Что влияет на угол падения солнечных лучей

Углы падения солнечных лучей и интенсивность излучения

Высота солнца существенно влияет на приход солнечной радиации. Когда угол падения солнечных лучей мал, то лучи должны проходить путь сквозь толщу атмосферы. Солнечное излучение частично поглощается, часть лучей отражается от частиц, взвешенных в воздухе, и достигает земной поверхности в виде рассеянного излучения.

Высота солнца непрерывно изменяется по мере перехода от зимы к лету, как и при» смене суток. Наибольшее значение этот угол достигает в 12 ч 00 мин (солнечное время). Принято говорить, что в этот момент времени солнце находится в зените. В полдень интенсивность излучения также достигает максимального значения. Минимальные значения интенсивности излучения достигаются утром и вечером, когда солнце расположено низко над горизонтом, а также зимой. Правда, зимой на землю падает несколько больше прямого солнечного света. Это обусловлено тем, что абсолютная влажность зимнего воздуха ниже и поэтому он меньше поглощает солнечное излучение.

Солнце восходит в 6 ч 00 мин на востоке и незначительно освещает восточную фасадную стену (только в виде излучения, отраженного атмосферой). С увеличением угла падения солнечных лучей быстро возрастает интенсивность солнечной радиации, падающей на поверхность фасадной стены. Примерно в 8 ч интенсивность солнечной радиации составляет уже около 500 Вт/м², а максимального значения, равного примерно 700 Вт/м², она достигает на южной фасадной стене здания немногим ранее полудня.

При вращении земного шара вокруг своей оси за одни сутки, т. е. при видимом движении солнца вокруг земного шара, меняется угол падения солнечных лучей не только в вертикальном, но и в горизонтальном направлении. Этот угол в горизонтальной плоскости называется азимутальным углом. Он показывает, на сколько градусов угол падения солнечных лучей отклоняется от северного направления, если полный круг составляет 360 °. Вертикальный и горизонтальный углы связаны между собой так, что при изменении времен года всегда два раза в год угол высоты расположения солнца на небосводе оказывается одинаковым при одних и тех же значениях азимутального угла.

Траектории Солнца при его видимом движении вокруг земного шара зимой и летом в дни весеннего и осеннего равноденствия. Проектируя эти траектории на горизонтальную плоскость, получают плоскостное изображение, с помощью которого обеспечивается возможность точно описать положение солнца на небосводе, если смотреть с какой-то определенной точки на земном шаре. Такая карта солнечной траектории называется солнечной диаграммой или просто солнечной картой. Поскольку траектория солнца изменяется при перемещении с юга (от экватора) на север, то для каждой широты существует своя характерная солнечная карта.

Отражение солнечного излучения от поверхности земли

Зимой на вертикальные поверхности, например, на фасадные стены зданий, может отражаться от земной поверхности значительное количество дополнительного солнечного излучения. Из общего количества солнечной энергии, падающей на горизонтальную поверхность земли, до 50—80% в зависимости от чистоты снега отражается от снежного покрова. Неровная поверхность земли, оставшаяся под снежным покровом растительность и т. д. рассеивают большую часть солнечного излучения. Это означает, что только примерно половина излучения, падающего на горизонтальную поверхность, отражается и попадает на поверхность фасадной стены. Можно вычислить, что в результате отражения возрастает вероятность использования солнечного излучения примерно на 25%. Такой выигрыш имеет существенное значение, особенно в начале весны, когда угол высоты расположения солнца на небосводе быстро увеличивается и соответственно на поверхность земли будет падать и отражаться от нее большее количество солнечных лучей.

Снег является естественной теплоизоляцией; 30 см снега соответствует слою минеральной ваты толщиной 5 см. Весной снег оттаивает сначала с южной стороны, и поэтому возрастает площадь поверхности, через которую солнечный свет проникает в теплицу (если оттаивает изморозь на стекле).

Бывший директор Научно-исследовательского института метеорологии профессор Росси разработал интересный вариант строительства теплицы в Лапландии. В этом решении оптимально использованы климатические условия Лапландии как в отношении накопления солнечной энергии (на отопление), так и с точки зрения защиты теплицы от ветра и теплопотерь.

Источник

География

Причины, влияющие на климат. Как изменяется угол падения солнечных лучей от экватора к полюсам? Почему это происходит? К чему приводит?

