкновений молекул и при термодинамическом равновесии [ 3, 4]. Мы показываем, что тепловое излучение газа можно хорошо понять только в терминах спонтанного излучения молекул. Это справедливо при низких давлениях с небольшим количеством столкновений молекул, а также при более высоких давлениях и высокой частоте столкновений.

    В разделе 3 изучается также влияние излучения от внешнего излучателя черного тела и дополнительного возбуждения тепловым источником. Процессы излучения и теплопередачи, исходящие от Солнца и / или поверхности Земли, описываются скоростными уравнениями, которые решаются численно для типичных условий, существующих в тропосфере и стратосфере. Эти примеры сразу иллюстрируют преобразование тепла в излучение и наоборот.

    В разделе 4 мы выводим уравнение Шварцшильда [5–11] как фундаментальное соотношение для переноса излучения в атмосфере.Это уравнение выводится из чисто молекулярных соображений, описывающих тепловое излучение газа как спонтанное излучение молекул. Это уравнение исследуется в условиях лишь небольшого числа межмолекулярных столкновений, как в верхней мезосфере или мезопаузе, так и при высоких частотах столкновений, наблюдаемых в тропосфере. Следуя некоторым модифицированным соображениям Милна [12], представлена ​​обобщенная форма уравнения переноса излучения, которая охватывает как предельные случаи тонкой, так и плотной атмосферы и допускает непрерывный переход от низкой плотности к высокой, контролируемый параметром, зависящим от плотности.Это уравнение выводится для спектральной яркости, а также для спектральной плотности потока (спектральной интенсивности) как телесного углового интеграла яркости.

    В разделе 5 обобщенное уравнение переноса излучения применяется для моделирования восходящей и нисходящей радиации и ее взаимодействия с водяным паром, углекислым газом, метаном и озоном в атмосфере. Из этих расчетов можно получить подробный баланс энергии и излучения, отражающий различный вклад этих газов в вполне реальных условиях в атмосфере.В частности, они показывают доминирующее влияние водяного пара на весь инфракрасный спектр и объясняют, почему дальнейшее увеличение концентрации CO 2 дает лишь незначительные поправки в балансе излучения.

    Целью данной статьи не является объяснение основ атмосферного парникового эффекта или доказательство его существования в этих рамках. Тем не менее, основные соображения и производные соотношения для молекулярного взаимодействия с излучением имеют прямое значение для понимания и интерпретации этого эффекта и дают теоретическую основу для его общего расчета.

    2. Взаимодействие молекул с термальной ванной

    Когда газ находится в термодинамическом равновесии с окружающей средой, это можно описать средней температурой. Подобно любому веществу с заданной температурой, которое находится в гармонии с окружающей средой, оно также является источником серого или черного излучения как часть термальной ванны окружающей среды. В то же время этот газ взаимодействует со своим собственным излучением, вызывая своего рода самовозбуждение молекул, что в конечном итоге приводит к заселению молекулярных состояний, определяемых распределением Больцмана.

    Такое взаимодействие, впервые рассмотренное Эйнштейном [1], воспроизводится в первой части этого раздела с небольшими изменениями, но с учетом основных мыслей. Во второй части этого раздела также рассматриваются столкновения между молекулами и выводятся некоторые основные следствия для описания термостата.

    2.1. Вывод теплового излучения Эйнштейна

    Молекулы характеризуются переходом между энергетическими состояниями и с энергией перехода где — постоянная Планка, скорость света в вакууме, частота перехода и — длина волны перехода (см. рисунок 1).


    Планковское излучение . Излучение полости черного тела при температуре может быть представлено его спектральной плотностью энергии (единицы: Дж / м 3 / мкм м), которая подчиняется закону излучения Планка [2] с или как функция частоты принимает вид Это распределение показано на рисунке 2 для трех различных температур в зависимости от длины волны. — показатель преломления газа.


    Отношение Больцмана .В соответствии с принципом Больцмана относительная заселенность состояний и теплового равновесия равна [3, 4] с плотностями населенностей верхнего и нижнего состояний и в качестве статистических весов, представляющих вырождение этих состояний, в виде постоянной Больцмана и температуры газа.

    На данный момент, если пренебречь какими-либо столкновениями молекул, между этими состояниями могут иметь место три различных перехода.

    Самопроизвольное излучение .Спонтанное излучение происходит независимо от какого-либо внешнего поля и характеризуется статистическим излучением фотона энергии в телесный угол с вероятностью в пределах временного интервала, равной коэффициенту спонтанного излучения Эйнштейна, иногда также называемому вероятностью спонтанного излучения (единицы: с -1 ).

    Индуцированная абсорбция . Когда молекулы подвергаются воздействию электромагнитного поля, энергия молекул может изменяться таким образом, что благодаря резонансному взаимодействию с излучением молекулы могут быть возбуждены или девозбуждены.Когда молекула изменяется из, она поглощает фотон энергии и увеличивает свою внутреннюю энергию на эту величину, в то время как энергия излучения уменьшается на такую ​​же величину.

    Вероятность этого процесса находится путем интегрирования по всем частотным компонентам в пределах интервала, способствующим взаимодействию с молекулами: Этот процесс известен как наведенное поглощение с коэффициентом наведенного поглощения Эйнштейна (единицы: м 3 · Гц / Дж / с), как спектральная плотность энергии излучения (единицы: Дж / м 3 / Гц) и как нормированная функция формы линии, которая описывает частотно-зависимое взаимодействие излучения с молекулами и обычно удовлетворяет соотношению: Поскольку он намного шире, его можно считать постоянным по ширине линии, а с учетом (7) интеграл в (6) можно заменить спектральной плотностью энергии на частоте перехода: Тогда вероятность индуцированных процессов поглощения просто становится равной

    Индуцированная эмиссия .Переход от, вызванный излучением, называется индуцированным или вынужденным излучением. Вероятность этого перехода равна с коэффициентом наведенного излучения Эйнштейна.

    Общая скорость перехода . При термодинамическом равновесии общее количество поглощающих переходов должно быть таким же, как и количество выбросов. Эти числа зависят от населенности состояния и вероятностей перехода в другое состояние. Согласно (5) — (10) это можно выразить как или более универсально описывается уравнениями скорости: При (12) становится идентичным (11).Использование (4) в (11) дает Предполагая, что with также становится бесконечным и должно удовлетворять соотношению: Тогда (13) принимает вид или решив дать Это выражение в рассмотрении Эйнштейна того же типа, что и планковское распределение для спектральной плотности энергии. Следовательно, сравнение (3) и (16) при дает: показывая, что вероятности индуцированных переходов также пропорциональны скорости спонтанного излучения, а в единицах энергии фотона масштабируются с.

    2.2. Связь с другими спектроскопическими величинами

    Коэффициенты Эйнштейна для индуцированного поглощения и излучения напрямую связаны с некоторыми другими хорошо известными величинами в спектроскопии, сечениями для индуцированных переходов и коэффициентами поглощения и усиления образца.

    2.2.1. Поперечное сечение и коэффициент поглощения

    Излучение, распространяющееся в -направлении через поглощающий образец, ослабляется из-за взаимодействия с молекулами.Спад спектральной энергии подчиняется закону Ламберта-Бера, который здесь представлен в его дифференциальной форме: где — коэффициент поглощения (единицы: см -1 ) и — поперечное сечение (единицы: см 2 ) наведенного поглощения.

    Однако для более общего анализа необходимо учитывать также процессы выбросов, которые частично или полностью компенсируют потери на поглощение. Затем следует различать два случая: ситуацию, которую мы обсуждаем в этом разделе, когда молекулы являются частью термальной ванны окружающей среды, и, с другой стороны, случай, когда направленное внешнее излучение преобладает над газовым облаком, который будет рассмотрен. в следующем разделе.

    В реальном случае (18) необходимо расширить двумя членами, представляющими индуцированное, а также спонтанное излучение. Подобно поглощению, индуцированное излучение определяется сечением индуцированного излучения, населенностью верхнего состояния и спектральной плотностью излучения. Теперь продукт описывает усиление и известен как коэффициент усиления.

    Кроме того, спонтанно испускаемые фотоны в пределах рассматриваемого элемента объема и временного интервала вносят вклад в спектральную плотность энергии теплового фонового излучения с Тогда в целом это дает Как мы увидим в разделе 2.5 и далее в Разделе 3.3 или Разделе 4, (19) является источником теплового фонового излучения в газе, а (20) уже представляет собой теоретическую основу для расчета радиационного переноса теплового излучения в атмосфере.

    Частотная зависимость и и, следовательно, резонансное взаимодействие излучения с молекулярным переходом могут быть явно выражены нормированной функцией формы линии как Уравнение (20) может быть преобразовано во временную область с помощью формы линии и дополнительно интегрировано по ней.Когда можно считать широким по сравнению с, плотность энергии как интеграл по форме линии ширины становится Эту плотность энергии теплового излучения (единицы: Дж / м 3 ) также можно выразить через плотность фотонов в газе, умноженную на энергию фотона на Поскольку каждое поглощение фотона уменьшает населенность состояния и увеличивается на ту же величину — для излучения это прямо противоположно — это дает что совпадает с балансом в (12).Сравнение первых членов правой части и применение (17) дает тождество и поэтому Сравнение вторых слагаемых в (12) и (24) дает Итак, вместе с (21) и (27) мы получаем в качестве окончательных выражений для и:

    2.2.2. Эффективное сечение и интенсивность спектральной линии

    Часто первые два члена в правой части (20) объединены и представлены эффективным сечением.Далее, связывая взаимодействие с общей плотностью молекул, он применяет и становится Интегрирование (30) по ширине линии дает интенсивность спектральной линии перехода (рисунок 3): поскольку он используется и приводится в таблицах в базах данных [13, 14] для характеристики силы поглощения при переходе.


    2.2.3. Эффективный коэффициент поглощения

    Аналогично (30) и (31), эффективный коэффициент поглощения на переходе можно определить как которое после замены из (17) принимает более общий вид:

    2.3. Столкновения

    Обычно молекулы газа вызывают столкновения, которые могут нарушать фазу излучающей молекулы и дополнительно вызывать переходы между молекулярными состояниями. Скорость перехода из-за невозбуждающих, неизлучающих столкновений (сверхупругие столкновения 2-го типа) может быть названа, а скорость перехода из-за (неупругие столкновения 1-го типа) — возбуждающими столкновениями, соответственно (см. Рисунок 4).


    2.3.1. Скоростные уравнения

    Затем, используя (25) и сокращения, а также скорости перехода, индуцированные излучением, или вероятности перехода (единицы: с -1 ) уравнения скорости как обобщение (12) или (24) и дополнительно дополненные балансом плотности электромагнитной энергии или плотности фотонов (см. (22) — (24)) принимают вид: При термодинамическом равновесии левые части (35) обращаются в ноль.Тогда, также и даже особенно при наличии столкновений, заселенности состояний будут определяться статистической термодинамикой. Итак, складывая первое и третье уравнения из (35) вместе с (4), можно найти довольно универсальное соотношение для частот столкновений показывающий, что переходы из-за неупругих столкновений прямо пропорциональны переходам при сверхупругих столкновениях с коэффициентом пропорциональности, заданным распределением Больцмана. Из (35) также следует, что состояния, которые не связаны разрешенным оптическим переходом, тем не менее, будут иметь те же заселенности, что и состояния с разрешенным переходом.

    2.3.2. Скорости радиационно-индуцированных переходов

    При замене в (34) на (3) скорости радиационно-индуцированных переходов можно выразить как Подставляя некоторые типичные числа в (37), например длину волны перехода 15 для заметной полосы поглощения и температуру K, мы вычисляем отношение Предполагая, что почти то же самое найдено для отношения населенностей (см. (4) ) с участием . При скоростях спонтанных переходов порядка s −1 для более сильных линий в этой -полосе мы получаем скорость индуцированных излучением переходов только с −1 .

    В условиях тропосферы с частотой столкновений нескольких молекул 10 9 с −1 , любая скорость индуцированного перехода из-за теплового фонового излучения на порядки меньше, и даже до стратосферы и мезосферы , большинство переходов вызвано столкновениями, так что, прежде всего, они определяют заселенность состояний и в любом случае обеспечивают быструю настройку локального термодинамического равновесия в газе.

    Тем не менее, абсолютные числа индуцированных процессов поглощения и излучения на объем, масштабируемые с учетом плотности заселенности вовлеченных состояний (см. (35)), могут быть весьма значительными.Таким образом, при концентрации 400 ppm численность населения в нижнем состоянии оценивается примерно в -3 м (в зависимости от его энергии над уровнем земли). Тогда ожидается более 10 19 процессов поглощения на м 3 , и поскольку такие возбуждения могут происходить одновременно на многих независимых переходах, это приводит к сильному общему взаимодействию молекул с термостатом, что, согласно соображениям Эйнштейна, даже при отсутствии столкновений приводит к термодинамическому равновесию.

    2.4. Ширина линии и форма линии перехода

    Ширина линии оптического или инфракрасного перехода определяется различными эффектами.

    2.4.1. Естественная ширина линии и лоренцевская форма линии

    Для молекул в состоянии покоя и без каких-либо столкновений, а также без учета уширения по мощности из-за индуцированных переходов, спектральная ширина линии зависит только от естественной ширины линии. что для двухуровневой системы и существенно определяется скоростью спонтанных переходов.и — время жизни нижнего и верхнего состояния.

    Форма линии задается лоренцианом, который в нормализованной форме может быть записан как

    2.4.2. Уширение при столкновении

    При столкновениях в газе ширина линии значительно расширяется из-за столкновений с изменением состояния и фазы. Тогда ширину можно приблизительно оценить как где — дополнительная частота фазовых столкновений. Форма линии далее представлена ​​лоренцианом, только с новой однородной шириной (FWHM) согласно (40).

    2.4.3. Доплеровское уширение

    Поскольку молекулы имеют среднюю температуру, они также обладают средней кинетической энергией. где масса и скорость молекул в квадрате и усреднены. Из-за доплеровского сдвига движущихся частиц частота молекулярных переходов дополнительно расширяется, а количество молекул, взаимодействующих в пределах своей однородной ширины линии с излучением на частоте, ограничивается. Это неоднородное уширение определяется распределением Максвелла по скоростям и известно как доплеровское уширение.Нормализованная доплеровская форма линии задается гауссовой функцией вида: с доплеровской шириной линии где — молекулярная масса в атомных единицах, указанная в.

    2.4.4. Профиль Фойгта

    Для общего случая столкновения и доплеровского уширения свертка и дает универсальную форму линии, представляющую профиль Фойгта в форме:

    2,5. Спонтанное излучение как тепловое фоновое излучение

    Из уравнений скорости (35) ясно, что также при наличии столкновений абсолютное количество спонтанно испускаемых фотонов за время должно быть таким же, как и без столкновений.Это также является следствием (36), указывающего на то, что с увеличением скорости девозбуждения переходов (без излучения) также растет скорость возникающих столкновений и просто компенсируются любые потери, даже когда коэффициент ветвления излучающих переходов в неизлучающие уменьшается. Другими словами, когда молекула находится в состоянии, вероятность отдельного акта спонтанного излучения уменьшается пропорционально, но в то же время количество происходящих распадов за время увеличивается с.

    Тогда спектральная плотность мощности в газе за счет спонтанного излучения (см. (19)) представляет собой спектральную скорость генерации фотонов энергии на объем. Фотоны, выходящие из элемента объема, обычно распространяются в соседние области, но таким же образом возникает обратный поток из окрестности, который в однородной среде как раз компенсирует эти потери. Тем не менее, фотоны имеют среднее время жизни, прежде чем они аннигилируют из-за поглощения в газе.Со средним временем жизни фотона где — длина свободного пробега фотона в газе до его поглощения, мы можем записать для спектральной плотности энергии: Тот же результат получается при преобразовании (20) во временную область и в предположении локального термодинамического равновесия с: С учетом (33) и соотношения Больцмана (4) спектральная плотность энергии при оказывается равной Это хорошо известная формула Планка (3), которая показывает, что без дополнительного внешнего возбуждения при термодинамическом равновесии спонтанное излучение молекул можно понимать не иначе как тепловое излучение газа на частоте перехода.

    Этот вывод отличается от рассмотрения Эйнштейна, которое привело к (16), поскольку он пришел к выводу, что поле излучения, взаимодействующее с молекулами в тепловом и радиационном равновесии, просто должно быть типа планковского излучателя, в то время как здесь мы рассматриваем происхождение теплового излучения в газовой пробе, которое определяется и по праву определяется исключительно спонтанным излучением самих молекул. Это также верно при наличии столкновений молекул.Из-за этого происхождения тепловое фоновое излучение существует только на дискретных частотах, определяемых частотами переходов и шириной линии молекул, до тех пор, пока отсутствует внешнее излучение. Но на этих частотах сила излучения такая же, как у излучателя черного тела.

    Поскольку это спонтанное излучение изотропно испускает фотоны в полный телесный угол, в среднем половина излучения направляется вверх, а половина — вниз.

    3.Взаимодействие молекул с тепловым излучением внешнего источника

    В этом разделе мы рассмотрим взаимодействие молекул с дополнительным излучением черного тела, испускаемым внешним источником, таким как поверхность Земли или соседние слои атмосферы. Мы также исследуем передачу поглощенного излучения в тепло при столкновениях молекул, вызывающих повышение температуры атмосферы. И наоборот, мы изучаем передачу теплового потока излучению, приводящую к охлаждению газа.Подходящим средством для описания взаимного взаимодействия этих процессов является выражение его связанными скоростными уравнениями, которые решаются численно.

    3.1. Основные количества
    3.1.1. Спектральная яркость

    Мощность, излучаемая элементом поверхности на частоте в частотном интервале и в элемент телесного угла, также определяется законом излучения Планка: с как спектральная яркость (единицы: Вт / м 2 / Гц / стерад) и как температура излучающей поверхности источника (например,г., земная поверхность). Член косинуса учитывает тот факт, что для излучения в направлении, заданном азимутальным углом и полярным углом, только проекция перпендикуляра к этому направлению эффективна в качестве излучающей поверхности (излучатель Ламберта).

