Napállandó
Előadás/esszé (iskola) 2001 10 oldal
Minta olvasása
Szerkezet:
1. Nap és napállandó
2. Különböző módszerek a napállandó meghatározására
2. 1. 1. kísérleti példa - szabadkézi kísérlet
2. 2. kísérleti példa - A napállandó meghatározása
2. 2. 3. kísérleti példa - a napállandó mérése
3. kísérlet - a napállandó meghatározása
3. 1. Feladat
3. 2. Előnézet
3. 3. Végrehajtás
3. 4. A mért értékek táblázatai
3. 5. Értékelés
3. 6. A hibák figyelembevétele
1. Nap és napállandó
Az az energia, amelyet a nap óránként, naponta sugároz - amelyet folyamatosan bocsát ki - nemcsak csillagászati szempontból érdekes, mert ez a sugárzási erő határozza meg a földi életet. Bolygónkon az élet nem lehetséges a nap mint energiaforrás nélkül. Jelenleg energiaforrásként használják fel azt, amire a nap a múltban sütött: nyersolaj, földgáz, fa és szén.
Amit a nap sugároz, azt a föld felszínéről meglehetősen nehéz megmérni, mert a föld atmoszférája a sugárzás jelentős részét elnyeli még a legtisztább napokon is a magas hegyekben, beleértve a látható tartományt is. Ezenkívül a föld légköre nagy mértékben áthatolhatatlan az ultraibolya és az infravörös sugárzással szemben. Ezeknek a hatásoknak a leggondosabb korrekciója mellett is a föld felszínéről történő mérések olyan hibákkal vannak tele, amelyek meghaladják az egy százalék határt. Néhány évtizeddel ezelőtt a mérési eredmények legfeljebb öt százalékkal különböztek, és néha, még ha csak ritka esetekben is, a mérési bizonytalanságokat a napsugárzás kibocsátásának valódi ingadozásaként jelentették.
Míg ma a kisugárzott energiát watt/négyzetméterben adják meg, addig az egységnyi kalória négyzetcentiméterre és percre szokás lenni. Mindkét egység könnyen összeolvasztható. A kalória leíró mennyiség: ez azt a hőmennyiséget jelzi, amely egy gramm vizet egy fokkal felmelegít. Az aktuális energiaegység egy joule, a teljesítményegység - azaz az energia/idő - egy watt.
A napállandó pontos meghatározása ma: A napállandó a napból származó energiaáramlás, amely minden másodpercben behatol a sugárzás irányára merőleges 1 egységnyi területre (1 m²) a naptól 1 AU távolságra.
Ennek megfelelően az igazi napállandó csak a földről mérhető.
A napsugárzás teljesítményének újabb méréseit műholdakról végezték. Az 1980-as évek elején a Solar Maximum Mission (SMM) fedélzetén végzett hosszabb méréssorozat S = 1 367 watt/négyzetméter - a régebbi egységre átszámítva - 1,96 kalóriát adott négyzetcentiméterenként és percenként. Ez megfelel a tűzhelyen található főzőlap vagy egy vasaló folyamatos működésének.
Ez az érték azonban már ingadozik a földön, 3400 m magasságban a napállandó például 1,6 kW/m², mivel a légkör egyre vékonyabb lesz, ezért az abszorpció egyre kisebb. A föld légkörén kívül, a föld közelében lévő pályán még 1,9 kW/m².