С изменением угла падение солнечных лучей от экватора к полюсам, в том же направлении изменяются и количество тепла, получаемое земной поверхности от Солнца. Чем больше угол падения солнечных лучей, тем сильнее нагревается поверхность Земли. По мере уменьшения к полюсам угла падения солнечных лучей, уменьшается и количество получаемого тепла.

Ещё по теме

Масштаб. Масштаб плана 1:3000. Какому расстоянию на местности соответствует участок плана длиной: а) 10 см; б) 5 см; в) 2 см?

Части Мирового океана. Свойства вод океана. Что означает солёность 18%о? Чему равна солёность морской воды, если в 1 л этой воды содержится 11 г минеральных веществ?

Атмосферное давление. Ветер. Как изменяется атмосферное давление с наступлением: а) холодной погоды; б) тёплой погоды? Объясните причины изменения атмосферного давления с изменением температуры.

Население Земли. Составьте характеристику своего населённого пункта по плану: а) название и тип; б) год возникновения; в) географическое положение; г) численность населения; д) основные занятия населения.

Вода на Земле. Назовите все пути возвращения воды в Мировой океан.

Рельеф суши. Горы. Пользуясь физической картой России, приведите примеры горных хребтов и горных систем.

Причины, влияющие на климат. Вычислите, чему равно атмосферное давление на вершине холма высотой 210 м, если у его подножия оно составляет 758 мм.

Причины, влияющие на климат. Охарактеризуйте климат своей местности по плану: а) пояс освещённости; б) влияние морей и океанов; в) влияние рельефа (на какой высоте над уровнем моря находится местность; какие формы рельефа находятся к северу, югу, западу и востоку и какое влияние они оказывают на климат местности); г) тип климата (морской, континентальный и др. ).

Масштаб. Какие виды масштабов существуют? Приведите пример численного масштаба. Переведите его в именованный масштаб.

Изображение на плане неровностей земной поверхности. Чем относительная высота отличается от абсолютной?

Если материал понравился Вам и оказался для Вас полезным, поделитесь им со своими друзьями!

Источник

УГЛЫ ПАДЕНИЯ СОЛНЕЧНЫХ ЛУЧЕЙ И ЗАТЕНЕНИЕ

Положение Солнца на небосводе постоянно меняется. Летом Солнце выше на небе, чем зимой; зимой оно поднимается к югу от направления строго на восток, а летом — к северу от этого направления Графически это можно представить наброском пути Солнца по небосводу в течение года; цифры в кружках ука­зывают время дня. Чтобы предусмотреть наиболее эффективное условие затенения, необходимо определить положение Солнца. Например, чтобы определить размеры затеняющего устройства, препятствующего попаданию прямых солнечных лучей в окно между 10 и 14 ч, требуется знать угол поступления солнечного света (угол падения). Другая ситуация, нуждающаяся в такой информации, описывается в разделе «Солнечная радиация».

Положение Солнца на небе определяется двумя угловыми измерениями: высотой и азимутом Солнца. Высота Солнца а из­меряется от горизонтали; солнечный азимут |3 измеряется от на­правления прямо на юг (рис. 6.23). Эти углы можно вычислить или взять из заранее составленных таблиц или номограмм.

Расчет зависит от трех переменных: широты L, склонения 6 и часового угла Я. Широту можно узнать из любой хорошей карты. Склонение или мера того, насколько на север или на юг от экватора переместилось Солнце, меняется месяц от месяца (рис. 6.24). Часовой угол зависит от местного солнечного времени: Я = 0,25 (количество минут от местного солнечного полдня). Солнечное время (время, показываемое непосредственно солнеч­ными часами) отсчитывается от солнечного полдня, когда Солн­це находится в наивысшей точке небосвода. Из-за изменения ско­рости движения Земли по орбите в разное время года долгота суток (измеряемая от солнечного полдня до следующего солнеч­ного полдня) несколько отличается от долготы суток по среднему солнечному времени (измеряемому обычными часами). При вы­числении местного солнечного времени эта разница принимается во внимание наряду с поправкой на долготу, если наблюдатель не стоит на меридиане поясного времени своего часового пояса.