    3.1.2. Spectral Flux Density — Spectral Intensity

    Интегрирование по телесному углу дает спектральную плотность потока. Затем, представляя в сферических координатах как интервал азимутального угла и как полярный интервал (см. Рисунок 5), это приводит к: или в единицах длины волны


    и, также известные как спектральные интенсивности, указываются в единицах Вт / м 2 / μ м и Вт / м 2 / Гц, соответственно.Они представляют собой поток мощности на частоту или длину волны и на площадь поверхности в этом полушарии, который можно увидеть из излучающего элемента поверхности. Спектральное распределение K излучателя Planck в зависимости от длины волны показано на рисунке 6.


    3.2. Распространение лучей в среде с потерями
    3.2.1. Spectral Radiance

    Излучение, проходящее через поглощающий образец, обычно подчиняется закону Ламберта-Бера, который уже применялся в (18) для спектральной плотности энергии.То же самое и для спектральной яркости с где — расстояние распространения в образце. Это действительно независимо от выбранной системы координат. Буква используется, когда явно не подразумевается распространение, перпендикулярное поверхности земли или слою (-направление).

    3.2.2. Спектральная интенсивность

    Для спектральной интенсивности, которая из-за свойств ламбертовского излучателя состоит из пучка лучей с разными направлениями распространения и яркостью, необходимо учитывать некоторые основные отклонения.Таким образом, из-за того, что отдельные направления распространения распространяются на телесный угол, только для однородно поглощающей сферы и в сферической системе координат с источником излучения в центре этой сферы расстояния, на которые должен пройти образец, и, следовательно, индивидуальные вклады в общее поглощение будет таким же.

    Но излучение, выходящее из плоскопараллельной поверхности и проходящее через поглощающий слой толщиной, лучше характеризуется своим средним расширением перпендикулярно поверхности слоя в -направлении.Это означает, что относительно этого направления отдельный луч, распространяясь под углом к ​​нормали к поверхности, проходит некоторое расстояние, прежде чем покинуть слой (см. Рисунок 7). Следовательно, такой луч с одной стороны способствует большему относительному поглощению, а с другой стороны, он передает это спектральной интенсивности только с весом в соответствии с законом Ламберта.


    Это означает, что для первого порядка каждое отдельное направление луча страдает от одного и того же абсолютного затухания, и особенно более слабые лучи под большими углами распространения растрачивают относительно больше своей предыдущей спектральной яркости.Таким образом, особенно при более высоких значениях силы поглощения и большей длине распространения, исходное распределение Ламберта будет все больше и больше изменяться. Критерием почти неизменного распределения может быть то, что для углов выполняется неравенство. Потери на поглощение для спектральной интенсивности как интеграла от спектральной яркости (см. (51)) тогда определяются выражением Члены косинуса под знаком интеграла просто компенсируют, и (54) можно записать как Это дифференциальное уравнение для спектральной интенсивности показывает, что эффективный коэффициент поглощения в два раза больше, чем спектральная яркость, или, другими словами, средняя длина распространения излучения, проходящего через слой, в два раза превышает толщину слоя.Последнее утверждение означает, что мы также можем предположить излучение, которое поглощается с обычным коэффициентом поглощения, но распространяется как луч под углом к ​​нормали к поверхности. На практике может иметь смысл даже отклонение от угла, чтобы компенсировать отклонения земной или океанической поверхности от ламбертовского излучателя и учесть вклады, обусловленные рассеянием Ми и Рэлея.

    Поглощенная спектральная плотность мощности (мощность на объем и на частоту) относительно -направления тогда оказывается равной с начальной спектральной интенсивностью при, как указано в (51).

    Дополнительным уменьшением с из-за бокового распространения излучения по полусфере можно пренебречь, поскольку любое распространение излучения предполагается малым по сравнению с радиусом Земли (рассмотрение протяженной излучающей параллельной плоскости).

    Интегрирование (56) по форме линии в пределах спектрального интервала дает поглощенную плотность мощности (единицы: Вт / м 3 ), которую аналогично (23) можно также выразить как потерю или аннигиляцию фотонов на единицу объема (в м −3 ) и за раз.Поскольку средняя скорость распространения в -направлении равна, дифференциалы также преобразуются как. С учетом (51) это приводит к или для плотности фотонов в терминах скоростей индуцированных переходов и вызванных внешним полем: с усредненным по ширине линии коэффициентом поглощения (см. также (32)) и с Как и в (37), эти скорости снова пропорциональны вероятности (скорости) спонтанного перехода, но теперь они зависят от температуры внешнего источника и глубины распространения.

    Из-за того, что излучение от поверхности с ламбертовским распределением и только от одного полушария действует на молекулы, отличные от (37), в этом уравнении появляется множитель.

    При температуре K и длине волны мкм м, например, отношение индуцированных переходов к спонтанным из-за внешнего поля при составляет Для случая двухуровневой системы также можно выразить естественной шириной линии перехода с (см. (38)) Тогда (59) принимает вид С типичной естественной шириной порядка всего 0.1 Гц в полосе 15 мкм м, то скорость индуцированного перехода будет меньше 0,01 с -1 . Даже на самых сильных переходах около 4,2 мкм м естественная ширина линий составляет всего ~ 100 Гц, и поэтому индуцированные скорости переходов составляют около 10 с -1 .

    Несмотря на эти небольшие скорости, общее поглощение падающего луча может быть весьма значительным. В атмосфере парниковые газы поглощаются сотнями тысяч переходов на больших длинах распространения и при молекулярных плотностях 10 19 –10 23 на м 3 .На самых сильных линиях в полосе 15 мкм м коэффициент поглощения в центре линии даже достигает значения. Тогда уже на расстоянии нескольких метров вся мощность будет поглощаться на этих частотах. Таким образом, в общей сложности около 85% всего инфракрасного излучения, выходящего с поверхности земли, будет поглощаться этими газами.

    3.2.3. Альтернативный расчет спектральной интенсивности

    Для некоторых приложений может быть более выгодным сначала решить дифференциальное уравнение (53) для спектральной яркости как функции от и до интегрирования.

    Тогда интегрирование в -направлении по длине с коэффициентом поглощения, зависящим от a, дает и дальнейшая интеграция результатов в Сначала интегрируя и вводя оптическую толщину, а также замену, мы можем написать с (см. (51)) и экспоненциальным интегралом Поскольку дальнейшие рассуждения в этой статье сосредоточены на переносе излучения в атмосфере под действием фонового теплового излучения, более уместно описывать взаимодействие излучения с молекулами ступенчатым распространением через тонкие слои глубины, как это задается формулой ( 55).

    3.3. Скоростные уравнения в атмосферных условиях

    В качестве дальнейшего обобщения скоростных уравнений (35) в этом подразделе мы дополнительно рассмотрим влияние внешнего излучения, которое вместе с тепловым фоновым излучением действует на молекулы при столкновениях. (см. рисунок 8).


    И, в отличие от раздела 2, инфракрасные активные молекулы рассматриваются как следы газа в открытой системе, атмосфере, которая должна находиться в равновесии с окружающей средой.Затем молекулы, излучающие из-за своей температуры и, таким образом, теряющие часть своей энергии, должны вернуть эту энергию из окружающей среды с помощью инфракрасного излучения, чувствительного или скрытого тепла или также путем поглощения солнечного света. Это следствие экономии энергии.

    Предполагается, что радиационные потери пропорциональны реальной плотности фотонов и масштабируются с учетом скорости потока. Эти потери могут быть компенсированы поглощенной мощностью падающего излучения, например, земного излучения, которая далее выражается через плотность фотонов (см. (57)), а также может быть заменена тепловой энергией.Следовательно, исходные уравнения скорости должны быть дополнены дополнительными соотношениями для этих двух процессов.

    Очевидно, что как падающее излучение, так и тепловой поток будут ограничены некоторыми подлинными взаимодействиями. Таким образом, излучение может только способствовать дальнейшему возбуждению, если оно не полностью поглощается. Однако при более высоких молекулярных плотностях глубина проникновения излучения в газ уменьшается, а вместе с тем уменьшается и эффективное возбуждение через некоторый более длинный элемент объема.Интегрирование (55) по ширине линии с использованием определений (31) и (32) с последующим интегрированием по дает который согласно закону Ламберта-Бера описывает усредненную спектральную интенсивность по ширине линии как функцию распространения в -направлении. Отсюда совершенно очевидно, что глубину проникновения можно определить как длину, на которой начальная интенсивность уменьшается до и, таким образом, показатель степени в (67) становится равным единице с Из (68) также находится числовая плотность молекул, при которой начальная интенсивность просто падает до значения после длины взаимодействия.Поскольку характеризует плотность, при которой возбуждение газа постепенно заканчивается и в этом смысле происходит насыщение, она известна как плотность насыщения, где и также относятся к общей числовой плотности газа.

    Так как при постоянном давлении плотность в газе изменяется в зависимости от фактической температуры в соответствии с законом Гей-Люссака, и молекулы распределены по сотням состояний и подсостояний, молекулярная плотность, способствующая взаимодействию с излучением на поверхности переход, дается формулой [15] где — числовая плотность молекул при начальной температуре, — энергия нижнего уровня над основным состоянием, — общая сумма внутренних разделов, определяемая как [15, 16] При типичном распространении в атмосфере длины порядка нескольких километров.Так, для более сильного перехода CO 2 в полосе 15 мкм мкм со спонтанной скоростью, интенсивность спектральной линии или интегральное сечение и спектральная ширина при давлении на грунт, плотность насыщения на типичной длине принимает значение молекул / м 3 . Поскольку плотность воздуха при 1013 гПа и 288 К составляет -3 м, насыщение на рассматриваемом переходе уже происходит при концентрации менее одной ppm.Следует также отметить, что на больших высотах и, следовательно, при более низких плотностях ширина линии из-за расширения под давлением уменьшается. Это означает, что в первом порядке плотность насыщения также уменьшается с, в то время как концентрация газа в атмосфере, при которой возникает насыщение, почти остается постоянной. То же самое и с глубиной проникновения.

    Для дальнейшего рассмотрения достаточно ввести среднюю спектральную интенсивность как или, что то же самое, средняя плотность фотонов которое характеризует падающее излучение по отношению к его среднему возбуждению в скоростных уравнениях.В общем, падающий поток на атмосферный слой состоит из двух составляющих: восходящего и нисходящего излучения.

    Любой тепловой поток, подводимый к объему газа, способствует расширению объема, и через столкновения и возбуждение молекул он также может быть передан в энергию излучения. Одновременно поглощенное излучение может выделяться в газе в виде тепла. Поэтому уравнения скорости дополнительно дополняются балансом плотности тепловой энергии воздуха [Дж / м 3 ], который в изобарических условиях и с использованием уравнения идеального газа в форме может быть записан как или после интеграции Здесь представлена ​​удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении с, где — степени свободы молекулы (для N 2 и O 2 🙂 и — универсальная газовая постоянная (при комнатной температуре:).- удельный вес воздуха (при комнатной температуре и давлении на грунт: кг / м 3 ), который может быть выражен как масса молекулы воздуха, мольный вес, число Авогадро, числовая плотность и давление воздуха.

    Тепловая энергия может подводиться к элементу объема различными способами. Таким образом, тепловая конвекция и проводимость в газе вносят вклад в тепловой поток [Дж / (с · м 2 )], вызывая временное изменение пропорционально или для одного направления пропорционально.- вектор и указывает от горячего к холодному. Поскольку в этом потоке сильно преобладает конвекция, его можно хорошо аппроксимировать с помощью коэффициента теплопередачи, обычно порядка –15 Вт / м 2 / K. При некотором более или менее равномерном распределении падающего теплового потока по тропосфере (высота км) временное изменение из-за конвекции может быть выражено как мВт / м 3 / K.

    Другой вклад в тепловую энергию дает поглощенный солнечный свет, который при столкновениях выделяется в виде кинетической или вращательной энергии молекул.Точно так же скрытое тепло может высвобождаться в воздухе. В уравнениях скорости оба вклада представлены исходным членом [Дж / (с · м 3 )].

    Наконец, тепловой баланс определяется возбуждением и снятием возбуждения столкновениями, изменением населенности состояний и, а также уменьшением или увеличением энергии на.

    В целом это приводит к набору связанных дифференциальных уравнений, которые описывают одновременное взаимодействие молекул с их собственно генерируемым тепловым фоновым излучением, а также с излучением поверхности земли и / или соседнего слоя, и все это при наличии столкновений и под воздействием процессов теплопередачи: Чтобы обозначить взаимную связь этих уравнений, здесь мы используем обозначение, в котором скорости перехода, индуцированные излучением, представлены коэффициентами Эйнштейна и соответствующими плотностями фотонов.Переход к другому представлению легко выполняется с применением тождеств: Следует отметить, что уравнение скорости для также можно заменить падающим излучением, как указано в (73). Однако, поскольку его равновесное значение приближается к своему значению в пределах постоянной времени, более короткой по сравнению с другими процессами, для единообразного представления предпочтение было отдано дифференциальной форме.

    Для частного случая стационарного равновесия с из уравнения первой скорости, мы получаем для коэффициента заселенности: которое при и благодаря (см. (37) и (60)) в пределе чисто спонтанных процессов распада достигает своего максимального значения 4.4%, в то время как при наличии столкновений с частотой столкновений в тропосфере несколько 10 9 с -1 , она быстро сходится к 3,5%, что определяется соотношением Больцмана при температуре и соответствует локальному термодинамическому равновесию.

    В общем случае уравнения скорости должны решаться численно, например, с применением метода конечных элементов. Хотя (76) в представленной форме справедливо только для двухуровневой системы, моделирование в реальных условиях, сравнимых с атмосферой, требует некоторого расширения, особенно в отношении передачи энергии от поверхности земли в атмосферу.Поскольку основные следовые газы CO 2 , водяной пар, метан и озон поглощают падающее инфракрасное излучение одновременно на тысячах переходов, в качестве приемлемого приближения для такого рода вычислений мы считаем эти переходы подобными и независимыми от каждого из них. другие, каждый из которых вносит одинаковый вклад в энергетический баланс. В уравнения скорости это можно легко включить, умножив последний член в уравнении для плотности энергии на эффективное число переходов.

    В этом приближении молекулы инфракрасного активного газа и даже смеси газов представлены «стандартным переходом», который отражает динамику и временную эволюцию молекулярных популяций под влиянием падающего излучения, фонового излучения, и теплопередача. выводится как отношение полной поглощенной интенсивности инфракрасного излучения на рассматриваемой длине распространения к вкладу одного стандартного перехода.

    Пример численного моделирования в тропосфере, точнее для слоя от уровня земли до 100 м, представлен на рисунке 9.На графиках показано изменение плотности фотонов и, плотности населения и состояний, а также плотности накопленного тепла в воздухе и температуры газа (идентичной температуре атмосферы) в зависимости от времени и в виде среднего значения. на высоте 100 м.

    В качестве начальных условий мы приняли температуру газа и воздуха, температуру поверхности земли, начальный тепловой поток за счет конвекции, скрытый источник тепла и давление воздуха равное.Взаимодействие земного излучения с инфракрасными активными газами продемонстрировано для CO 2 с концентрацией в воздухе 380 ppm, соответствующей молекулярной плотности при 288 K . Моделирование было выполнено для «стандартного перехода», как обсуждалось ранее, с длиной волны перехода, скоростью спонтанного перехода s -1 , статистическими весами и, спектральной шириной, скоростью столкновительного перехода s -1 (мы не различают скорости вращения и вибрации [10]), глубину проникновения и предполагают скорость потери фотонов s -1 .Для этого расчета не учитывались зависимости и от плотности и температуры. Поскольку в этих условиях вклад одного перехода составляет 0,069 Вт / м 2 в общее ИК-поглощение 212 Вт / м 2 на длине 100 м, переходы представляют собой радиационное взаимодействие со всеми активными газами в атмосфере.

    Развитие для другого газа и перехода можно легко отобразить, заменив соответствующие параметры для другого перехода и перекалибровав эффективное число переходов.

    Чтобы гарантировать воспроизводимые результаты и избежать каких-либо нестабильностей, временной интервал для пошагового интегрирования системы связанных дифференциальных уравнений должен быть выбран достаточно малым, чтобы избежать изменений, сопоставимых с размером самой вычисляемой величины, или рассчитанные изменения должны быть ограниченным некоторыми верхними границами с учетом некоторых меньших последствий в абсолютном масштабе времени. Применялась последняя процедура, ускоряющая расчеты на несколько порядков.

    Моделирование выполняется таким образом, что, начиная с начальных условий для населенностей, плотности фотонов и температуры, на первом этапе изменяются плотности населенностей и фотонов, а также изменение плотности тепла по временной интервал. Изменение тепла вызывает изменение температуры (см. (74)) и дает новую температуру, которая используется для расчета новой скорости передачи столкновений с помощью (36), исправленной населенности с помощью (69) и новой населенности для верхнего состояния с помощью (4).Общая сумма внутренних разделов для CO 2 выводится из данных базы данных HITRAN [13] и аппроксимируется полиномом вида: Новые популяции используются в качестве новых начальных условий для следующего временного шага, на котором снова вычисляется взаимодействие молекул с излучением и любой перенос тепла. Таким образом получают временную эволюцию всех связанных величин, показанных на рисунке 9. Для этого моделирования предполагалось, что все атмосферные компоненты все еще существуют в газовой форме до температуры 40 К.

    Относительно медленное изменение кривых связано с тем, что поглощенное ИК-излучение, а также тепловой поток в основном используются для нагрева объема воздуха, который при постоянном давлении воздуха расширяется и плотность уменьшается.

    Изменения населенности состояний CO 2 , вызванные внешним или тепловым фоновым излучением, связаны с тепловым резервуаром через скорости столкновительных переходов и (см. Последнее уравнение скорости), которые связаны друг с другом соотношением (36 ).Пока рассчитанные населенности отличаются от распределения Больцмана при температуре газа, два члена в скобках этого скоростного уравнения не компенсируют, и их различие способствует дополнительному нагреву, усиленному эффективным числом переходов. Причины меньших отклонений от местного теплового равновесия могут быть вызваны изменениями численности населения из-за внешнего излучения, а также изменениями температуры и плотности с высотой и днем ​​или некоторыми локальными эффектами в атмосфере.И наоборот, когда в газ подается тепловая энергия, тепло может быть передано электромагнитной энергии и переизлучено молекулами (радиационное охлаждение).