Érdekes kérdés merül fel ebben az összefüggésben: Hány négyzetméternyi területre lenne szüksége egy polgárnak az összes energiaigényének fedezéséhez? Az 1992-es statisztikák szerint 409 millió tonna kőszén-egységet fogyasztanak Nyugat-Németországban. Ez 6,3 tonna SKE/lakos, vagy ennek megfelelő éves lakosonként 51 400 kilowattóra. Az 50 000 kilowattóra értéke messze meghaladja a háztartási villanyszámlán szereplő összeget, mert magában foglalja az összes ipari energiafogyasztást. Ebbe beleszámítva az év csaknem 8800 órájában 5,9 kilowatt szükséges energia, amely minden polgárnak rendelkeznie kellene másodpercenként. A nap négyzetméterenként 1,4 kilowattot szállít, így minden polgárnak 4,3 négyzetméternyi területre lenne szüksége energiafogyasztásához. Még a sűrűn lakott Németországban is, ahol négyzetkilométerenként több mint 250 lakos él, minden polgár 3800 négyzetméterrel rendelkezik, azaz majdnem 1000-szer nagyobb terület, mint amennyi az energiafogyasztáshoz szükséges.
Természetesen ezeket az adatokat túlértékelik, mert az energiát a nem emberi természet is felhasználja; a napot 24 órának feltételezték; nem vették figyelembe, hogy némi energia elnyelődik a légkörben. A becslés azonban azt mutatja, hogy a napból kisugárzott energia messze elegendő az emberiség összes igényének örökre kielégítésére. A rendelkezésre álló helynek csak kis hányadára lenne szükség a vevőfelületek felállításához, hogy a napenergiát általános energiaformákká alakítsák. A napenergia felhasználása kihívást jelent a nem túl távoli jövőben, mivel a fosszilis energiaforrások korlátozottak, és az atomenergia problémásnak bizonyult. Ennek ellenére a napenergia, a napenergia és a fotovoltaikus energia előállításának környezetbarát és regeneratív módszerei még nem alkalmasak energiafogyasztásunk fedezésére. Hatékonyságuk túl alacsony, és az ebből adódó helyfogyasztás túl magas
Talán egyszer hozzáférhetünk ahhoz az energiatermelési módszerhez, amelyet a Nap olyan hatalmas mennyiségű energia előállításához, a magfúzió előállításához használ. A kutatók feltételezik, hogy a földön az első fúziós erőmű körülbelül 30 év múlva fog online lenni.
De mennyire állandó a napállandó, vagyis az az energia, amelyet folyamatosan sugároznak felénk? Hetek és hónapok alatt az ingadozás kevesebb, mint egy ezrelék.
A rövid, rövid, néhány ezrelékes ingadozás a napfoltok fokozott előfordulásának tulajdonítható. A hosszú távú hatásokat nem lehet bizonyosan bizonyítani. Egy napfolt cikluson belül kisebb, 0,1% körüli változások történhetnek. A mai nagyon magas mérési pontossággal összefüggésben feltételezhető, hogy a napállandó valóság állandó, feltéve, hogy a csillag evolúciójának milliói vagy akár milliárd éve közötti hatásait nem lehet figyelmen kívül hagyni.
2. Különböző módszerek a napállandó meghatározására
Az itt felsorolt összes kísérlet alapvetően ugyanazt a sémát követi. A testet napsugárzás hatására felmelegítik vagy felmelegítik, ezt a felmelegedést megmérik, és a felmelegedéshez szükséges energiából kiszámítják a napállandót. Természetesen a napállandó pontos értékét a következő kísérletek egyikében sem lehet meghatározni. A hibaforrások túl komolyak ahhoz.
2. 1. 1. példa - szabadkézi kísérlet a napállandó meghatározására
Az első kísérleti példa, amelyet itt szeretnék hozzáfűzni, nem egy olyan kísérlet, amellyel pontosan meghatározható lenne a napállandó, sokkal inkább egy olyan kísérlet, amelyben - mint a fizikában nem szokásos - az érzéstől és a találgatásoktól függ. De nagyon kevés erőforrással megvalósítható.
Szüksége van egy teszt személyre, egy villanykörtere és egy centiméteres vonalzóra. Ezen kívül természetesen sütnie kell a napnak, a kevés szél is előnyös lenne.