Для корректировки местного поясного времени (воспользуй­тесь точными часами) по местному солнечному времени необ­ходимо выполнить несколько операций:

1) если действует декретное время, то вычтите 1 ч;

2) определите меридиан данного пункта. Определите мериди­ан поясного времени для этого пункта (75° для восточного пояс­ного времени, 90° для центрального поясного времени, 150° для поясного времени Аляска — Гавайи). Умножьте разности между меридианами на 4 мин/град. Если данный пункт находится к вос­току от поясного меридиана, то добавьте поправочные минуты к поясному времени; если он находится к западу, то вычтите их;

3) добавьте уравнение времени (рис 6.25) для интересующей

Рис 6 23 Положение Солн­ца на небосводе [8(

вас даты к скорректированному поясному времени. Это будет местное солнечное время.

В качестве примера эту процедуру можно выполнить для оп­ределения местного солнечного времени в г. Абилин, шт. Техас, 1 декабря в 13 ч 30 мин (центральное поясное время). Посколь­ку это не декретное время, поправки не требуется. На карте най­дем, что Абилин находится на 100° з. д. Так как меридиан для центрального поясного времени проходит через 90° з. д. то Аби­лин отстоит на 10° от него: 10°Х4 мин/град = 40 мин, а посколь­ку Абилин находится к западу от поясного меридиана, мы выч­тем 40 мин из местного времени: 13 ч 30 мин—40 мин = 12 ч 50 м. Из уравнения времени для 1 декабря находим, что требуется до­бавить около 11 мин: 12 ч 50 м + 11 = 13 ч 01 м местного солнеч­ного времени, или 61 мин от местного солнечного полдня.

Отсюда часовой угол Я определяется как описано выше. Зная широту, склонение и часовой угол, определяем высоту Солнца и его азимут:

высота Солнца a = cosLcos6cos# + sinLsin6;

азимут Солнца |J = cos6sii^//cosa.

Высоту и азимут Солнца можно определить на 21-й день каж­дого месяца и на каждый час дня при помощи диаграмм пути движения Солнца. Для каждой широты требуется разная диаг­рамма, хотя интерполяция между графиками достаточно точна. Здесь приводится восемь диаграмм, которые годятся для сред­них широт (рис. 6.26, II).

При помощи этих диаграмм можно, например, определить высоту и азимут Солнца на 16 ч 00 м 21 апреля в Нью-Йорке (40° с. ш.). Найдите диаграмму для 40° с. ш. (рис. 6.30) и заметь­те линию апреля, жирную линию, проходящую слева направо под номером IV (апрель — четвертый месяц). Затем найдите линию 16 ч, жирную линию, проходящую сверху вниз под номером 4. Пересечение этих линий указывает на положение Солнца. Высо­та Солнца указывается концентрическими окружностями; в этом случае она равна 30°. Солнечный азимут указан радиальными линиями, в этом случае 5 = 80°ИК Когда необходимы более точ­ные указания на положение Солнца, можно воспользоваться

таблицами. Однако они не столь понятны, как диаграммы п>ти движения Солнца.

Информация по солнечным углам прежде всего нужна для определения углов затенения для окон и поверхностей коллекто­ров как для защиты поверхности от избыточных солнечных лучей, так и для обеспечения того, чтобы поверхность не затенялась от полезного поступления солнечной энергии.

Существует два основных способа затенения: горизонтальны­ми и вертикальными препятствиями на поверхности. Горизон­тальные препятствия преграждают путь свету сверху (см. таб­лицу). Степень затенения определяется относительной геомет-

Рис. 6.35. Радиальная теневая маска і[8]

З — вертикальная рической формой препятствия и поверх­ности: чем шире козырек (или навес), тем больше зона тени; чем выше козырек, тем меньше зона тени. Вертикальные препятствия преграждают путь свету сбоку (см. рис. 6.12). Как с горизон­тальными препятствиями, геометрия угла затенения обусловли­вает пропорциональные размеры и близость препятствия к по­верхности. На рисунках эти препятствия представлены в виде искусственных затеняющих устройств, но это также могут быть деревья, горы или здания.

Для любого условия затенения можно построить теневую маску, чтобы отобразить количество и эффективность затенения данной поверхности. Горизонтально вытянутое препятствие даст сегментную теневую маску, где величина а, указанная маской, соответствует углу а затеняющего устройства. Вертикальное препятствие даст радиальную теневую маску с углом р, соответ­ствующим такому же углу затеняющего устройства. Для сочета­ний вертикальных и затеняющих элементов можно построить комбинированную маску (см. рис. 6.13).