    Плотность фотонов (рис. 9 (а)) показывает спонтанное излучение молекул и определяет тепловое фоновое излучение газа. Он в основном регулируется заселенностью верхнего состояния и в равновесии саморегулируется на уровне, где скорость спонтанной генерации просто уравновешивается индуцированными скоростями переходов (оптическими и индуцированными столкновениями) и скоростью потерь, последнее зависит от колебания плотности и температуры в атмосфере.

    На рисунке 9 (b) представлена ​​эффективная плотность фотонов, способная возбуждать газ по глубине слоя земным излучением и обратным излучением из вышележащей атмосферы. Предполагалось, что нисходящая часть происходит из слоя с несколько более низкой температурой, чем фактическая температура газа, с градиентом, также изменяющимся с. Кривая сначала снижается, поскольку при небольшом повышении температуры нижнее состояние, которое не является основным состоянием CO 2 , заселено сильнее (см. Также рисунок 9 (c)), и поэтому поглощение на этом переходе увеличивается, в то время как в соответствии с эффектами насыщения эффективное возбуждение сверх уменьшается.При дальнейшем росте температура снова увеличивается, что вызвано уменьшением плотности газа, а также снижается более низкая населенность, сопровождаемая меньшим поглощением.

    На рисунках 9 (c) и 9 (d) показано частичное увеличение, а также истощение нижнего состояния и одновременное заполнение верхнего состояния из-за радиационного взаимодействия и теплового нагрева. Население отображается в относительных единицах, нормированных на плотность CO 2 при 288 K.

    Тепловая плотность воздуха и температура газа (воздуха) показаны на рисунках 9 (e) и 9 (f). .Примерно до 80 К (первые 70 ч) нагрев определяется конвекцией, а при более высоких температурах все более преобладает радиационный нагрев. Начальный тепловой поток 3 кВт / м 2 кажется относительно большим, но быстро уменьшается с повышением температуры и при разнице в 3 К между поверхностью и нижними слоями атмосферы, как и скрытая теплота, не дает более 40 Вт / м 2 , что составляет лишь 10% земной радиации.

    В принципе ожидается, что газ, нагретый внешним источником, не может быть теплее самого источника.Это справедливо для теплового потока, вызванного конвекцией или теплопроводностью, в соответствии со вторым законом термодинамики, но приводит к некоторому противоречию в отношении источника излучения.

    В замкнутой системе, как обсуждалось в разделе 2, тепловое излучение, взаимодействующее с молекулами, согласовано с населением молекул, и и излучение, и газ могут характеризоваться уникальной температурой. В открытой системе с дополнительным излучением от внешнего источника температуры преобладающее излучение, взаимодействуя с молекулами, состоит из двух вкладов, которые в целом характеризуются разными температурами и разными процессами потерь.Таким образом, определяет спектральную интенсивность и распределение падающего излучения и в этом смысле определяет поток мощности, который может быть передан молекулам при поглощении этого излучения. Но он не описывает прямую теплопередачу, которая всегда требует среды для переноса и никоим образом не определяет температуру поглощающих молекул. При тепловом равновесии и при наличии столкновений молекулы лучше описываются температурой, определяемой из соотношения населенностей, определяемого соотношением Больцмана (4).Эта температура также определяет спонтанное излучение и вместе с потерями определяет тепловое фоновое излучение.

    Поскольку поглощение при переходе происходит, пока разность населенностей положительна (равные населенности означают бесконечную температуру), молекулы могут быть хорошо возбуждены источником теплового излучения, температура которого ниже, чем у поглощающего газа. Независимо от этого утверждения ясно, что в состоянии равновесия газ может повторно излучать только то количество энергии, которое было ранее поглощено падающим излучением и / или поглощено в виде тепловой энергии.

    В любом случае для атмосферных расчетов кажется разумным ограничить максимальную температуру газа значениями, сопоставимыми с температурой земной поверхности. Адекватным условием для этого является коэффициент радиационных потерь. как получено из скоростных уравнений при стационарном равновесии и с восходящим и нисходящим излучением одинаковой величины.

    Расчет для условий в верхних слоях стратосферы на высоте около 60 км показан на рисунке 10.Давление воздуха 0,73 гПа, обычная температура на этой высоте 242,7 К, плотность воздуха -3 м. Плотность CO 2 уменьшается до m -3 при концентрации 380 ppm. При таком более низком давлении ширина линии, вызванная столкновением, на три порядка меньше и уменьшается примерно до . В этих условиях оставшаяся ширина определяется доплеровским расширением до 34 МГц. На этой высоте любое земное излучение для возбуждения на переходе больше не доступно.Единственное излучение, взаимодействующее с молекулами, исходит от соседних молекул и собственного фонового излучения.

    В качестве начальных условий мы использовали локальную температуру газа и воздуха K, немного превышающую температуру окружающей среды с K, последняя определяет излучение (вверх и вниз) от соседних молекул. Предполагалось, что тепловой поток из соседних слоев или в соседние слои пренебрежимо мал, в то время как тепловая скважина из-за поглощения солнечного света озоном с ~ 15 Вт / м 2 на ~ 50 км в этом случае является единственным источником тепла с мВт / м 3 .Расчет проводился для скорости столкновительных переходов, скорости потери фотонов s -1 , глубины слоя км и эффективного числа переходов (поглощение на стандартном переходе: Вт / м 2 ; полное ИК-поглощение на расстояние более 1 км: 0,4 Вт / м 2 ).

    Как и на рисунке 9, графики показывают эволюцию плотности фотонов и, плотности заселенности и состояний и, плотности тепла в воздухе и температуры газа в зависимости от времени.Но в отличие от условий в тропосфере, где преобладающим эффектом был нагрев атмосферы из-за земного тепла и перенос излучения, моделирование на Рисунке 10 демонстрирует эффект радиационного охлаждения в стратосфере, где падающее излучение из соседних слоев и локально испускается. тепло передается излучению и излучается в космос. Будет наблюдаться повышенное переизлучение, как показано на верхнем графике, до тех пор, пока более высокая температура не уменьшится и излучаемая энергия не будет находиться в равновесии с подаваемым потоком энергии.

    Из-за более низкой плотности и теплоемкости воздуха при таком пониженном давлении система намного быстрее приходит в стационарное равновесие.

    3.4. Термодинамическое и радиационное равновесие

    Термодинамическое равновесие в пробе газа означает, что совокупность молекулярных состояний задается распределением Больцмана (4), а газ характеризуется средней температурой. С другой стороны, равновесие спектрального излучения требует, чтобы количество поглощений в рассматриваемом спектральном интервале было равно количеству излучений.Хотя обычно без внешнего излучения любое термодинамическое равновесие в образце будет идентично равновесию спектрального излучения, в присутствии дополнительного поля эти случаи следует различать, поскольку падающее излучение также вызывает переходы и изменяет населенность молекулярные состояния, отклоняющиеся от распределения Больцмана.

    Следовательно, целесообразно более внимательно изучить соотношение населения и выяснить, как оно выглядит в некоторых особых условиях.Это адекватный способ определить, какое равновесие обнаружено в пробе газа.

    Для этого мы рассматриваем общий баланс процессов поглощения и выброса, задаваемый уравнениями скорости (76). В условиях стационарного равновесия (см. (78)) она равна Используя (17), (34) и (59), мы можем записать При локальном термодинамическом равновесии и связаны друг с другом соотношением (36). Но в более общем плане мы можем заключить, что (36) верно, пока молекулы могут быть описаны максвелловским распределением скоростей и могут быть охарактеризованы средней температурой (см. Также [12]).

    Таким образом, применяя (36) и вводя некоторые сокращения: после элементарной перестановки (82) принимает вид: Легко видеть, что для больших и, следовательно, высоких частот столкновений (84) приближается к распределению Больцмана. Также для (без столкновений) и (без внешнего излучения) это дает соотношение Больцмана, в то время как для и, (84) меняется на Это уравнение показывает, что в условиях верхних слоев атмосферы (небольшая частота столкновений) населенности аппроксимируются модифицированным распределением Больцмана (правая часть: для), которое с увеличением спектральной интенсивности все больше и больше определяется температурой внешний источник излучения.В таких условиях нормальное термодинамическое равновесие согласно (4) нарушается и должно быть заменено спектральным радиационным равновесием.

    4. Радиационный баланс и перенос излучения в атмосфере

    Более обширный анализ энергии и радиационного баланса поглощающего образца не только учитывает чистую поглощенную мощность падающего излучения, как рассмотрено в (53) — (66 ), но он также включает любое излучение, исходящее от самого образца, а также любое повторное излучение из-за внешнего возбуждения.Однако это уже было детально исследовано в разделе 3.3 с точки зрения локального баланса и его эволюции с течением времени. В этом разделе мы особенно сосредоточимся на распространении теплового излучения в инфракрасном активном газе и на том, как это излучение модифицируется из-за поглощения и повторного излучения газа.

    Возможны две перспективы: баланс энергии для образца или баланс излучения для входящего и выходящего излучения. Здесь мы обсуждаем последний случай.Процессы рассеяния не учитываются.

    Мы рассматриваем падающее излучение от внешнего источника со спектральной яркостью, определенной в (50). Потери при распространении в тонком слое газа подчиняются закону Ламберта-Бера. Одновременно на это излучение накладывается тепловое излучение, испускаемое самим образцом газа, и, как уже обсуждалось в разделе 2.5, этот тепловой вклад возникает из-за спонтанного излучения молекул. Для малых расстояний распространения в газе оба вклада можно суммировать и получить Последний член является следствием (19) или (45) при преобразовании спектральной плотности энергии газа в спектральную интенсивность и при рассмотрении только той части, излучаемой в интервал телесных углов.Уравнение (86) представляет собой довольно общий вид радиационного баланса в тонком слое, и уместно вывести основные соотношения для переноса излучения в атмосфере при различных условиях. Дифференциал указывает на то, что имеется в виду абсолютная длина распространения в газе.

    4.1. Уравнение Шварцшильда в плотных газах

    В тропосфере населенность молекулярных состояний почти исключительно определяется столкновениями между молекулами даже в присутствии более сильного излучения.Тогда, благодаря предыдущему обсуждению, можно ожидать хорошо установленного локального термодинамического равновесия, и из (47) или (48) находим со спектральной яркостью газа, также известной как функция Кирхгофа-Планка и определяемая формулой (50), но здесь при температуре. Чтобы различать внешнее излучение и излучающий газ, мы используем букву (от фонового излучения), которую нельзя смешивать с коэффициентами Эйнштейна или. Тогда в качестве окончательного результата мы получим: Это уравнение известно как уравнение Шварцшильда [5–7], которое описывает распространение излучения в поглощающем газе и дополнительно учитывает тепловое фоновое излучение газа.При выводе этого уравнения не требуется никаких специальных ограничений или условий, касающихся плотности газа или столкновений между молекулами, только то, что справедливо (36) и дано термодинамическое равновесие. В общем, это так в тропосфере вплоть до стратосферы.

    Другая производная. Обычно уравнение Шварцшильда выводится из чисто термодинамических соображений. Газ в небольшом объеме называется находящимся в локальном термодинамическом равновесии при температуре, когда испускаемое излучение из этого объема такое же, как у излучателя черного тела при этой температуре.Тогда строго соблюдается закон Кирхгофа, что означает, что излучение идентично поглощению образца.

    Суммарное излучение в частотном интервале за время может быть. Коэффициент излучения нельзя смешивать с (83). Тогда при спектральной яркости (50) и коэффициенте поглощения это следует из закона Кирхгофа (см., Например, [8–11]) Тогда для падающего луча со спектральной яркостью, распространяющегося в -направлении, мы получаем: что совпадает с (88).

    4.2. Уравнение переноса излучения для спектральной интенсивности

    Обычно представляет интерес излучение и, следовательно, энергия, испускаемая в полную полусферу, так что (88) необходимо интегрировать по телесному углу. Как уже обсуждалось в разделе 3.2, для этого интегрирования мы должны иметь в виду, что луч, распространяющийся под углом к ​​нормали слоя (см. Рисунок 11), только вносит вклад в спектральную интенсивность (спектральную плотность потока) из-за Закон Ламберта.То же самое предполагается и для теплового излучения, испускаемого слоем газа под этим углом.


    С другой стороны, длина распространения через тонкий слой глубины увеличивается с, так что -зависимость для обоих членов и исчезает.

    Следовательно, аналогично (54) и (55) интегрирование (88) по дает для спектральной интенсивности, распространяющейся в -направлении: или с определением и аналогичным: Уравнение (92) представляет собой дифференциальное уравнение 1-го порядка с общим решением: или после некоторой трансформации: Обычно плотность газа, полное давление и температура изменяются на пути распространения излучения.Следовательно, уравнение (94) должно решаться поэтапно для тонких слоев, толщина которых, и может считаться постоянной (см. Рисунок 12). С текущим индексом для разных слоев (94) можно упростить следующим образом: Интенсивность в -м слое вычисляется из предыдущей интенсивности слоя со значениями и -го слоя. Таким образом, поэтапно рассчитывается распространение по всей атмосфере. Первый член в (95) описывает передачу падающей спектральной интенсивности по толщине слоя, а второй член представляет собой самопоглощение теплового фонового излучения в прямом направлении и идентично спонтанному излучению слоя в одну полусферу. .


    4.3. Уравнение Шварцшильда в тонком газе

    Уравнение (88) было получено в предположении локального термодинамического равновесия в газе, что обычно имеет место при более высоких давлениях газа и, следовательно, более высоких скоростях столкновений молекул. Однако при низких давлениях населенность молекулярных состояний также может в значительной степени определяться индуцированными переходами, вызванными падающим излучением (см. Раздел 3.4), и тогда имеет смысл рассматривать равновесие монохроматического или спектрального излучения, что означает, что Газ повторно испускает все поглощенное им монохроматическое излучение.

    Поскольку это поглощение вызвано полным спектральным излучением, падающим в пределах телесного угла, необходимо проинтегрировать. Тогда поглощенная спектральная интенсивность на интервале находится из (51) вместе с (53). Это должно быть равно спектральной плотности мощности, испускаемой газом в виде спонтанного излучения в полный телесный угол. Таким образом, получаем Только (96) дает вклад в спектральную яркость, а (86) меняется на При, (97) принимает вид Это дифференциальное уравнение для спектральной яркости в тонких газах было выведено с учетом только поглощения и последующего излучения за счет внешнего излучения и в этом отношении ориентировано на стандартные соображения, изложенные в литературе (см.г., [12]). Однако более строгий вывод этого уравнения также должен учитывать излучение, происходящее от теплового фонового излучения молекул, если их температура и, следовательно, их кинетическая энергия не равны нулю. Это рассматривается в следующем подразделе.

    Расширенное уравнение Шварцшильда в тонком газе. Мы начнем с работы (86), которая уже в самом общем виде описывает распространение излучения в условиях, когда образец не только поглощает, но и излучает на тех же частотах, что и падающее излучение.Снова требуя радиационного равновесия, общий баланс процессов поглощения и излучения дается уравнениями скорости (76), что в стационарных условиях приводит к (см. (81)) С помощью (34) и (59) находим: Некоторая перестановка (100) и умножение на дает Мы знаем, что при локальном термодинамическом равновесии член будет равен нулю в силу (36), и тривиально он также равен нулю в отсутствие каких-либо столкновений.Таким образом, можно ожидать, что в тонком газе с небольшим количеством столкновений даже в условиях радиационного равновесия этот член довольно мал, и поэтому им можно пренебречь. Общий случай, включая этот термин, будет рассмотрен в следующем абзаце. Итак, с (33) и делением (101) на, а также с использованием соотношений и, мы получаем Подставляя (102) в (86), мы получаем расширенное уравнение Шварцшильда в тонких газах:

    4.4. Обобщенное уравнение Шварцшильда

    Цель состоит в том, чтобы найти выражение, которое описывает перенос излучения для обоих предельных случаев, при высоких частотах столкновений в плотном газе, как указано в (88), а также при незначительных столкновениях в тонком газе, представленном по (103).Однако по схожим соображениям разные результаты; см., например, [12].

    Начнем с (81) или с сокращений (83) из (84). Эти уравнения снова содержат баланс всех переходов вверх и вниз. Элементарное преобразование дает и некоторые дальнейшие перестановки дают (см. расширение слева) С тождеством (см. (33) и (83)) и умножая (105) на, получаем Определение относительного параметра материала и подставляя (107) и (108) в (86), получаем С сокращением где принимает значения из для, (109) можно представить в более компактном виде Это обобщенное уравнение Шварцшильда, которое справедливо как при низких, так и при высоких плотностях газа, и где переход от одного предельного случая к другому контролируется параметром, зависящим от плотности.Согласно (108) и (83) вместе с (36), может быть выражено как Следовательно, любые вариации и, следовательно, также происходят из зависящей от давления скорости передачи столкновений, которая изменяется с высотой над земной поверхностью, так что все эти параметры становятся функцией. Без каких-либо коллизий получает ноль, а значит. Тогда (111) совпадает с (103). С другой стороны, при высоких плотностях газа и высокой частоте столкновений с и (111) сходится к (88).

    4.5. Обобщенное уравнение переноса излучения для спектральной интенсивности

    Чтобы вывести основное уравнение переноса излучения (УПИ) для спектральной интенсивности, расширяющейся в -направлении, аналогично (91), мы должны проинтегрировать (111) по телесному углу: или с определениями и: Это обобщенный RTE для спектральной интенсивности, исходящей от планковского излучателя температуры и распространяющейся через поглощающий газовый слой температуры.

    Аналогично (92) — (94) решение (114) находится в виде и пошаговое численное интегрирование может быть получено с помощью Следует напомнить, что в условиях более сильного поглощения и большей длины пути излучение, выходящее из отдельных слоев, может отклоняться от принятого закона Ламберта излучения (см. Раздел 3.2). Это может привести к слишком сильному поглощению, вызванному этими лучами, распространяющимися под большими углами к нормали слоя.Однако, поскольку эти лучи вносят лишь относительно небольшой вклад в общее поглощение, это вызывает лишь относительно небольшие отклонения.

    Другой эффект может быть связан с отклонениями лучей от геометрической оптики, вызванными неоднородностями и процессами рассеяния в атмосфере. Поэтому в целом представляется разумным применить в (116) несколько меньший эффективный коэффициент поглощения. Множитель два возник из эффективной средней длины пути через слой, соответствующий среднему направлению распространения.Следовательно, предположение немного меньшего среднего угла может более реалистично приблизить условия в атмосфере.