Végrehajtás: A vizsgálati személynek megengedett, hogy az egyik arcára sütje a napot. A másik világít az izzóval. A lámpával a csupasz arc felé közeledhetünk, amíg a tesztelő úgy gondolja, hogy mindkét arcuk egyformán felmelegszik. Ennek közben csukva kell tartania a szemét.
Most mérje meg az r távolságot a lámpa közepétől az arcáig, és olvassa le az izzólámpa P teljesítményét.
Itt az ideje a számításnak. Tegyük fel, hogy a P lámpa = 60 W teljesítményt leolvastuk és r = 7 cm sugarat mértünk. A lámpa ekkor ugyanolyan erősen besugározza az arcát 7 cm távolságból, mint a nap 150 000 000 km-re. Erőjét egyenletesen osztaná el egy r = 7 cm sugarú gömb területén, amelyet elképzelünk a lámpa körül (az alany arca ennek a gömb alakú területnek a darabja). Ennek a gömbnek van a felülete
A lámpa = 4 x p x r² = 4 x 3,14 x (7 cm) ² = 615 cm².
Mivel mindkét arcát egyformán hevítették, a nap 60 wattot adott volna kb. 0,0615 m² gyűjtőterületre.
Most méréseivel kiszámíthatja, hogy a nap mennyi energiát süt a földfelszín egy négyzetméterére.
P lámpa: A lámpa = P nap: 1 m²
A példaértékek beillesztése és az egyenlet P nap szerint történő megváltoztatása után megkapja a nap teljesítményének értékét, amely a nap állandó értékét is jelzi, mivel a négyzetméterre jutó teljesítményt kiszámolták, 976 W/m² (az itt kiválasztott példaértékekhez).
2. 2. 2. példa - A napállandó meghatározása
A második kísérleti példához lényegesen több és speciálisabb berendezésre van szükség, mint az elsőre. De ez a kísérlet is tudományosabb és pontosabb értékeket szolgáltat.
Szüksége van egy elsötétített, elektromos főzőlapra, egy feszültségforrásra és egy mérőeszközre a feszültség és egy az áram számára.
A kísérlet végrehajtása két kísérletre oszlik:
1. kísérlet: A megfeketedett főzőlap merőleges a beeső napsugárzásra. Megmérik a főzőlap kezdetben emelkedő hőmérsékletét, és rögzítik a T egyensúlyi hőmérsékletet, amely végül létrejön.
2. kísérlet: Most a lemezt elektromosan felmelegítik, napfény hatásának kitéve. A feszültséget úgy állítják be, hogy ugyanaz a T hőmérséklet legyen, mint korábban a napsugárzás során. Miután ezt elérte, a feszültség és az áram leolvasásra kerül a mérőeszközökből.
A feszültség és az áramerősség szorzata adja a P villamos energiát, amely pontosan megegyezik azzal a teljesítménnyel, amely a lemez napsugárzás általi felmelegedését okozta. Ha a főzőlap A területe ismert, akkor az S napállandót - a földi légkör hatására bekövetkező eltéréssel - S = P értékből kapjuk: A.
Természetesen ebben a kísérletben is megmérik a napállandó értékét, amely a Nap valós kimenete alatt van. Ez megint a légköri abszorpcióval magyarázható, amely elnyeli az energia egy részét. De a szél zavaró hatást is gyakorolhat a kísérletre, mivel a hőenergiát elviszi a főzőlapról.
2. 3. kísérleti példa - a napállandó mérése
Ez a kísérlet számos csillagászati és fizikai könyvben megtalálható. Úgy van kialakítva, hogy problémamentesen elvégezhető legyen az osztályban.
Ehhez a kísérlethez vízzel töltött Erlenmeyer-lombikra vagy hasonló edényre van szükség, valamint folyékony hőmérőre is.
A kísérlet elvégzése előtt néhány előkészületet el kell végezni. Először meghatározzuk az Erlenmeyer-lombik tömegét, ez szükséges az értékeléshez. Ezt követően meg kell határozni annak a vízmennyiségnek a térfogatát, amellyel a lombikot megtöltik. Végül az Erlenmeyer-lombik alját lánggal vagy valami hasonlóval megfeketítik, és kiszámítják az A területét.