Теневые маски строят и считывают при помощи транспортира теневой маски (см. рис. 6.14). Нижняя половина транспортира используется для изучения сегментных эффектов затенения гори-

Рис. 6.37. Транспортир теневой маски [8]

зонтальных препятствий. Верхняя половина, повернутая стрел­кой 0° на юг, относится к радиальному эффекту затенения верти­кальных препятствий.

Теневые маски можно также читать при помощи диаграмм пути движения Солнца. Если маску наложить на соответствую­щую диаграмму, то будут указаны те периоды года, когда по­верхность затенена. Например (см. рис. 6.15), если теневая мас­ка для горизонтального препятствия (а = 60°) наложена на диа­грамму движения Солнца для 40° с. ш., то поверхность зате­няется препятствием примерно с 21 марта по 21 сентября. Этот процесс соотнесения геометрии затенения с годичным движе­нием Солнца может также работать и по обратной схеме. Если мы определим время в году, когда требуется затенение, и нане­сем это время на диаграмму движения Солнца, то найдем тене­вую маску препятствия, необходимого для создания тени. Нало­жив транспортир затенения поверх этой маски, мы сможем прочесть необходимые углы (а и (3). С этими углами можно рас­считать размеры препятствий.

Рис. 6 38 Теневая маска в сочетании с диаграммой движения Солнца для 40° с. ш.

Диаграммы движения Солнца, теневые маски и транспортир теневой маски являются весьма удобными средствами исследова­ния и создания довольно сложной геометрии солнечных углов. С их помощью проектировщик может максимально использовать свет и тепло (и их отсутствие), предоставляемые природой.

Источник

КАК ПО-ВАШЕМУ?

Разминка. Вопрос 1: Когда на земле теплее Р когда солнце низко над горизонтом (видимой линией, где земля граничит с небом) Р или когда оно высоко над головой? Запишите свои ответы ниже.

Разминка. Вопрос 2: Может ли быть, чтобы в один и тот же день, но в разное время угол падения солнечных лучей совпадал? Запишите ниже свои мысли.

Разминка. Вопрос 3: Одинаков ли угол падения солнечных лучей по всей земле в одно время (например, сегодня в полдень)? (Поднимается ли солнце повсюду, где бы его ни наблюдали, над горизонтом на одну и ту же высоту?) Запишите ниже, что вы об этом думаете.

ЭКСПЕРИМЕНТ

1. Нарежьте лист бумагиР полосы будут изображать лучи солнца.

2. Держите ее в разных положениях по отношению к горизонту.

3. В каждом положении подсчитайте, сколько ЗлучейИ падает на исследовательский участок.

ЧТЕНИЕ

Что влияет на угол падения солнечных лучей?

Угол падения солнечных лучей зависит еще и от времени года. Зимой этот угол меньше, чем летом. (Зимой солнце появляется на небе только ненадолго. Земля вращается с одинаковой скоростью независимо от времени года, поэтому солнце зимой не успевает подняться в небо так же высоко как летом.)

Угол падения солнечных лучей зависит от широты. На Северном и Южном полюсах Солнце вообще никогда не бывает в зените (т.е., высоко над головой) и угол никогда не достигает 90 градусов. Чем ближе вы находитесь к экватору, тем больше угол падения солнечных лучей в астрономический полдень.*

ВТОРОЙ ДЕНЬ

Делаем клинометр и работаем с ним

Что такое клинометр?

Это прибор, с помощью которого измеряют углы наклона. Нам он понадобится для измерения угла между горизонтом и объектом.

Вам понадобится:

Ксерокопия транспортира (шкалы для измерения углов)

Булавки (или что-то острое, чтобы проделать маленькие дырочки)

Куски веревки длиной 20 см

Изготовление

Методики измерения

. Осторожно: Ни в коем случае нельзя смотреть прямо на Солнце!

Источник

Атмосфера и климат

Сайт об атмосфере, климате и метеорологии

Лучистая энергия и времена года

Поверхность суши нагревается и охлаждается быстрее, чем поверхность водоемов. Даже при беглом взгляде на карту мира видно, что большая часть суши сосредоточена в северном полушарии, а большая часть водной поверхности находится в южном полушарии.

Таким образом, изменение расстояния между Землей и Солнцем в годовом цикле оказывается лишь второстепенной причиной смены времен года.