    5. Моделирование переноса излучения в атмосфере

    Инфракрасные активные газы в атмосфере оказывают существенное влияние на энергетический и радиационный баланс системы Земля-атмосфера, поскольку это уже подробно обсуждалось в разделе 3.3. Они поглощают коротковолновое излучение Солнца и длинноволновое излучение Земли.Эта поглощенная энергия, а также тепловая энергия (после преобразования во внутреннюю энергию) снова равномерно переизлучаются во всех направлениях. Это излучение является источником восходящего и нисходящего излучения самой атмосферы, которое вместе с любым земным или облачным излучением определяет общее излучение, наблюдаемое в восходящем или нисходящем направлении.

    Наиболее важными газами, активными в инфракрасном диапазоне, являются водяной пар, CO 2 , CH 4 и O 3 , которые имеют более сильные полосы поглощения в инфракрасном диапазоне , , распределенные в широком спектральном диапазоне от примерно 3 до 200 мкм м или от 50 до 3330 см -1 .

    В частности, CO 2 считается основным виновником антропогенного глобального потепления и ответственен за повышение температуры за последние 150 лет. Поэтому стоит более внимательно посмотреть, как этот газ влияет на поглощение и радиационный баланс в атмосфере. В то же время это поучительный пример полезной применимости теоретических основ, представленных в этой статье.

    5.1. Спектр поглощения и излучения CO
    2

    Самая сильная полоса поглощения этой молекулы расположена около 4.2 мкм м или 2350 см -1 . Но для баланса поглощения-излучения в атмосфере еще более важна в десять раз более слабая полоса поглощения на 15 мкм м (670 см -1 ), которая почти совпадает со спектральным максимумом земного излучения (см. Рис. 6), а потому в первую очередь определяет взаимодействие молекул CO 2 с излучением.

    На рисунке 13 показан соответствующий спектр поглощения для 380 ppm CO 2 в сухом воздухе для различной длины распространения при давлении 1013 гПа и температуре 288 К.Красные линии представляют собой маркеры, указывающие центр и силу отдельного перехода, а синяя кривая представляет собой суперпозицию всех профилей линий и представляет степень прохождения — или, наоборот, степень поглощения — падающего излучения с этими волновыми числами. На -ветвь (центр полосы) излучение почти полностью поглощается на длине всего 1 м, а с увеличением расстояния распространения даже более слабые линии — и -ветвий отражают полностью насыщенное поглощение. На расстоянии 1 км и более только дальние крылья ленточной структуры все еще показывают некоторую передачу отдыха.


    С другой стороны, из разделов 3 и 4 мы знаем, что поглощающий газ с температурой, сравнимой с температурой внешнего источника излучения — здесь земная поверхность — будет действовать как собственный излучатель и заметно изменять падающее излучение. На рисунке 14 показано моделирование апвеллинга радиации, испускаемой только 3,8 ppm CO 2 в сухом воздухе (1/100 обычной концентрации) на разных высотах над землей.


    Этот расчет основан на (116) и использует для вертикального профиля давления и температуры воздуха стандарт US Standard Atmosphere [17].В центре полосы излучение уже быстро достигает максимальной спектральной интенсивности 0,47 Вт / (м 2 · см -1 ), и с увеличением высоты постепенно развивается более широкое плато, которое на больших высотах снова немного уменьшается.

    Это можно наблюдать более отчетливо на Рисунке 15 для серии расчетов на высоте до 10 км с концентрацией 380 ppm CO 2 в сухом воздухе.


    Широкие плато по существу отражают фактическую температуру газа на определенных высотах.Более высокие плечи кривых от 4 до 10 км указывают на то, что при уменьшении давления и, следовательно, уменьшении ширины линии крылья полосы поглощения становятся более прозрачными, а также излучение от более низких, следовательно, более теплых и более интенсивно излучающих слоев может способствовать увеличению наблюдаемые спектры.

    Все расчеты переноса излучения были выполнены на программной платформе MolExplorer [18] как построчные расчеты и основаны на фактической базе данных HITRAN08 [13].Для численного интегрирования (116) использовалась толщина слоя 100 м, на которой давление, плотность и температура считались постоянными. Согласно (112), определяется соотношением. Поскольку до мезопаузы частота столкновений все еще больше 1 с -1 , а скорость спонтанного излучения на переходах CO 2 с -1 больше 1 и, следовательно, больше. Следовательно, для этой полосы поглощения исходное уравнение Шварцшильда (88) все еще является хорошим приближением до высоты около 90 км.

    5.2. Влияние водяного пара

    Самое сильное влияние на радиацию в атмосфере оказывает вода в ее различных агрегатных состояниях. Таким образом, более толстые кучевые облака или слои высокослоистых облаков могут полностью поглощать и переизлучать инфракрасное излучение, или кристаллы льда в тропопаузе могут вызывать рассеяние излучения. Но также значительное влияние оказывает атмосферный водяной пар, который в рамках данной статьи будет рассмотрен более подробно. Это сильное воздействие является результатом того факта, что молекулы H 2 O обладают сильными полосами поглощения и одиночными линиями поглощения, которые почти непрерывно распространяются по более широким областям инфракрасного спектра.

    На рисунке 16 показано спектральное пропускание через влажный воздух в логарифмическом масштабе на высоте 10 км. Предполагается, что концентрация водяного пара у земли при 288 K составляет 1,46% в среднем по трем климатическим зонам — тропикам, средним широтам и полярным регионам. Он выводится из измерений GPS [19] и экспоненциально уменьшается с высотой из-за температурной зависимости давления пара (подробности см. В [20]).


    От 10–360 см –1 и 1400–1800 см –1 атмосфера полностью непрозрачна.Только между 800 и 1100 см –1 и более 2200 см –1 , так называемыми атмосферными окнами, он становится совершенно прозрачным для излучения с поверхности земли.

    Но в то же время молекулы воды являются сильными излучателями, излучающими при соответствующей температуре, как это показано на рисунке 17. В качестве прямого сравнения также показаны распределения Планка для различных температур. Хотя молекулы воды являются идеальными излучателями черного тела на более сильных переходах, их спектральная интенсивность значительно ниже, чем поверхностное излучение Земли.Это снова является следствием того факта, что спектральные компоненты, наблюдаемые в тропопаузе на высоте 12,5 км, происходят из слоев разной высоты и, следовательно, разной температуры. Эти слои могут характеризоваться оптической толщиной на частоте. В противном случае новый цикл поглощения-излучения мог бы произойти в пределах толщины слоя или на дальнейшей трассе до высоты наблюдения.


    Итак, в спектральных областях со средним или более низким поглощением огибающая кривой излучения может быть довольно хорошо представлена ​​распределением Планка 270 K, что соответствует высоте 2.8 км, тогда как в спектральных интервалах очень высокой непрозрачности (10–400 см –1 и 1350–1800 см –1 ) распределение с 245 K и высотой 6,6 км подходит гораздо лучше.

    5.3. Перенос излучения в атмосферных условиях

    Хотя целью предыдущих двух подразделов было представить индивидуальные спектральные свойства двух наиболее важных инфракрасных активных газов в атмосфере и идентифицировать их взаимодействие с атмосферным излучением, в этом параграфе мы исследуем их общее влияние на восходящую и нисходящую радиацию.На рисунке 18 показано влияние обоих газов на испускаемое излучение на высоте 12,5 км.


    Синяя кривая представляет собой суммарное излучение, испускаемое земной поверхностью и атмосферой, а вклад только атмосферы показан зеленым графиком. Ниже 750 см -1 и выше 1300 см -1 обе кривые полностью идентичны и выглядят как уникальная линия. Только над центральным атмосферным окном влияние нижележащего земного излучения, показанного розовым графиком, можно определить как повышенную интенсивность, в то время как во внешних областях это излучение полностью поглощается водяным паром и CO 2 .Как и на Рисунке 17, можно увидеть доминирующее влияние линий воды во всем спектральном диапазоне, но теперь на него накладывается сильная полоса поглощения CO 2 около 670 см -1 . Концентрация водяного пара у земли снова была принята равной 14 615 частей на миллион .

    Чтобы оценить более или менее сильное влияние увеличения концентрации CO 2 в атмосфере, как это подробно обсуждается в связи с антропогенным глобальным потеплением, на рисунке 19 сравниваются два моделирования, которые были выполнены с 380 ppm (синяя линия) и 760 ppm (красная кривая) CO 2 при средних глобальных условиях.Из-за сильно насыщенного поглощения и излучения на полосе CO 2 около 670 см -1 широкая воронка не меняет ни своей глубины, ни ширины. Только крылья и слабые полосы поглощения при 970 и 1070 см -1 , которые сильно перекрываются интенсивными линиями воды, способствуют немного более высокому поглощению.


    Вычитание интегральных спектров дает разность интенсивностей 5,8 Вт / м 2 ; Таким образом, это количество меньше переизлучается тропосферой при удвоенной концентрации CO 2 .Хотя эти расчеты проводились в условиях ясного неба, при средней облачности 50% и высоте облачности 5 км, это сокращается до примерно 4,3 Вт / м 2 . В новых квазиравновесных условиях обнаружено, что 61% этого количества усиливает обратное излучение, остальные 39% уходят в космос (см. Также [20]). Повышенное нисходящее излучение из стратосферы при более высокой концентрации CO 2 [21, 22] частично экранируется облачностью и в радиационном балансе дополнительно компенсируется увеличенными потерями солнечного потока, который поглощается земной поверхностью (коротковолновое излучение). форсирование).Таким образом, всего около 2,6 Вт / м 2 будет способствовать радиационному воздействию и, следовательно, глобальному нагреву при удвоенной концентрации CO 2 .

    Пример нисходящего излучения показан на рисунке 20. Расчеты начинаются на пересечении мезосферы и мезопаузы на высоте 86 км (TOA) и отслеживают излучение, а также поглощение до поверхности земли. Моделирование снова включает водяной пар в тропосфере с концентрацией у земли 14 615 ppm, CO 2 и CH 4 , а также смешанные газы по всей высоте с концентрациями для CO 2 380 ppm (синяя линия) и 760 ppm (красная линия), для CH 4 с 1.8 ppm и O 3 распространяются по стратосфере и тропопаузе с максимумом 7 ppm на высоте около 38 км. За исключением меньшего вклада O 3 около 1020 см −1 , все излучение исходит из нижней тропосферы и распространяется по широким областям, идентичным источнику черного тела 288 К. Интегральное излучение в нисходящем направлении составляет 312 Вт / м. 2 , представляющий 80% источника абсолютно черного тела при этой температуре и соответствующий 61% общей интенсивности, излучаемый только атмосферой.Разница между обычной и удвоенной концентрацией CO 2 при ясном небе составляет 4,4 Вт / м 2 , а при средней облачности это количество, которое способствует дополнительному нагреву земли, такое же, как обсуждалось выше.


    Расчетное радиационное воздействие 2,6 Вт / м 2 при удвоенной концентрации CO 2 на 1,1 Вт / м 2 меньше, чем у Myhre et al. [22]. В некоторой степени ожидается, что это несоответствие является результатом различных атмосфер, использованных для расчетов.Таким образом, большинство спектроскопических расчетов в литературе основано на US Standard 1976 Atmosphere . Однако соответствующая концентрация водяного пара в этой базе данных составляет только половину от концентрации, обнаруженной в средней глобальной атмосфере (AGA), а также только половину от концентрации, полученной из реальных измерений GPS [19], которые использовались в наших расчетах. Дальнейшие отклонения могут быть следствием различных концепций, например, не предполагая теплового равновесия или расчетов с разными эффективными длинами пути излучения через атмосферу.

    Чтобы продемонстрировать надежность и достоверность представленных расчетов, мы сравниваем наши расчеты с двумя измерениями, которые были записаны в совершенно разных условиях. На рисунке 21 (а) показано измерение уходящего инфракрасного спектра излучения безоблачной атмосферы, обнаруженного спутником на высоте 20 км, смотрящим вниз над полярным ледяным покровом [23].

    Моделирование, показанное на рисунке 21 (b), было выполнено для температуры грунта 266 K, содержания водяного пара на поверхности 2100 ppm, концентрации CO 2 380 ppm (синий график) и 760 ppm (красный линия), концентрация 1 CH 4 .8 ppm, и слегка изменяющаяся концентрация O 3 , составляющая 1–3 ppm в течение тропопаузы.

    С другой стороны, на рисунке 22 (a) приведен пример падающей яркости, зарегистрированной наземной станцией в Рино в течение одного дня при сильно изменяющейся облачности [24]. На рисунке 22 (b) показаны модели, основанные на (111), но наложенные планковским распределением, которое учитывает испускаемое излучение облаков. Это излучение Планка определяется температурой облаков и, следовательно, высотой облаков, и вносит вклад в спектр с весовым коэффициентом, определяемым облачностью.

    Температура грунта в течение дня варьировалась от 282 до 288 К, концентрация водяного пара принималась равной 3000 ppm, в то время как для других газов применялись стандартные условия.

    Все характерные особенности измеренных спектров хорошо воспроизводятся. В основном возникают меньшие отклонения в форме воронки CO 2 , а также в форме направленного вниз излучения на 670 см −1 , а также несоответствия в полосовой структуре O 3 около 1050 см −1 из-за незнания некоторых экспериментальных параметров.Таким образом, разрешение спектрометров, а также угол приема детекторной оптики оказывают значительное влияние на форму, ширину и интенсивность измеряемых спектров. Но также неточные или отсутствующие атмосферные параметры, такие как профиль давления и температуры по длине пути во время измерений, или концентрации пара и газа, ограничивают точную воспроизводимость измеренных спектров.

    Следует подчеркнуть, что измерения на рисунках 21 и 22 показывают восходящую и нисходящую спектральную яркость, то есть излучение, которое собирается в пределах ограниченного телесного угла.Этот угол обычно определяется оптикой приемника, которая вызывает пространственную фильтрацию и, по существу, улавливает лучи, передавая атмосферу на более коротком пути (в основном перпендикулярно поверхности земли). В отличие от этого, рисунки 19 и 20 были рассчитаны для спектральной интенсивности, которая распространяется по всей полусфере в восходящем или нисходящем направлении и соответствует средней длине пути, примерно вдвое превышающей яркость. Следовательно, из-за более короткой эффективной длины взаимодействия, в частности, крылья спектральных полос и линий на рисунках 21 и 22 кажутся менее уширенными и насыщенными.Кроме того, при более низких температурах и более сухом воздухе водные линии менее доминируют, так что в условиях ясного неба атмосфера становится намного более прозрачной, особенно в пределах спектрального окна от 800 до 1200 см -1 .

    Эти примеры ясно демонстрируют, что основные процессы взаимодействия инфракрасных молекул с тепловым излучением хорошо изучены и что представленные расчеты переноса излучения превосходно согласуются с наблюдениями даже в довольно сложных условиях атмосферы.Из этого мы также можем сделать вывод, что моделирование типа, показанного на рисунках 19–21, с различными концентрациями CO 2 в атмосфере, достаточно надежны и дают важную оценку воздействия парниковых газов на наш климат.

    5.4. Поглощение земной радиации

    Преобладающее влияние водяного пара на радиацию и энергетический баланс атмосферы можно также вывести из анализа спектров чистого поглощения. Итак, в условиях, которые обсуждались ранее, при среднем глобальном содержании водяного пара 1.46% у поверхности и температура 288 К, общее поглощение земного излучения, вызванное только водяным паром, уже составляет 77,7% . Вместе с метаном и озоном в атмосфере поглощение увеличивается до 80,7%. С другой стороны, только CO 2 в концентрации 380 ppm будет составлять 24,1%, но в присутствии других газов его влияние отталкивается до 4,6%, что связано с сильным спектральным перекрытием с другими компонентами. , особенно с водяным паром, а общее поглощение достигает только 85.3%.

    Как уже отмечалось в разделах 3.3 и 5.1, центр полосы поглощения CO 2 около 670 см -1 быстро переходит в насыщение с увеличением длины распространения, а также с увеличением концентрации. Только крылья и более слабые полосы поглощения на 970 и 1070 см -1 по-прежнему вносят вклад в слегка возрастающее поглощение с увеличением концентрации CO 2 . Это показано на рисунке 23, демонстрируя, что из-за спектрального перекрытия и сильного насыщения удвоение CO 2 в условиях ясного неба дает только дополнительный 1.2% от общего поглощения.


    Из-за облачности этот вклад еще больше снижается до менее 1%, и от этого 39% будет повторно излучаться в космос. Таким образом, всего около 0,6%, что соответствует 2,4 Вт / м 2 от общего земного излучения (391 Вт / м 2 при 288,15 K) или 0,8% относительно общего обратного излучения 312 Вт / м 2 (см. Раздел 5.3), может способствовать дополнительному глобальному нагреву при удвоенной концентрации CO 2 .Этот результат довольно хорошо согласуется с предыдущим расчетом радиационного воздействия и демонстрирует, почему дальнейшее увеличение концентрации CO 2 дает лишь незначительные поправки в радиационном балансе.

    На основе простого предположения, что из-за обратного излучения естественный парниковый эффект вызывает повышение глобальной температуры примерно на 33 K и что температура поверхности линейно реагирует на любые изменения в энергетическом или радиационном балансе, увеличение этого бюджета на менее 1% должно способствовать повышению температуры примерно на 0 ° C.3 К. Это явно противоречит требованиям IPCC , , которые выдают официальную чувствительность климата (повышение температуры при удвоении CO 2 ) из [25]. Но даже более сложное рассмотрение, основанное на модели баланса энергии для системы поверхность-атмосфера и различение трех климатических зон, включая баланс коротковолновой радиации, а также водяной пар и обратную связь по градиенту, дает чувствительность климата только 0,6 K [ 20], что все еще в 5 раз меньше, чем значение IPCC.

    6. Заключение

    В статье рассмотрены основные соотношения для взаимодействия излучения с инфракрасными активными молекулами и представлена ​​новая теоретическая концепция для описания переноса излучения в атмосфере. Исходя из фундаментальных соображений Эйнштейна о квантовой природе излучения, показано, что тепловое излучение газа можно хорошо понять только в терминах спонтанного излучения молекул. Детально исследовано взаимодействие с излучением внешнего источника черного тела в присутствии фонового излучения и под влиянием столкновений молекул.Энергетический и радиационный баланс в атмосфере, включая процессы теплопередачи, описываются скоростными уравнениями, которые решаются численно для типичных условий тропосферы и стратосферы. Эти модели демонстрируют непрерывный преобладающий процесс преобразования тепла в излучение и наоборот.

    Рассмотрение взаимодействия излучения на молекулярной основе позволяет вывести уравнение Шварцшильда, описывающее перенос излучения в атмосфере.Это уравнение исследуется в условиях лишь небольшого количества межмолекулярных столкновений, как в верхней мезосфере, так и при высоких скоростях столкновений, наблюдаемых в тропосфере. Представлена ​​обобщенная форма уравнения переноса излучения, которая охватывает как предельные случаи тонкой, так и плотной атмосферы и допускает непрерывный переход от низкой к высокой плотности, контролируемый параметром, зависящим от плотности. Это уравнение выводится для спектральной яркости, а также для спектральной плотности потока (спектральной интенсивности).

    Уравнение переноса излучения применяется для моделирования восходящей и нисходящей радиации и ее взаимодействия с наиболее заметными парниковыми газами — водяным паром, двуокисью углерода, метаном и озоном в атмосфере. Излучение в восходящем направлении — единственная возможность передать любую поглощенную энергию в космос и тем самым поддерживать баланс температуры атмосферы со всей поступающей прямой и косвенной энергией от Солнца. С другой стороны, нисходящая часть определяет обратное излучение от атмосферы к поверхности земли, которое является источником так широко обсуждаемого атмосферного парникового эффекта или атмосферного нагревающего эффекта.В то время как восходящее излучение способствует только охлаждению, пока излучение может уходить в космос, нисходящая часть вызывает нагрев только тогда, когда достигает поверхности.

    Распространение радиации в атмосфере не является результатом единичного события. Он лежит в основе процессов непрерывного поглощения и переизлучения в газе, которые определяются средней длиной свободного поглощения и сильно зависят от частоты излучения, а также от плотности газа. Излучение также преобразуется в молекулярную кинетическую энергию, а через возбуждающие столкновения снова превращается в излучение.Эта кинетическая энергия молекул является результатом поглощенного длинноволнового и коротковолнового излучения, а также явного и скрытого тепла из-за конвекции и эвапотранспирации с поверхности в атмосферу.

    Итак, любое распространение излучения в атмосфере можно описать аналогично процессу диффузии частиц (фотонов), которые частично аннигилируют и снова создаются при распространении в атмосфере. Это распространение в газе просто описывается уравнением переноса излучения (111) для спектральной яркости и (116) для спектральной интенсивности (спектральной плотности потока), и эти уравнения действительны независимо, если внешнее излучение или собственное излучение атмосферы в направлении вверх или вниз.

    Асимметрия восходящего и нисходящего собственного излучения (только из атмосферы) будет обнаружена с более сильным вкладом в нисходящем направлении, что вызвано градиентом, а также профилем плотности над атмосферой с более высокими температурой и давлением при более низкие слои атмосферы и, следовательно, более высокая чистая нисходящая радиация. Расчеты радиационного воздействия при удвоенной концентрации CO 2 и при средней облачности дают на 30% меньшее воздействие, чем применяемое МГЭИК.

    Тепловое излучение — это электромагнитное излучение, а не тепло. Следовательно, точно так же, как радиоволны могут распространяться от более холодной антенны к более теплому приемнику, микроволны могут поглощаться горячим цыпленком, или лазерное излучение CO 2 (10,6 мкм м) может использоваться для сварки. и плавление металлов до нескольких тысяч ° C, поэтому любое обратное излучение от более холодных и более высоких слоев атмосферы может поглощаться нижними и более теплыми слоями, и это обратное излучение также может поглощаться более теплой поверхностью земли, не нарушая второй закон термодинамики.Поскольку предполагается, что поверхность является черным или серым поглотителем, она не фильтрует никакие частоты входящего излучения, точно так же, как не отбрасывает никакие частоты широкого планковского спектра теплового излучателя, независимо, если он имеет более высокую или более низкую температуру, чем земля. Излучение преобразуется в тепло после поглощения, за которым следует излучение в соответствии с новым регулируемым термодинамическим равновесием, которое требует только баланса чистой передачи энергии.

    Тепловая энергия света

    Современное общество построено на потреблении ископаемого топлива, в основном нефти (нефти), природного газа и угля. Эти ископаемые виды топлива были образованы в результате разложения растений и животных, которые жили миллионы лет назад. Поскольку численность населения мира продолжает увеличиваться и превышает 7 миллиардов человек, у нас быстро заканчивается ископаемое топливо. Использование этих видов топлива также создает проблемы. Бурение на нефть и газ и добыча угля разрушают части ландшафта. А сжигание этого топлива загрязняет воздух и море.Углекислый газ, выбрасываемый в атмосферу в результате горения, улавливает избыточное тепло (парниковый эффект) и вызывает глобальное изменение климата. Большая часть избыточного CO 2 растворяется в океане, вызывая подкисление. Горящий уголь также загрязняет море ртутью.

    Что произойдет, если мы продолжим полагаться на ископаемое топливо в течение следующих 1000 лет? Вместо этого мы должны найти альтернативные формы чистой энергии. Солнечная энергия бесплатна, чиста и будет использоваться, пока Земля является обитаемой.

    Есть два способа использовать солнечный свет для производства полезных форм энергии. Один из них — использовать фотоэлектрические панели для производства электричества. Другой, более простой подход — преобразовать солнечный свет в тепло для таких вещей, как обогрев здания, приготовление горячей воды, приготовление пищи или производство «пара», который может питать электрический генератор.

    Целей обучения: Учащиеся смогут:

    1. Определите взаимосвязь между основами ядерного синтеза и солнечным светом.
    2. Используйте практические занятия, чтобы понять, что солнечный свет состоит из волн различной длины, представленных цветами.
    3. Расскажите об историческом развитии солнечного отопления и приготовления пищи с помощью солнечной энергии.
    4. Создайте аннотированную схему системы горячего водоснабжения на солнечной энергии для домашнего использования.
    5. Используйте данные, которые они собирают в ходе экспериментов, чтобы обнаружить взаимосвязь между потреблением энергии и цветом для солнечных коллекторов.
    6. Объясните парниковый эффект, включая роль коротковолнового и длинноволнового излучения, и свяжите его с данными, которые они собирают в ходе экспериментов.

    Что такое тепло?

    Все вещества выше абсолютного нуля (-273.15 o C) способны передавать тепло более холодным объектам. Температура — это мера молекулярного движения вибрации. Чем теплее вещество, тем быстрее движутся или колеблются его молекулы. Тепло — это количество тепловой энергии, передаваемой между объектами. Физики не сказали бы, что объект содержит определенное количество тепла, но они сказали бы, что он может передавать определенное количество тепловой энергии другому объекту, и они бы назвали это теплом. Единицы тепла включают: джоуль, ватт и калорию.Джоуль = (кг x 1м2) / с2 = Ш x S. кг — килограмм, м — метр расстояния, с — время в секундах. W означает ватт.

    Нам часто нравится думать об определенном количестве используемой энергии в киловатт-часах (кВтч), поскольку именно так мы покупаем электроэнергию у энергокомпании. Поскольку джоуль — это ватт-секунда, киловатт-час составляет 1000 x 3600 секунд = 3,6 МДж (мегаджоули). Джоуль — это количество энергии, выделяемое яблоком весом 100 г, которое падает с расстояния 1 м. КВт-ч — это количество электроэнергии, которое используют десять 100-ваттных ламп накаливания в течение часа.

    Другой показатель тепла — это калории. Это количество тепла, необходимое для получения одного грамма воды (= 1 мл или 1 кубический сантиметр воды) 1 o ° C. 1 калория = 4,184 Дж.

    Мы можем думать о тепле по той работе, которую он выполняет, когда передается от одного объекта к другому. Явное тепло — это то, что вызывает повышение температуры объекта. Но всегда ли добавление тепла вызывает повышение температуры? Нет! Добавление тепла к кубику льда может привести к его расплавлению, но вода, превращенная из твердой в жидкую, может все еще иметь ту же температуру 0 ° C.Когда температура остается постоянной, но добавленное или отводимое тепло вызывает изменение состояния, это называется скрытой теплотой. Напомним, что изменение состояния происходит, когда вещества меняют форму между состояниями твердого, жидкого или газообразного. Обычно для изменения состояния требуется гораздо больше тепла, чем для простого повышения температуры объекта. Например, для повышения температуры 1 грамма жидкой воды на 1 o ° C требуется 1 калория. После достижения температуры 0 o ° C, 79.Чтобы заменить жидкую воду на 1 г льда, необходимо удалить 5 калорий. На грамм жидкой воды, имеющей температуру 100– ° C, требуется еще 539 калорий, чтобы превратить ее в водяной пар. Как вы увидите ниже, используя изменение состояния, а не просто изменение температуры, можно сохранить или высвободить гораздо больше энергии из системы, предназначенной для выполнения полезной работы.

    Как тепло передается между объектами?

    Тепло всегда самопроизвольно перетекает от объекта с более высокой температурой к объекту с более низкой температурой.Когда предметы соприкасаются, тепло передается за счет теплопроводности. Если вы положите руку на чашку горячего кофе, тепло от кофе перейдет к вашей руке. Если вместо этого вы поместите руку рядом с чашкой горячего кофе, скажем, на расстоянии 2 см, вы все равно почувствуете, что рука становится теплее. Инфракрасные лучи тепловой энергии уходят от чашки, и вы чувствуете их на коже руки. Когда энергия течет через пространство таким образом, это называется излучением. Именно так энергия передается от Солнца на Землю с помощью солнечного излучения.Тепло также может перемещаться из одного места в другое, переносясь движущейся жидкостью (жидкостью или газом). Это называется конвекцией. Пассивная конвекция возникает, когда теплый объект передает тепло жидкости, в результате чего жидкость становится менее плотной и всплывает вверх. Воздух над чашкой горячего кофе нагревается за счет теплопроводности и излучения. Чем теплее, он становится менее плотным и всплывает вверх, заменяясь более прохладным воздухом, который скользит, чтобы занять его место. В гораздо большем масштабе это то, что происходит в атмосфере и океанах, и именно так тепло переносится вокруг Земли.Активная конвекция возникает при приложении силы для перемещения жидкости, переносящей тепло. Мы используем электрические вентиляторы для циркуляции нагретого воздуха в наших домах. Мы используем насосы для циркуляции нагретой воды / раствора антифриза для охлаждения автомобильных двигателей.

    Скорость теплового потока между объектами пропорциональна разнице температур между ними. Когда есть большая разница, тепло течет быстро. Если разница температур небольшая, поток тепла уменьшается. Представьте себе горячий горшок, снятый с плиты и поставленный на плиточную столешницу.Сначала быстро остывает. По мере охлаждения разница в температуре между кастрюлей и комнатным воздухом становится меньше, и поэтому кастрюле требуется много времени, чтобы терять достаточно тепла, чтобы соответствовать комнатной температуре. Говорят, что два объекта при одинаковой температуре находятся в равновесии. В этот момент любое тепло, полученное горшком от воздуха, равно тому же количеству тепла, которое горшок теряет воздуху.

    Высвобождение энергии в виде солнечного света от термоядерного синтеза.

    Происхождение: Доступ через веб-сайт НАСА: https: // genesismission.jpl.nasa.gov/science/module1/index.html; изначально из http://astrosun2.astro.cornell.edu/academics/courses/astro201/hydrogen_burn.htm
    Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/ licenses / by-nc-sa / 3.0 / Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях при условии указания авторства и предложения любых производных работ под аналогичной лицензией.

    Что такое солнечный свет и как он производится?

    Солнце — наша звезда.Это массивный шар из плотных газов, в основном водорода (91,2%) и гелия (8,7%). Огромная гравитация Солнца настолько плотно упаковывает газы в ядре, что заставляет 4 атома водорода (1 протон и 1 электрон) слиться вместе, чтобы произвести 1 атом гелия (2 протона, 2 нейтрона и 2 электрона) и энергию. Высвобождаемая энергия происходит из-за потери небольшого количества массы в процессе синтеза. Вспомните, что Эйнштейн показал, что массу можно превратить в энергию, и наоборот, с помощью своего уравнения: E = mC 2 .Этот ядерный синтез приводит к высвобождению большого количества энергии. Выделяемая энергия включает тепло (инфракрасное излучение), видимый свет, ультрафиолетовый свет, а также различные лучи и частицы высокой энергии. Посмотрите анимацию слияния на солнце.

    Электромагнитный спектр

    Происхождение: Викискладе: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cont_emspec2.jpg
    Повторное использование: Этот элемент находится в общественном достоянии и может использоваться повторно без ограничений.

    Преобразование солнечного света в тепло

    Энергия распространяется волнами. Расстояние между вершинами одной волны и другой называется длиной волны. Длина волны определяет вид энергии. Тепло (инфракрасное) имеет более длинную волну, чем видимый свет. Какова длина волны инфракрасного излучения в нанометрах (нм)? ____ Что это за синий свет? ___ Используйте для ответа рисунок электромагнитного спектра.

    Электромагнитный спектр с другой точки зрения

    Происхождение: Wikispaces: https: // new243-servicelearningreport.wikispaces.com/Photosynthesis
    Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете повторно использовать этот элемент для других целей. в коммерческих целях, если вы указываете авторство и предлагаете производные работы по аналогичной лицензии.

    Эйнштейн показал, что, хотя свет распространяется волнами, он также состоит из частиц, называемых фотонами. Энергия, связанная с фотоном, определяется его длиной волны.Волны фотонов с более короткой длиной волны имеют больше энергии на фотон, чем фотоны с большей длиной волны.

    Из солнечного света, который достигает поверхности Земли, 54% уже тепло (инфракрасный), 45% — видимый свет и около 1% — более короткие волны (ультрафиолет). Когда солнечный свет попадает на объект, он может отражаться или поглощаться. Если он отражается, он отражается на той же длине волны. Но если он поглощается, коротковолновая энергия превращается в длинноволновую (тепло).

    Парниковый эффект

    Энергетический бюджет Земли

    Происхождение: NASA
    Повторное использование: Этот элемент является общественным достоянием и может быть использован повторно без ограничений.

    Одна из причин, по которой Земля может поддерживать жизнь, заключается в том, что она очень теплая, учитывая ее удаленность от Солнца. Средняя температура на поверхности для всей Земли составляет 15 o C. Луна находится на том же среднем расстоянии от Солнца, что и Земля. Тем не менее, средняя температура поверхности Луны намного ниже -35 o C. (Напомним, что вода замерзает при 0 o C, комнатная температура составляет 22 o C, а вода закипает при 100 o C.) почему Земля намного теплее Луны? Сила тяжести! Масса Луны всего 1.2% массы Земли. Поскольку гравитационная сила пропорциональна массе, Луна имеет гораздо меньшую гравитацию, чем Земля, и не может удерживаться в газовой атмосфере. Это атмосфера Земли, которая держит ее в тепле.

    Инфракрасной энергии, исходящей от Солнца, недостаточно, чтобы поддерживать такую ​​температуру на Земле, как она есть. Свою роль также должна сыграть энергия видимого света и ультрафиолетового света. Из всей солнечной энергии, достигающей атмосферы, около 29% отражается обратно в космос. Большая часть того, что отражается обратно в космос, — это видимый свет, поэтому Земля выглядит как светящийся сине-белый шар при фотографировании с некоторого расстояния.Около 23% начальной солнечной энергии поглощается газами и частицами в атмосфере, а оставшиеся 48% поглощаются землей, океаном, растениями и практически любым объектом на поверхности Земли. Когда видимый свет поглощается объектом, объект преобразует коротковолновый свет в длинноволновое тепло. Это заставляет объект нагреваться. Но это только часть того, почему Земля теплая. Что-то должно удерживать это тепло от быстрого распространения обратно в космос.

    Теплица Земля

    Provenance: US EPA, доступ через Wikimedia Commons: https: // commons.wikimedia.org/wiki/File:Earth%27s_greenhouse_effect_(US_EPA,_2012).png
    Повторное использование: Этот элемент находится в общественном достоянии и может использоваться повторно без ограничений.

    Что мешает так быстро излучать тепло? Это парниковые газы. Наиболее важными из них являются диоксид углерода, метан (CH 4 ), водяной пар и закись азота (N 2 O). Они называются парниковыми газами, потому что они пропускают видимый свет с короткой длиной волны через атмосферу, но блокируют выход большей части длинноволновой (тепловой) инфракрасной энергии.Эти газы выполняют ту же функцию, что и стекло в крыше и стенах теплицы, в которой выращивают растения в холодном климате. Солнечный свет проходит через стекло и поглощается растениями и другими предметами в теплице. При поглощении коротковолновый солнечный свет превращается в длинноволновое тепло. Стеклянные стены и крыша не пропускают большую часть тепла. Любой, кто открывал закрытый автомобиль и сидел на солнышке в ясный холодный день, испытал парниковый эффект на собственном опыте.

    Атмосфера состоит из 78% N 2 (газообразный азот) и 21% O 2 . Оставшийся 1% состоит из различных газов, включая перечисленные выше парниковые газы. Пространства между молекулами N2 и O2 в атмосфере достаточно велики, чтобы пропускать как длинноволновое, так и коротковолновое излучение. Хотя CO 2 составляет лишь крошечную часть (0,04%) атмосферы, он является мощным препятствием для длинноволнового излучения. Более длинные волны практически не могут пройти через расстояние между молекулами CO 2 .Другие парниковые газы имеют такой же эффект.

    Как упоминалось в начале этого раздела, сжигание ископаемого топлива с начала промышленной революции значительно повысило уровень CO 2 в атмосфере. В 1800 году, незадолго до начала промышленной революции, концентрация CO 2 в атмосфере составляла около 250 частей на миллион (ppm). В мае 2013 года концентрация CO 2 превысила 400 частей на миллион — самый высокий уровень за последние 3 миллиона лет.Соответственно, средняя температура Земли за последнее столетие увеличилась на 1 ° C. Это причина продолжающегося глобального изменения климата.