В результате того что изменяется положение Земли относительно Солнца, изменяется постепенно в течение года и наибольшая — полуденная — его высота над горизонтом. Это изменение является прямым следствием вращения Земли вокруг Солнца и наклона ее оси.

Так называемые тропики представляют собой те наиболее удаленные от экватора широты, на которых Солнце в полдень может находиться в зените, т. е. прямо над головой наблюдателя. 21 июня Солнце в полдень находится в зените прямо над Северным тропиком. В этот день — день летнего солнцестояния — начинается лето в северном полушарии. В полдень 21 декабря Солнце находится в зените над Южным тропиком. В этот день — день зимнего солнцестояния — начинается зима в северном полушарии. Таким образом, зима в северном полушарии начинается 21 декабря, когда северный конец оси Земли направлен в сторону, противоположную Солнцу. Лето же начинается примерно 21 июня, когда северный конец земной оси направлен в,сторону Солнца.

На траектории орбитального движения Земли вокруг Солнца есть еще две важные точки, лежащие примерно посредине между точками солнцестояний. Около 23 сентября и около 21 марта Солнце в полдень находится в зените точно над экватором. Эти две даты означают начало соответственно осени и весны в северном полушарии. В эти дни ось Земли еще занимает свое прежнее положение относительно небосвода, но уже не наклонена ни к Солнцу, ни в противоположную сторону.

Северный тропик расположен на 23°30′ с. ш., а Южный тропик на 23°30′ ю. ш. Наблюдая ежедневно за точкой наивысшего положения Солнца на небосводе, можно заметить, что точка эта за год перемещается на 47°. Указанные даты начала сезонов приблизительны и могут колебаться в пределах одного-двух дней, так как наши измерения времени неточны.

Из-за наклонного положения земной оси угол, под которым солнечные лучи падают на Землю, в течение года меняется. Угол, под которым лучи Солнца падают на земную поверхность, и продолжительность светлого времени суток непосредственно определяют собой сезонные изменения состояния атмосферы.

В летний полдень, когда угол падения солнечных лучей ближе всего к прямому, на единицу площади земной поверхности поступает наибольшее количество солнечной энергии. Зимой же, когда угол между пучком солнечных лучей и земной поверхностью уменьшается, уменьшается и приход солнечной радиации на единицу площади. Стало быть, земная поверхность меньше нагревается зимой, чем летом.

Угол падения солнечных лучей в полдень на горизонтальную земную поверхность можно вычислить, найдя дополнение до 90° к разности между широтой данного места и той широтой, на которой Солнце в полдень этого дня находится в зените. Чем меньше этот угол, тем меньше и инсоляция, т. е. количество солнечной энергии, получаемое земной поверхностью. Инсоляция прямо пропорциональна углу падения солнечных лучей на земную поверхность.

Рассматривая влияние наклона земной оси на приход солнечной радиации, отметим и тот факт, что Земля окружена атмосферой. Чтобы достичь земной поверхности, поток солнечной радиации должен в разные сезоны пройти через неодинаковую толщу воздуха. Зимой, когда угол падения солнечных лучей мал, они проходят через большую толщу атмосферы, чем летом. Это значительно ослабляет поток солнечной радиации и уменьшает ее количество, приходящее к земной поверхности. Летом же, когда Солнце в полдень стоит высоко, лучи его проходят в атмосфере более короткий путь и потому не ослабляются столь сильно, как зимой.

Продолжительность дня также влияет на инсоляцию в разное время года. Летом день длиннее, чем зимой, а потому и поступление солнечной радиации на земную поверхность летом тоже больше. Например, в Нью-Йорке в день летнего солнцестояния продолжительность дня достигает 15 часов, в день же зимнего солнцестояния она почти вдвое меньше. Это самый короткий день в го> ду*. В зависимости от времени года каждый следующий день бывает короче или, наоборот, длиннее, чем предыдущий.

Таким образом, наклон земной оси обуславливает действие трех важных факторов, которые уже в свою очередь влияют на смену сезонов. Из-за меньшего угла падения лучей интенсивность солнечной радиации зимой меньше, чем летом. Продолжительность дня летом больше, чем продолжительность ночи, и потому приход радиации в дневные часы больше, чем ее потеря ночью. И наконец, ослабление солнечных лучей зимой сильнее, чем летом, так как в первом случае лучи проходят более длинный путь в атмосфере.

Источник