    Запуск парникового эффекта

    В 1776 году швейцарско-французский ученый Гораций Бенедикт де Соссюр построил первый солнечный коллектор, в котором использовался парниковый эффект. Он отметил, что в те дни в закрытых вагонах со стеклянными окнами было тепло даже в холодные дни — точно так же, как и в случае с автомобилями.Он построил ящики, покрытые слоями стекла с черной пробкой для поглощения света. Он зафиксировал температуры выше 100 o C. URL для изображения горячего бокса де Соссюра.

    Интересно, что де Соссюр использовал свой «горячий ящик» как научный инструмент. Ему было интересно узнать, почему в высоких широтах обычно холоднее. Он принес ящик на вершину горы, чтобы измерить максимальную производимую температуру, и повторил процедуру на следующий день на низкой равнине.Ящик достиг одинаковой температуры в обоих местах, несмотря на то, что внешний воздух равнины был на 43 o F теплее, чем на вершине горы. Из этого он пришел к выводу, что более плотное воздушное покрывало, покрывающее равнину, обеспечивает большую изоляцию, чем более тонкая атмосфера на вершине горы.

    Концепция «горячего ящика» была применена на практике астрономом сэром Джоном Гершелем, который в 1830-х годах находился в экспедиции в Южную Африку. Он построил горячий ящик на солнечных батареях, чтобы готовить еду.

    Параболическая отражательная солнечная плита

    Происхождение: http: // www.atlascuisinesolaire.com — http://www.atlascuisinesolaire.com Доступ через Wikimedia Commons: https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_cooker#/media/File:ALSOL.jpg
    Повторное использование: Этот элемент находится в общественное достояние и может использоваться повторно без ограничений.

    Плита тепличного типа с отражателями

    Происхождение: Бенджамин Кукер, Университет Хэмптона
    Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http: // creativecommons.org / licenses / by-nc-sa / 3.0 / Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях при условии указания авторства и предложения любых производных работ по аналогичной лицензии.

    Солнечные плиты Есть два разных подхода к использованию солнечной энергии для приготовления пищи. В солнечных концентраторах используются зеркала или линзы, чтобы собирать солнечный свет с большей площади и фокусировать его на меньшей площади, где происходит приготовление пищи. Солнечные печи в стиле теплицы используют систему, изобретенную де Соссюром, о которой говорилось выше.У них есть стеклянные двери, которые пропускают солнечный свет, но плотно закрываются, чтобы свести к минимуму утечку тепла. Внутренняя часть плит черного цвета для максимального поглощения света. Некоторые плиты тепличного типа также имеют прикрепленные отражающие зеркала, которые помогают концентрировать свет.

    Солнечные плиты не требуют топлива. В этом есть два преимущества. В бедных странах часто не хватает топлива. Керосин дорогой, поэтому дров, древесного угля, сушеного навоза и т. Д. Может не хватать. Во-вторых, топливо для приготовления пищи часто горит очень грязно, вызывая много копоти и дыма.Это создает реальные проблемы со здоровьем, особенно для женщин и детей в странах, где есть традиции приготовления пищи в домах с плохой вентиляцией. Глобальный альянс за чистые кухонные плиты — это партнерство Организации Объединенных Наций и частного сектора для решения этой проблемы. Они заявляют: «По оценкам Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), воздействие дыма в результате простого процесса приготовления пищи является пятым наихудшим фактором риска заболеваний в развивающихся странах и вызывает почти два миллиона преждевременных смертей в год, что превышает количество смертей, связанных с малярией или малярией. туберкулез.Кроме того, еще десятки миллионов человек заболевают болезнями, которые можно было бы легко предотвратить с помощью более широкого внедрения чистых и эффективных решений для приготовления пищи ».

    Кухня на Бали, почерневшая от сажи (Б. Цукер)

    Происхождение: Фотография сделана автором модуля доктором Бенджамином Кукером, Университет Хэмптона
    Повторное использование: Вы можете: Поделиться — копировать и распространять материал на любом носителе или в любом формате. следующие условия: Атрибуция — Вы должны указать соответствующую ссылку, предоставить ссылку на лицензию и указать, были ли внесены изменения.Вы можете сделать это любым разумным способом, но не любым способом, который предполагает, что лицензиар одобряет вас или ваше использование. Некоммерческий — вы не можете использовать материал в коммерческих целях. ShareAlike — если вы ремикшируете, трансформируете или опираетесь на материал, вы должны распространять свои материалы под той же лицензией, что и оригинал.

    Кухню можно почернить от сажи от домашней печи, у которой нет дымохода. Эта фотография была сделана в 2013 году на Бали, Индонезия, и является типичной для сельской кухни этой страны.Представьте себе влияние дыма на здоровье поваров. Фото Б. Кукера.

    Традиционное твердое топливо также наносит серьезный ущерб окружающей среде. Леса часто уничтожают путем вывоза дров для приготовления пищи. Загрязняющий дым и сажа, представляющие опасность для здоровья в помещении, также попадают в атмосферу, вызывая общее загрязнение воздуха. Учитывая, что около 3 миллиардов человек, или трое из каждых семи человек на Земле, едят еду, приготовленную на грязных открытых кухонных плитах, загрязнение быстро увеличивается. Развивающиеся страны с наихудшей бедностью, как правило, находятся в солнечном субтропическом климате, который хорошо сочетается с солнечной кулинарией.

    Солнечная кулинария также нашла свое место в более богатых странах. Зачем нагревать кухонную выпечку в традиционной газовой или электрической духовке в жаркий летний день, когда солнечная плита сделает всю работу на открытом воздухе за час или меньше?

    Солнечная сушка белья

    Моризо роспись белья на конвейере

    Происхождение: Берта Моризо, доступ к которому предоставлен через Wikimedia Commons: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:1875_Morisot_Laundry.jpg
    Повторное использование: Этот элемент находится в общественном достоянии и может использоваться повторно без ограничений.

    Примерно до 1965 года большинство людей в Соединенных Штатах сушили белье, развешивая его на веревках. Почти в каждом доме были стиральные машины. В сельской местности и в пригороде они были типичными чертами боковых дворов или приусадебных участков. В городах линии часто проходили между соседними многоквартирными домами. Система шкивов позволяла работать из окна, добавляя и удаляя предметы, удерживаемые прищепками. В более холодном и влажном климате в подвалах и задних подъездах были хорошие места для сушки, а также в качестве внутренних стеллажей на кухнях или в прачечных.Электрические и газовые сушилки для одежды были впервые представлены в 1940-х годах, а к 1950 году они использовались в 10% домашних хозяйств. Сейчас большинство людей в Соединенных Штатах используют электричество или газ для сушки белья. Этой техникой есть около 75% домашних хозяйств, и люди также пользуются сушилками в прачечных. Обычно от 6 до 11% годового бюджета семьи идет на сушку белья.

    Когда-то обычная черта человеческого пейзажа, линии для белья теперь редкость в Соединенных Штатах. Многие общины запретили сушку белья на открытом воздухе.Аргумент состоит в том, что развешивание одежды — это бельмо на глазу, которое снижает стоимость собственности — из-за этого сообщество выглядит «бедным». Это пример того, как предвзятое отношение к бедным людям наносит ущерб окружающей среде и кошелькам среднего класса, который стремится казаться богатым. Местные организации в Соединенных Штатах работают над отменой запретов на сушку белья на открытом воздухе. Одна национальная организация называется Project Laundry List.

    Энергетический бюджет дома.

    Provenance: DOE
    Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http: // creativecommons.org / licenses / by-nc-sa / 3.0 / Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях при условии указания авторства и предложения любых производных работ по аналогичной лицензии.

    Солнечные системы горячего водоснабжения Производство горячей воды потребляет около 18% энергии, потребляемой типичным домом в Соединенных Штатах. Обычно для нагрева воды в резервуарах используется электричество или газ. Но так было не всегда. До начала 20 века горячая вода по запросу (из крана) была редкой роскошью. В 1900 году во многих частях США домохозяйства все еще переходили на водопровод.Чтобы приготовить горячую воду для мытья и купания, большинству людей приходилось нагревать большие кастрюли на плитах. Некоторые автономные водонагреватели были доступны, но их нужно было зажигать вручную при каждом использовании и тщательно контролировать, чтобы не взорваться.
    Водонагреватель Climax

    Происхождение: Изображение до 1923 года.
    Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете повторно использовать этот элемент для некоммерческих целей при условии, что вы указываете авторство и предлагаете любые производные работы по аналогичной лицензии.

    Объявление о водонагревателе Climax

    Происхождение: Изображение до 1923 года.
    Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете повторно использовать этот элемент для некоммерческих целей при условии, что вы указываете авторство и предлагаете любые производные работы по аналогичной лицензии.

    До появления современного электрического или газового водонагревателя компания из солнечной Калифорнии в 1891 году продала первую коммерческую солнечную систему горячего водоснабжения, получившую название «Climax».»(Эдмунд Рууд изобрел первый автоматический электрический водонагреватель восемь лет спустя, в 1899 году). Climax, работающий на солнечной энергии, состоял из набора черных резервуаров в стеклянном ящике, размещенном на крыше. ночью быстро остывают. В 1909 году Уильям Дж. Бейли представил на рынке улучшенную конструкцию, в которой сбор солнечной энергии разделен на стеклянную коробку с небольшими трубками. Это позволило изолировать накопительный бак и сохранить тепло в течение всего времени. ночь.Дизайн Бейли быстро заменил Climax и стал стандартным для многих домов, построенных во Флориде в 1920-х годах. Дизайн Бейли — основа современных систем.
    Сочетание новых находок в виде дешевого природного газа, агрессивного маркетинга со стороны электроэнергетических компаний и улучшенных конструкций газовых и электрических обогревателей практически уничтожило солнечную энергетику в США. Однако эта технология была принята в Японии после Второй мировой войны. Энергии не хватало, и страна была бедна разрухой во время войны.Поэтому дешевая солнечная горячая вода была естественным выбором для Японии. Сегодня более 10 миллионов семей в Японии нагревают воду солнцем.

    «Энергетический кризис» 1974 года (возникший в результате войны на Ближнем Востоке) возобновил интерес ко всему, что связано с солнечной энергией в Соединенных Штатах. Солнечные системы горячего водоснабжения снова появились на рынке в конце 1970-х годов. Все они состояли из двух основных частей: коллекторной панели и накопительного бака. Коллекторная панель содержала систему маленьких черных трубок на черном фоне и была покрыта стеклом.Системы «обратного слива» заполняли панели коллектора, когда датчики показывали, что они нагреваются на утреннем солнце. Затем насос будет направлять нагретую воду в изолированный резервуар для хранения. Ночью насосы отключались и позволяли всей воде стечь из панели — важная особенность в местах, где ночью температура опускалась ниже точки замерзания. Когда вода замерзает, она расширяется и разрывает трубы. Системы обратного дренажа хорошо работали в местах, свободных от мороза, но в более высоких широтах многие из них не работали из-за неполного дренажа в ночное время.

    Солнечный коллектор для бака горячей воды.

    Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях, если вы указывать авторство и предлагать любые производные работы по аналогичной лицензии.

    Солнечный коллектор для системы горячего водоснабжения.

    Происхождение: Фотография сделана Б. Цукером
    Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http: // creativecommons.org / licenses / by-nc-sa / 3.0 / Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях при условии указания авторства и предложения любых производных работ по аналогичной лицензии.

    В более распространенных сегодня установках используется смесь гликоля и воды под давлением (например, антифриз, используемый в автомобильных двигателях) для передачи тепла между коллектором и накопительным баком. Теплообменник передает тепловую энергию резервуару. Эта система требует наличия насоса для циркуляции нагретой смеси антифриза между солнечным коллектором и баком.По прибытии в резервуар горячий антифриз проходит через систему небольших трубок либо сбоку от стального резервуара, либо через него. Это теплообменник, который передает тепловую энергию от антифриза к медной трубе и от трубы к воде в резервуаре для хранения. Есть термодатчики, расположенные в баке и на солнечном коллекторе. Небольшой компьютер в контроллере включит насос, когда температура в коллекторе превысит температуру в резервуаре примерно на 8 o C.Когда температура контроллера падает из-за облачности или приближающейся ночи, контроллер останавливает циркуляционный насос. Температура на коллекторе может достигать 300– ° F. Обычно в традиционных водонагревателях поддерживается температура от 120 до до 140 до ° F, но для баков с солнечной батареей устанавливается температура 170 ° ° F, чтобы максимизировать производительность в периоды, когда солнце не светит.

    Иногда серия пасмурных дней исчерпывает запасы горячей воды. Встроенная в резервуар резервная спираль резистивного нагревателя обеспечит подачу горячей воды до тех пор, пока не вернется солнечный свет.

    Соображения безопасности — Все водонагреватели резервуарного типа имеют три соображения безопасности. Во-первых, когда вода нагревается, она расширяется, и возникающее давление может привести к взрыву резервуара. Клапан сброса давления в верхней части резервуаров защищает от этого. Во-вторых, горячая вода также может вызвать ожоги у пользователя, поэтому для предотвращения этого необходимо установить достаточно низкую температуру. Наконец, резервуар со слишком низкой температурой может стимулировать рост патогенных бактерий, подобных той, которая вызывает болезнь легионеров.Поэтому лучше всего, если температура в резервуарах должна быть не менее 60 o C (140 o F), но вода должна распределяться при 50 o C (122 o F).

    Бесконтактный (по запросу) водонагреватель

    Проточный водонагреватель

    Provenance: DOE
    Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете повторно использовать этот элемент для других целей. в коммерческих целях, если вы указываете авторство и предлагаете производные работы по аналогичной лицензии.

    Солнечные системы горячего водоснабжения получают всю свою энергию от солнца, за исключением того небольшого количества, которое используется для питания циркуляционного насоса и работы небольшого компьютера и сенсорной системы. Поэтому солнечные системы горячего водоснабжения являются наиболее экологически безопасным выбором. Однако они дороги в установке, обычно в четыре или пять раз дороже, чем традиционные электрические или газовые системы. Альтернативный подход — установка системы без резервуара или системы по требованию, нагреваемой электричеством или природным газом. Традиционные резервуарные системы теряют большую часть энергии резервуара-хранилища из-за теплопроводности, конвекции и излучения.Системы без бака включаются только при открытии крана горячей воды. Это экономит на потере тепла из накопительного бака. Дома, в которых используется менее 41 галлона воды в день, могут сэкономить 23–50% энергии, используемой традиционной системой резервуаров. Повышение эффективности снижается до 8–14% для домов, которые используют около 80 галлонов в день.

    Солнечная энергия может использоваться для обогрева зданий. Древние архитекторы понимали, как здания и конструкции могут использовать солнечные ресурсы. Такие пассивные конструкции рассматриваются в другом блоке.Здесь мы сосредоточимся в основном на активных конструкциях для отопления помещений.

    Стена для тромба

    Происхождение: Источник: F.Koester, доступ в Wikimedia Commons: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Trombe_wall.jpg
    Повторное использование: Этот элемент предлагается на условиях Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike лицензия http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях при условии указания авторства и предложения любых производных работ под аналогичной лицензией.

    В 1965 году французский инженер Феликс Тромб использовал конструкцию Эдварда Морса 1881 года для создания термосифонного устройства для обогрева домов. Этот прибор сочетает в себе парниковый эффект, конвекцию и накопление тепла за счет твердого тела. Бетонная или каменная стена возводится рядом с существующей солнечной стеной. Остекление из стекла или прозрачного пластика кладут на стену с воздушным зазором в несколько сантиметров. Это знакомая концепция теплицы. В бетонной стене сверху и снизу делают отверстия. Эти отверстия соединяются с короткими отрезками трубы, идущими внутрь здания.Когда солнечный свет нагревает стену, он заставляет воздух расширяться и подниматься вверх, где теплый воздух выходит в здание. Этот теплый воздух заменяется холодным воздухом из здания, втягиваемым к основанию стены через нижний набор труб.
    Стенка солнечной печи

    Происхождение: Бенджамин Кукер, Университет Хэмптона
    Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http: // creativecommons.org / licenses / by-nc-sa / 3.0 / Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях при условии указания авторства и предложения любых производных работ по аналогичной лицензии.

    Бетонная или каменная стена служит резервуаром тепла. Даже после захода солнца кладка будет продолжать излучать и проводить тепло в воздух в полости и поддерживать конвекционную ячейку. В стеновые системы Trombe можно установить электрические воздуходувки, чтобы улучшить скорость подачи нагретого воздуха в здание.Вентиляторы подключаются к небольшим «щелчковым переключателям», которые включают двигатель при температуре 120 o F и выключают его, когда температура падает до 90 o F. Стены тромба могут быть интегрированы в дизайн новых зданий. или добавлен к солнечной стене существующих конструкций. Важно, чтобы стена Trombe отапливала здание зимой и не создавала дополнительную тепловую нагрузку летом. Дизайн и природа помогают решить эту проблему. Зимой солнце садится низко, даже в полдень.Это обеспечивает солнечный свет под довольно небольшим углом к ​​стене. Летом солнце стоит высоко в небе, и его лучи под большим углом пересекают тепловую стену. Требуется лишь короткий навес или навес, чтобы защитить стену тромба от яркого летнего солнца.

    Простые сифоны с тепловым воздухом также могут быть добавлены к существующим окнам. Эти устройства также сочетают в себе парниковый эффект с естественной пассивной конвекцией. Коллектор можно настроить на более эффективный угол для сбора солнечного света. Включение небольшого вентилятора на солнечной энергии, такого как те, которые используются для охлаждения настольных компьютеров, сделает устройство более эффективным.Следует позаботиться о том, чтобы изоляция закрывала зазоры, образовавшиеся в двойных окнах. В противном случае любое тепловыделение будет потеряно из-за проникновения холодного воздуха через утечки.

    Вентилятор для вентиляции солнечной настенной печи

    Происхождение: Бенджамин Кукер, Университет Хэмптона
    Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете повторно использовать это элемент для некоммерческих целей при условии, что вы указываете авторство и предлагаете любые производные работы по аналогичной лицензии.

    Регистр для солнечной печи стены. Температура может достигать 160 град. Ф.

    Происхождение: Бенджамин Кукер, Университет Хэмптона
    Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете повторно использовать это элемент для некоммерческих целей при условии, что вы указываете авторство и предлагаете любые производные работы по аналогичной лицензии.

    Отопление помещений солнечными системами горячего водоснабжения

    Водяной теплый пол

    Происхождение: Изображение Риу Чиксой и доступ через Wikimedia Commons: https: // commons.wikimedia.org/wiki/File:Col%C2%B7lector_terra_radiant_i_tubs.JPG
    Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/ 3.0 / Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях при условии указания авторства и предложения любых производных работ по аналогичной лицензии.

    Обсуждаемые выше активные солнечные системы горячего водоснабжения являются основой для другого способа обогрева помещений. По сути, солнечная система горячего водоснабжения рассчитана на удовлетворение большей части или большей части потребностей здания в отоплении.Это означает намного больше коллекторных панелей и увеличенную емкость резервуара. Такие системы лучше всего работают с водяным теплым полом (гидронным). С помощью лучистого напольного отопления используются небольшие медные или пластиковые трубки для пропускания нагретой жидкости (обычно раствора гликоля) под материал пола. Горячая труба нагревает пол снизу, а пол, в свою очередь, излучает тепло в пространство наверху. Это лучше всего подходит для деревянных или плиточных полов, поскольку ковровое покрытие изолирует пол. Для существующей конструкции, расположенной не на плите (есть подвал или подвал), это требует прикрепления трубок к нижней стороне пола и добавления изоляции под трубами.

    Лучистое напольное отопление лучше всего работает с большинством солнечных систем горячего водоснабжения, потому что в таких системах температура теплоносителя зимой составляет всего 140–160 o F. Напомним, что скорость теплового потока между объектами пропорциональна разнице температур. Чтобы передать достаточно тепла в здание, излучающая поверхность должна быть большой, как в случае систем теплого пола. Плинтус или старомодные чугунные радиаторы не обеспечат достаточно площади для излучения при таких температурах.Они предназначены для работы при более высоких температурах, достигаемых при использовании природного газа или топочного мазута в качестве источника энергии.

    Установка вакуумной трубки

    Provenance: Greensolarvacuum, доступ через Wikimedia Commons: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Solar_vacuum_tube_collectors_Thessaloniki.jpg
    Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http /creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0 / Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях при условии указания авторства и предложения любых производных работ по аналогичной лицензии.

    Однако можно достичь более высоких температур в солнечных системах горячего водоснабжения, используя другой тип коллектора. Вакуумные трубчатые коллекторы в сочетании с тепловыми трубками более эффективны, чем традиционные плоские коллекторы тепличного типа.

    Вакуумные трубчатые коллекторы состоят из внутренней стеклянной трубки внутри внешней стеклянной трубки. Их разделяет эвакуируемое пространство.Термин откачан означает, что откачан весь воздух. Это значительно снижает скорость потери тепла за счет теплопроводности и конвекции, поскольку нет воздуха, который проводил бы или переносил тепло между внутренней и внешней трубкой. Таким образом, солнечный свет проходит через два слоя стекла и превращается в длинноволновое излучение, когда он поглощается темным коллектором, и это тепло затем удерживается в коллекторе. Вакуумные трубы более эффективны, чем традиционные плоские коллекторы тепличного типа, благодаря изоляции, обеспечиваемой вакуумом между слоями стекла.

    Жидкость гликоль-вода может напрямую циркулировать через откачанные коллекторные трубы и подключаться непосредственно к остальной части системы. Но более эффективный подход — включить в систему тепловую трубку.

    Тепловая труба

    Происхождение: Ильянасов, происхождение: http://www.appropedia.org/Image:Evacuated_tube_diagram.jpg; доступ через Wikimedia Commons: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Evacuated_tube_diagram.jpg
    Повторное использование: Этот элемент находится в общественном достоянии и может использоваться повторно без ограничений.

    Тепловые трубки были изобретены Джорджем М. Гровером в 1962 году. Они широко используются сегодня, и если вы читаете это на портативном компьютере, скорее всего, тепловая трубка помогает охлаждать электронику в вашем устройстве. Тепловые трубы сочетают в себе принципы теплопроводности, конвекции и изменения состояния для максимальной передачи тепла. Они часто изготавливаются из медных трубок, которые были герметизированы и частично откачаны. Жидкость, такая как вода, раствор натрия, спирт или аммиак, также запаяна в трубку.Поскольку трубка частично откачана, жидкость может легко испариться и превратиться в газ. На практике один конец помещают рядом с источником тепла, а другой — там, где требуется тепло. В горячем конце жидкость испаряется. Как вы помните, для изменения состояния требуется много тепла. Затем газ движется конвекцией к более холодному концу, и когда он попадает туда, он повторно конденсируется, выделяя таким образом много тепла. Жидкость возвращается к горячему концу, чтобы продолжить цикл.

    Объединение тепловых трубок в конструкции с вакуумированными трубками делает солнечный тепловой коллектор очень эффективным.Однако вакуумированные трубки хрупки по сравнению с плоскими коллекторами и со временем могут потребовать большего обслуживания.

    Солнечная тепловая энергия для кондиционирования воздуха

    Компрессионный холодильный цикл

    Provenance: gringer, производная от Phase_change_heat_pump.png от Jleedev; доступ через Wikimedia Commons: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Phase_change_heat_pump.svg
    Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http: // creativecommons.org / licenses / by-nc-sa / 3.0 / Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях при условии указания авторства и предложения любых производных работ по аналогичной лицензии.

    Это может показаться странным, но тепло можно использовать для охлаждения. Чтобы понять это, давайте рассмотрим основы работы холодильников и кондиционеров. Механический холодильник — это устройство, используемое для извлечения большого количества тепла из одной области и рассеивания его в окружающей среде. Он основан на сжатии и расширении.В холодильниках вещества, называемые хладагентами, циркулируют между жидкой и газообразной фазами. Как вы помните, для испарения жидкости требуется много скрытого тепла. И та же скрытая теплота выделяется, когда газ снова конденсируется в жидкость. В механических холодильниках используются двигатели, которые вращают насосы, которые повышают давление хладагента, превращая его в жидкость. Жидкости под давлением затем дают возможность расшириться и вернуться в газообразное состояние. Когда это происходит, он забирает тепло из окружающей среды. В оконном кондиционере тепло, выделяемое в фазе сжатия, обменивается с наружным воздухом.Тепло, забираемое во время фазы расширения, исходит от воздуха в здании.
    Абсорбционный холодильный цикл

    Provenance: DOE
    Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ Вы можете повторно использовать этот элемент для других целей. в коммерческих целях, если вы указываете авторство и предлагаете производные работы по аналогичной лицензии.

    Второй вид охлаждения называется абсорбционным.Как и компрессионное охлаждение, в абсорбционном блоке также используется хладагент. Однако он работает на тепловой энергии, а не на механической энергии. Цикл начинается, когда хладагент испаряется (переходит из жидкости в газ) под низким давлением. Это испарение отводит тепло из желаемой области, например, изнутри холодильника. Теперь теплоноситель газообразный хладагент затем абсорбируется (растворяется) в другом веществе, находящемся в жидкой фазе. Затем смесь хладагента и абсорбента попадает в место, где она нагревается.Под воздействием тепла хладагент выкипает из абсорбента, превращаясь в свободный газ. Затем хладагент проходит через теплообменник для сброса тепловой энергии и повторно конденсируется в жидкость. Теперь он готов к перезапуску цикла охлаждения.

    Абсорбционные холодильники, работающие на пропане, используются в транспортных средствах для отдыха и в каютах. Отработанное тепло электростанций и промышленных процессов приводит в действие большие кондиционеры, работающие в этом режиме. Солнечная энергия может использоваться в качестве источника тепла. Одна такая система, работающая исключительно на солнечной энергии, находится в Южной Африке, о ней рассказывается на сайте: кондиционер на солнечной энергии.

    Абсорбционный кондиционер на основе тепла требует много тепла. Другой подход — объединить преимущества абсорбционной и компрессионной систем. В таких гибридных системах используется солнечный коллектор для перегрева хладагента, что требует меньше работы компрессорного гибридного солнечного кондиционера.

    Солнечная энергия для производства пара и чистой воды

    Портативная солнечная опреснительная установка

    Происхождение: Фото Министерства внутренних дел США, Бюро мелиорации https: // www.flickr.com/photos/usbr/169

    360/
    Повторное использование: Attribution-ShareAlike 2.0 Generic (CC BY-SA 2.0) Бесплатно: Совместное использование — копирование и распространение материала на любом носителе или любом формате Адаптация — ремикс, преобразование и создание на материал для любых целей, даже в коммерческих целях.

    Солнечная энергия может быть сконцентрирована для получения тепла, достаточного для испарения воды. Это полезно для очистки воды, так как пар оставляет после себя растворенные или взвешенные примеси, такие как соли и металлы.Пар улавливается, охлаждается и конденсируется для получения чистой воды. Посмотрите это видео на YouTube о простом солнечном газе для обеспечения чистой водой.

    Исследователи из Массачусетского технологического института недавно изобрели солнечную губку из черного углеродного волокна, которая плавает на поверхности воды. Он улавливает солнечный свет и преобразует его в тепло, которое испаряет воду. Поскольку тепло концентрируется на влажной губке, оно не передается в объем воды ниже, что обеспечивает очень эффективный процесс. Посмотрите это видео на Youtube о черной солнечной губке MIT.Массачусетский технологический институт также работает над технологией обратного осмоса для разработки портативных солнечных опреснительных установок для использования вблизи соленой воды.

    Собирать мысли: системное мышление и рефлексия

    Вы только что узнали об истории использования энергии солнца для создания тепла и выполнения работы. Уделите несколько минут, чтобы подумать, как все это сочетается. Что регулирует температуру на планете? Как люди на это влияют? Думайте о Земле и ее атмосфере как о системе.Петли положительной обратной связи дестабилизируют системы, а петли отрицательной обратной связи приносят стабильность. Глобальное потепление приводит к таянию морского льда Северного Ледовитого океана, поэтому летом солнечный свет будет падать на голубую воду, а не на белый лед. Из того, что вы узнали, как это повлияет на скорость поглощения тепла? Таяние льда также упрощает добычу нефти в Северном Ледовитом океане. Будет ли это механизм отрицательной или положительной обратной связи для потепления планеты?

    Когда вы проведете практические эксперименты, вы заметите, что солнечные коллекторы, которые вы тестируете, и солнечная печь, которую вы используете, нагреваются до определенной температуры и не нагреваются.Думайте об этих устройствах как о системах . Почему стабилизируется температура? Что происходит с превращением дополнительной энергии в тепло? Не могли бы вы каким-либо образом модифицировать духовку или солнечный коллектор, чтобы они достигли более высокой температуры?

    Каковы были бы плюсы и минусы использования солнечной энергии для нагрева воды или кондиционирования воздуха в кампусе вашего колледжа?

    Вс | Национальное географическое общество

    Солнце — обычная звезда, одна из примерно 100 миллиардов в нашей галактике Млечный Путь.Солнце оказывает чрезвычайно важное влияние на нашу планету: оно определяет погоду, океанские течения, времена года и климат, а также делает возможной жизнь растений посредством фотосинтеза. Без солнечного тепла и света жизнь на Земле не существовала бы.

    Около 4,5 миллиарда лет назад Солнце начало формироваться из молекулярного облака, которое в основном состояло из водорода и гелия. Соседняя сверхновая испустила ударную волну, которая вступила в контакт с молекулярным облаком и возбудила его. Молекулярное облако начало сжиматься, и некоторые области газа схлопнулись под действием собственного гравитационного притяжения.Когда одна из этих областей разрушилась, она также начала вращаться и нагреваться от повышения давления. Большая часть водорода и гелия оставалась в центре этой горячей вращающейся массы. В конце концов, газы нагрелись достаточно, чтобы начать ядерный синтез, и стали солнцем в нашей солнечной системе.

    Другие части молекулярного облака остыли в диск вокруг нового Солнца и стали планетами, астероидами, кометами и другими телами в нашей солнечной системе.

    Солнце находится примерно в 150 миллионах километров (93 миллионах миль) от Земли.Это расстояние, называемое астрономической единицей (AU), является стандартной мерой расстояния для астрономов и астрофизиков.

    АС можно измерить со скоростью света или временем, которое требуется фотону света, чтобы пройти от Солнца до Земли. Свету от Солнца требуется около восьми минут и 19 секунд, чтобы достичь Земли.

    Радиус Солнца, или расстояние от самого центра до внешних границ, составляет около 700 000 километров (432 000 миль). Это расстояние примерно в 109 раз больше радиуса Земли.Солнце не только имеет гораздо больший радиус, чем Земля, но и намного массивнее. Масса Солнца более чем в 333000 раз больше массы Земли и составляет около 99,8% всей массы всей Солнечной системы!

    Состав

    Солнце состоит из пылающей комбинации газов. Эти газы на самом деле находятся в форме плазмы. Плазма — это состояние вещества, похожее на газ, но с большей частью ионизированных частиц. Это означает, что частицы имеют увеличенное или уменьшенное количество электронов.

    Около трех четвертей Солнца состоит из водорода, который постоянно синтезируется и образует гелий в процессе, называемом ядерным синтезом. Гелий составляет почти всю оставшуюся четверть. Очень небольшой процент (1,69 процента) массы Солнца состоит из других газов и металлов: железа, никеля, кислорода, кремния, серы, магния, углерода, неона, кальция и хрома. Эти 1,69 процента могут показаться незначительными, но это масса по-прежнему в 5628 раз больше массы Земли.

    Солнце — не твердая масса.У него нет легко идентифицируемых границ, как у каменистых планет, таких как Земля. Вместо этого Солнце состоит из слоев, почти полностью состоящих из водорода и гелия. Эти газы выполняют разные функции в каждом слое, и слои солнца измеряются их процентной долей от общего радиуса солнца.

    Солнце пронизано магнитным полем и в некоторой степени контролируется им. Магнитное поле определяется комбинацией трех сложных механизмов: кругового электрического тока, который проходит через солнце, слоев солнца, которые вращаются с разной скоростью, и способности солнца проводить электричество.Вблизи солнечного экватора силовые линии магнитного поля образуют небольшие петли у поверхности. Силовые линии магнитного поля, протекающие через полюса, простираются намного дальше, на тысячи километров, прежде чем вернуться к противоположному полюсу.

    Солнце вращается вокруг своей оси, как и Земля. Солнце вращается против часовой стрелки, и на один оборот уходит от 25 до 35 дней.

    Солнце вращается по часовой стрелке вокруг центра Млечного Пути. Его орбита находится на расстоянии от 24 000 до 26 000 световых лет от центра Галактики.Солнцу требуется от 225 до 250 миллионов лет, чтобы совершить один оборот вокруг галактического центра.

    Электромагнитное излучение

    Солнечная энергия движется к Земле со скоростью света в форме электромагнитного излучения (ЭМИ).

    Электромагнитный спектр существует в виде волн разных частот и длин волн.

    Частота волны показывает, сколько раз волна повторяется за определенную единицу времени.Волны с очень короткими длинами волн повторяются несколько раз в заданную единицу времени, поэтому они высокочастотны. Напротив, низкочастотные волны имеют гораздо большую длину волны.

    Подавляющее большинство электромагнитных волн, исходящих от Солнца, для нас невидимы. Наиболее высокочастотные волны, излучаемые солнцем, — это гамма-лучи, рентгеновские лучи и ультрафиолетовое излучение (УФ-лучи). Наиболее вредные ультрафиолетовые лучи почти полностью поглощаются атмосферой Земли. Менее сильные ультрафиолетовые лучи проходят через атмосферу и могут вызвать солнечный ожог.

    Солнце также излучает инфракрасное излучение, волны которого гораздо более низкочастотны. Большая часть тепла от солнца поступает в виде инфракрасной энергии.

    Между инфракрасным и ультрафиолетовым светом находится видимый спектр, содержащий все цвета, которые мы, люди, можем видеть. Красный цвет имеет самую длинную длину волны (ближайшую к инфракрасному), а фиолетовый (ближайшую к ультрафиолетовому излучению) самую короткую.

    Само солнце белое, что означает, что оно содержит все цвета видимого спектра. Солнце кажется оранжево-желтым, потому что излучаемый им синий свет имеет более короткую длину волны и рассеивается в атмосфере — тот же процесс, при котором небо кажется голубым.

    Астрономы, однако, называют Солнце звездой «желтый карлик», потому что его цвета попадают в желто-зеленую часть электромагнитного спектра.

    Эволюция Солнца

    Солнце, хотя и поддерживало все живое на нашей планете, не будет светить вечно. Солнце существует уже около 4,5 миллиардов лет.

    Процесс ядерного синтеза, который создает тепло и свет, которые делают возможной жизнь на нашей планете, также является процессом, который медленно изменяет состав Солнца.Посредством ядерного синтеза Солнце постоянно использует водород в своем ядре: каждую секунду Солнце превращает около 620 миллионов метрических тонн водорода в гелий.

    На данном этапе жизни Солнца его ядро ​​на 74% состоит из водорода. В течение следующих пяти миллиардов лет Солнце сожжет большую часть своего водорода, а гелий станет его основным источником топлива.

    За эти пять миллиардов лет Солнце превратится из «желтого карлика» в «красного гиганта». Когда почти весь водород в ядре Солнца израсходован, ядро ​​сжимается и нагревается, увеличивая количество происходящего ядерного синтеза.Внешние слои солнца будут расширяться за счет этой дополнительной энергии.

    Солнце расширится примерно в 200 раз по сравнению с текущим радиусом, поглотив Меркурий и Венеру.

    Астрофизики спорят, будет ли орбита Земли расширяться за пределы досягаемости Солнца или наша планета также будет поглощена Солнцем.

    По мере того, как Солнце расширяется, оно распространяет свою энергию на большую площадь поверхности, что оказывает общее охлаждающее действие на звезду. Это охлаждение сместит видимый свет солнца в красноватый цвет — красный гигант.

    В конце концов, ядро ​​Солнца достигает температуры около 100 миллионов по шкале Кельвина (почти 100 миллионов градусов по Цельсию или 180 миллионов градусов по Фаренгейту), общепринятой научной шкале для измерения температуры. Когда он достигнет этой температуры, гелий начнет плавиться, образуя углерод, гораздо более тяжелый элемент. Это вызовет интенсивный солнечный ветер и другую солнечную активность, которая в конечном итоге отбросит все внешние слои солнца. Фаза красных гигантов закончится. Останется только углеродное ядро ​​Солнца, и как «белый карлик» оно не будет создавать и излучать энергию.

    Структура Солнца

    Солнце состоит из шести слоев: ядра, радиационной зоны, конвективной зоны, фотосферы, хромосферы и короны.

    Ядро

    Ядро Солнца , более чем в тысячу раз больше Земли и более чем в 10 раз плотнее свинца, представляет собой огромную печь. Температура в ядре превышает 15,7 миллиона кельвинов (также 15,7 миллиона градусов по Цельсию, или 28 миллионов градусов по Фаренгейту). Ядро простирается примерно на 25% солнечного радиуса.

    Ядро — единственное место, где могут происходить реакции ядерного синтеза. Другие слои Солнца нагреваются за счет создаваемой там ядерной энергии. Протоны атомов водорода яростно сталкиваются и сливаются или соединяются вместе, образуя атом гелия.

    Этот процесс, известный как цепная реакция PP (протон-протон), выделяет огромное количество энергии. Энергия, выделяемая в течение одной секунды солнечного термоядерного синтеза, намного превышает энергию, выделяемую при взрыве сотен тысяч водородных бомб.

    Во время ядерного синтеза в активной зоне выделяются два типа энергии: фотоны и нейтрино. Эти частицы переносят и излучают свет, тепло и энергию солнца. Фотоны — мельчайшие частицы света и других форм электромагнитного излучения. Нейтрино труднее обнаружить, и на их долю приходится около двух процентов всей солнечной энергии. Солнце постоянно излучает фотоны и нейтрино во всех направлениях.

    Радиационная зона

    Излучательная зона Солнца начинается примерно с 25 процентов радиуса и простирается примерно до 70 процентов радиуса.В этой широкой зоне тепло от ядра резко охлаждается от семи миллионов К до двух миллионов К.

    В радиационной зоне энергия передается посредством процесса, называемого тепловым излучением. Во время этого процесса фотоны, которые были выпущены в ядре, проходят небольшое расстояние, поглощаются соседним ионом, высвобождаются этим ионом и снова поглощаются другим. Один фотон может продолжать этот процесс почти 200 000 лет!

    Переходная зона: Тахоклин

    Между радиационной зоной и следующим слоем, конвективной зоной, находится переходная зона, называемая тахоклином.Эта область создается в результате дифференциального вращения Солнца.

    Дифференциальное вращение происходит, когда разные части объекта вращаются с разной скоростью. Солнце состоит из газов, которые претерпевают разные процессы в разных слоях и на разных широтах. Например, солнечный экватор вращается намного быстрее, чем его полюса.

    Скорость вращения солнца на тахоклине быстро меняется.

    Конвективная зона

    Приблизительно на 70% солнечного радиуса начинается конвективная зона.В этой зоне температура солнца недостаточно высока для передачи энергии тепловым излучением. Вместо этого он передает тепло за счет тепловой конвекции через тепловые колонны.

    Подобно кипению воды в горшке или горячему воску в лавовой лампе, газы глубоко в солнечной конвективной зоне нагреваются и «вскипают» наружу, вдали от ядра Солнца, через тепловые столбы. Когда газы достигают внешних границ конвективной зоны, они охлаждаются и опускаются обратно к основанию конвективной зоны, чтобы снова нагреться.

    Фотосфера

    Фотосфера — это ярко-желтая видимая «поверхность» солнца. Фотосфера имеет толщину около 400 километров (250 миль), а температура достигает около 6000 К (5700 ° C, 10300 ° F).

    В фотосфере видны тепловые столбы конвективной зоны, пузырящиеся, как кипящая овсянка. В мощные телескопы вершины колонн выглядят как гранулы, рассыпанные по солнцу. Каждая гранула имеет яркий центр, который представляет собой горячий газ, поднимающийся через термический столб.Темные края гранул — это холодный газ, спускающийся вниз по колонне к основанию конвективной зоны.

    Хотя верхняя часть термоколонн выглядит как маленькие гранулы, обычно они имеют диаметр более 1000 километров (621 милю). Большинство термических колонок существует от восьми до 20 минут, прежде чем они растворятся и образуют новые колонки. Существуют также «супергранулы», которые могут достигать 30 000 километров (18 641 мили) в поперечнике и сохраняться до 24 часов.

    Солнечные пятна, солнечные вспышки и солнечные протуберанцы образуются в фотосфере, хотя они являются результатом процессов и нарушений в других слоях Солнца.

    Фотосфера: солнечные пятна

    Солнечное пятно — это то, на что оно похоже — темное пятно на солнце. Пятно образуется, когда интенсивная магнитная активность в конвективной зоне разрушает тепловой столб. В верхней части разорванного столба (видимого в фотосфере) температура временно понижается, потому что горячие газы не достигают ее.

    Фотосфера: Солнечные вспышки

    Процесс создания солнечных пятен открывает связь между короной (самым внешним слоем Солнца) и внутренней частью Солнца.Солнечное вещество выбрасывается из этого отверстия в формациях, называемых солнечными вспышками. Эти взрывы огромны: в течение нескольких минут солнечные вспышки высвобождают эквивалент около 160 миллиардов мегатонн в тротиловом эквиваленте, или примерно шестую часть всей энергии, выделяемой солнцем за одну секунду.

    Облака ионов, атомов и электронов вырываются из солнечных вспышек и достигают Земли примерно за два дня. Солнечные вспышки и протуберанцы способствуют возникновению космической погоды, которая может вызывать нарушения атмосферы и магнитного поля Земли, а также нарушать работу спутниковых и телекоммуникационных систем.

    Фотосфера: корональные выбросы массы

    Корональные выбросы массы (КВМ) — это еще один тип солнечной активности, вызванный постоянным движением и возмущениями в магнитном поле Солнца. КВМ обычно образуются около активных областей солнечных пятен, корреляция между ними не доказана. Причина CME все еще изучается, и предполагается, что нарушения в фотосфере или короне приводят к этим сильным солнечным взрывам.

    Фотосфера: Solar Prominence

    Солнечные протуберанцы — это яркие петли солнечной материи. Они могут прорваться далеко в корональный слой Солнца, распространяясь на сотни километров в секунду. Эти изогнутые и изогнутые элементы могут достигать сотен тысяч километров в высоту и ширину и длиться от нескольких дней до нескольких месяцев.

    Солнечные протуберанцы холоднее короны и на солнце выглядят как более темные пряди. По этой причине их также называют нитями.

    Фотосфера: солнечный цикл

    Солнце не испускает постоянно солнечные пятна и солнечные выбросы; он проходит цикл около 11 лет. Во время этого солнечного цикла частота солнечных вспышек меняется. Во время солнечных максимумов может быть несколько вспышек в сутки. Во время солнечных минимумов их может быть меньше одного раза в неделю.

    Солнечный цикл определяется магнитными полями Солнца, которые вращаются вокруг Солнца и соединяются на двух полюсах. Каждые 11 лет магнитные поля меняются местами, вызывая нарушение, которое приводит к солнечной активности и появлению солнечных пятен.

    Солнечный цикл может влиять на климат Земли. Например, ультрафиолетовый свет солнца расщепляет кислород в стратосфере и укрепляет защитный озоновый слой Земли. Во время солнечного минимума количество УФ-лучей невелико, что означает, что озоновый слой Земли временно истончается. Это позволяет проникать большему количеству ультрафиолетовых лучей и нагревать атмосферу Земли.

    Солнечная атмосфера

    Солнечная атмосфера — самая горячая область Солнца. Он состоит из хромосферы, короны и переходной зоны, называемой солнечной переходной областью, которая соединяет их.

    Солнечная атмосфера не видна из-за яркого света, излучаемого фотосферой, и ее редко можно увидеть без специальных инструментов. Только во время солнечных затмений, когда Луна движется между Землей и Солнцем и скрывает фотосферу, эти слои можно увидеть невооруженным глазом.

    Хромосфера

    Розовато-красная хромосфера имеет толщину около 2000 километров (1250 миль) и пронизана струями горячего газа.

    В нижней части хромосферы, там, где оно встречается с фотосферой, солнце находится в самой холодной точке, около 4400 К (4100 ° C, 7500 ° F).Эта низкая температура придает хромосфере розовый цвет. Температура в хромосфере увеличивается с высотой и достигает 25 000 К (25 000 ° C, 45 000 ° F) на внешней границе области.

    Хромосфера испускает струи горящих газов, называемых спикулами, похожие на солнечные вспышки. Эти огненные струйки газа выходят из хромосферы, как длинные пылающие пальцы; они обычно имеют диаметр около 500 километров (310 миль). Спикулы существуют всего около 15 минут, но могут достигать тысячи километров в высоту, прежде чем схлопнуться и раствориться.

    Солнечная переходная область

    Солнечная переходная область (STR) отделяет хромосферу от короны.

    Ниже STR слои Солнца находятся под контролем и остаются разделенными из-за гравитации, давления газа и различных процессов обмена энергией. Выше STR движение и форма слоев намного более динамичны. В них преобладают магнитные силы. Эти магнитные силы могут вызывать солнечные явления, такие как корональные петли и солнечный ветер.

    Состояние гелия в этих двух областях также различается. Ниже СТО гелий частично ионизован. Это означает, что он потерял электрон, но еще остался один. В районе СТО гелий поглощает немного больше тепла и теряет свой последний электрон. Его температура взлетает почти до миллиона К (один миллион ° C, 1,8 миллиона ° F).

    Корона

    Корона — это тонкий внешний слой солнечной атмосферы, который может распространяться в космос на миллионы километров.Газы в короне горят при температуре около одного миллиона К (один миллион ° C, 1,8 миллиона ° F) и перемещаются примерно на 145 километров (90 миль) в секунду.

    Некоторые частицы достигают скорости убегания 400 километров в секунду (249 миль в секунду). Они избегают гравитационного притяжения Солнца и становятся солнечным ветром. Солнечный ветер дует от солнца к краю солнечной системы.

    Другие частицы образуют корональные петли. Корональные петли — это всплески частиц, которые изгибаются к ближайшему солнечному пятну.

    Возле полюсов Солнца находятся корональные дыры. Эти области более холодные и темные, чем другие области Солнца, и позволяют проходить некоторым из наиболее быстро движущихся частей солнечного ветра.

    Солнечный ветер

    Солнечный ветер — это поток чрезвычайно горячих заряженных частиц, которые выбрасываются из верхних слоев атмосферы Солнца. Это означает, что каждые 150 миллионов лет Солнце теряет массу, равную массе Земли. Однако даже при такой скорости потерь Солнце потеряло всего около 0.01% его общей массы из солнечного ветра.

    Солнечный ветер дует во все стороны. Он продолжает двигаться с этой скоростью примерно 10 миллиардов километров (шесть миллиардов миль).

    Некоторые частицы солнечного ветра проскальзывают через магнитное поле Земли и попадают в ее верхние слои атмосферы вблизи полюсов. Когда они сталкиваются с атмосферой нашей планеты, эти заряженные частицы заставляют атмосферу светиться цветом, создавая полярные сияния, красочные световые эффекты, известные как северное и южное сияние.Солнечные ветры также могут вызывать солнечные бури. Эти штормы могут создавать помехи для спутников и вывести из строя электрические сети на Земле.

    Солнечный ветер заполняет гелиосферу, массивный пузырь заряженных частиц, окружающий Солнечную систему.

    Солнечный ветер в конце концов замедляется около границы гелиосферы, на теоретической границе, называемой гелиопаузой. Эта граница отделяет материю и энергию нашей солнечной системы от материи соседних звездных систем и межзвездной среды.

    Межзвездная среда — это пространство между звездными системами. Солнечный ветер, преодолев миллиарды километров, не может выйти за пределы межзвездной среды.

    Изучение Солнца

    Солнце не всегда было предметом научных открытий и исследований. Тысячи лет солнце было известно в культурах всего мира как бог, богиня и символ жизни.

    Для древних ацтеков солнце было могущественным божеством, известным как Тонатиу, которому требовались человеческие жертвы, чтобы путешествовать по небу.В балтийской мифологии солнце было богиней по имени Сауле, которая принесла плодородие и здоровье. Китайская мифология считала, что солнце — единственный оставшийся из 10 солнечных богов.

    В 150 году нашей эры греческий ученый Клавдий Птолемей создал геоцентрическую модель солнечной системы, в которой луна, планеты и солнце вращались вокруг Земли. Только в 16 веке польский астроном Николай Коперник использовал математические и научные рассуждения, чтобы доказать, что планеты вращаются вокруг Солнца. Эту гелиоцентрическую модель мы используем сегодня.

    В 17 веке телескоп позволял людям подробно изучать Солнце. Солнце слишком яркое, чтобы мы могли изучать его незащищенными глазами. С помощью телескопа впервые появилась возможность проецировать четкое изображение солнца на экран для исследования.

    Английский ученый сэр Исаак Ньютон использовал телескоп и призму для рассеивания солнечного света и доказал, что солнечный свет на самом деле состоит из спектра цветов.

    В 1800 году было обнаружено, что инфракрасный и ультрафиолетовый свет существуют за пределами видимого спектра.Оптический прибор, называемый спектроскопом, позволил разделить видимый свет и другое электромагнитное излучение на различные длины волн. Спектроскопия также помогла ученым идентифицировать газы в атмосфере Солнца — каждый элемент имеет свой собственный диапазон длин волн.

    Однако способ, которым солнце генерирует свою энергию, оставался загадкой. Многие ученые предположили, что Солнце сжимается и выделяет тепло в результате этого процесса.

    В 1868 году английский астроном Джозеф Норман Локьер изучал электромагнитный спектр Солнца.Он наблюдал яркие линии в фотосфере, длина волны которых не соответствовала ни одному из известных на Земле элементов. Он предположил, что на Солнце есть какой-то элемент, и назвал его гелием в честь греческого бога солнца Гелиоса.

    В течение следующих 30 лет астрономы пришли к выводу, что у Солнца было горячее ядро ​​под давлением, способное производить огромное количество энергии за счет ядерного синтеза.

    Технологии продолжали совершенствоваться и позволили ученым открывать новые особенности Солнца.Инфракрасные телескопы были изобретены в 1960-х годах, и ученые наблюдали энергию за пределами видимого спектра. Астрономы двадцатого века использовали воздушные шары и ракеты для отправки специализированных телескопов высоко над Землей и исследовали Солнце без какого-либо вмешательства со стороны атмосферы Земли.

    Solrad 1 был первым космическим аппаратом, разработанным для изучения Солнца, и был запущен Соединенными Штатами в 1960 году. В то десятилетие НАСА отправило пять спутников Pioneer на орбиту Солнца и сбор информации о звезде.

    В 1980 году НАСА запустило миссию во время солнечного максимума по сбору информации о высокочастотных гамма-лучах, УФ-лучах и рентгеновских лучах, которые испускаются во время солнечных вспышек.

    Солнечная и гелиосферная обсерватория ( SOHO ) была разработана в Европе и выведена на орбиту в 1996 году для сбора информации. SOHO успешно собирает данные и прогнозирует космическую погоду в течение 12 лет.

    Вояджер 1 и 2 — космические аппараты, путешествующие к краю гелиосферы, чтобы выяснить, из чего состоит атмосфера там, где солнечный ветер встречается с межзвездной средой.«Вояджер-1» пересек эту границу в 2012 году, а «Вояджер-2» — в 2018 году.

    Еще одним достижением в изучении Солнца является гелиосейсмология, изучение солнечных волн. Предполагается, что турбулентность конвективной зоны вносит свой вклад в солнечные волны, которые непрерывно переносят солнечный материал во внешние слои Солнца. Изучая эти волны, ученые лучше понимают внутреннюю часть Солнца и причину солнечной активности.

    Энергия Солнца

    Фотосинтез

    Солнечный свет обеспечивает растения и других производителей пищевой сети необходимым светом и энергией.Эти производители поглощают солнечное излучение и преобразуют его в энергию посредством процесса, называемого фотосинтезом.

    Производителями в основном являются растения (на суше) и водоросли (в водных регионах). Они составляют основу пищевой сети, а их энергия и питательные вещества передаются всем остальным живым организмам.

    Ископаемое топливо

    Фотосинтез также отвечает за все ископаемое топливо на Земле. По оценкам ученых, около трех миллиардов лет назад первые продуценты появились в водной среде.Солнечный свет позволил растениям процветать и адаптироваться. После гибели растения они разлагались и уходили глубже в землю, иногда на тысячи метров. Этот процесс продолжался миллионы лет.

    Под сильным давлением и высокими температурами эти останки стали тем, что мы называем ископаемым топливом. Эти микроорганизмы стали нефтью, природным газом и углем.

    Люди разработали процессы добычи этих ископаемых видов топлива и их использования для получения энергии. Однако ископаемое топливо — невозобновляемый ресурс.На их формирование уходят миллионы лет.

    Технология солнечной энергии

    Технология солнечной энергии использует солнечное излучение и преобразует его в тепло, свет или электричество.

    Солнечная энергия — это возобновляемый ресурс, и многие технологии могут использовать ее напрямую для использования в домах, на предприятиях, школах и больницах. Некоторые технологии солнечной энергии включают солнечные гальванические элементы и панели, солнечные тепловые коллекторы, солнечное тепловое электричество и солнечную архитектуру.

    Фотоэлектрические системы используют солнечную энергию для ускорения электронов в солнечных элементах и ​​выработки электричества. Эта форма технологии широко используется и может обеспечивать электричеством сельские районы, крупные электростанции, здания и небольшие устройства, такие как паркоматы и уплотнители мусора.

    Солнечная энергия также может быть использована с помощью метода, называемого «концентрированная солнечная энергия», при котором солнечные лучи отражаются и увеличиваются с помощью зеркал и линз. Усиленный луч солнечного света нагревает жидкость, которая создает пар и приводит в действие электрический генератор.

    Солнечная энергия также может собираться и распределяться без использования оборудования или электроники. Например, крыши могут быть покрыты растительностью или окрашены в белый цвет, чтобы уменьшить количество тепла, поглощаемого зданием, тем самым уменьшая количество электроэнергии, необходимой для кондиционирования воздуха. Это солнечная архитектура.

    Солнечного света много: за один час атмосфера Земли получает достаточно солнечного света, чтобы обеспечить потребности в электроэнергии всех людей в течение года.

    Добавить комментарий