Ehhez: A vízzel töltött Erlenmeyer-lombikot, amelybe a hőmérőt merítjük, a beeső napsugárzásra merőleges, feketedett aljához igazítjuk. A bejövő sugárzást az A fekete terület szinte teljesen elnyeli, és a kísérlet időtartamának egyikéhez vezet? t függő hőmérséklet-növekedés? T vizet és lombikot. Az időben érkező összes S sugárzási energiát? T ezért a víz és a lombik hőenergiájának növekedéseként kell mérni:
ahol az elrendezés C hőkapacitása a víz és az üveg fajlagos hőteljesítményéből és tömegéből adódik:
C = c w m w + c gl m gl.
A napállandó ezért a következő képlet segítségével számítható:
S = (C? T)/(A? T)
Az így elvégzett vizsgálatok eredményeként az S értéke körülbelül 1000 W/m².
Itt is figyelembe kell venni, hogy a napsugárzás egy része elnyelődik a légkörben, és energiaveszteségek keletkeznek a kísérlet végrehajtásakor és a kísérlet felállításakor, így a napállandó valódi értékét magasabbra kell állítani.
3. kísérlet - a napállandó meghatározása
3. 1. Feladat
A feladat az volt, hogy a napállandót a lehető legpontosabban mérjük meg a Klix úr által az éves csillagászati munka során épített eszközzel.
3. 2. Előnézet
Először leírom, hogy az eszköz hogyan épül fel, és mit kell figyelembe venni a mérések előtt.
Az eszköz egy favázból áll, amelyet úgy terveztek, hogy mozgatható legyen, hogy merőleges legyen a napsugárzásra. Ezen a vázon található egy műanyag henger, amelyben alumínium henger található, amelyet hungarocell véd a hőveszteség ellen, fekete, hogy el tudja fogadni a sugárzó energia nagy részét. Egy nagyon pontos skálájú higanyhőmérő méri a hőmérsékletét. A mérések előtt egy kevés vizet adunk a hőmérő nyílásán keresztül, amely az alumínium és a hőmérő közötti hőcsatlakozásként szolgál. A műanyag henger elülső felületét fényvisszaverő film borítja, hogy visszaverje a napsugárzást, amely a fekete területen kívül ragyog.
A mérések megkezdése előtt néhány előkészületet el kell végezni. Először meg kell határozni az alumínium henger tömegét és fajlagos hőteljesítményét. Ez utóbbi minden táblázatban megtalálható és a következő: cAl = 0,9 kJ/(kg · K) -1. Mivel a készülék felépítéséről pontos információk hiányoztak, az alumínium henger tömegének meghatározása némi problémával és az ebből fakadó pontatlansággal járt. A térfogat meghatározása után kiszámítottuk 116 g mAl-t. Ezután meghatároztuk az A = 10 cm² területű A fekete területet (a további számításokhoz átszámítva: A = 0,0010 m²).
A mérőeszközön kívül órára van szükség a t időbeli különbség mérésére.
3. 3. Végrehajtás
Minden mérés előtt egy kevés vizet (a fent leírtak szerint) öntenek a készülékbe. Várjon néhány percet, amíg a T0 kiindulási hőmérséklet beáll. Ezután a készüléket a napsugárzásra merőlegesen igazítják és elindítják az órát. Ha a hőmérő egy fokos hőmérséklet-növekedést mutat, akkor ez és az időbeli különbség? t beállt. Ezután a készüléket a napsugárzásra merőlegesen igazítják és elindítják az órát. Amikor a hőmérő hőmérsékletemelkedést mutat
3. 4. Mért érték táblázat
Az ábra nem szerepel ebben a kivonatban
A napállandó számított értékei a jobb áttekintés érdekében már szerepelnek a táblázatban (a számításhoz lásd az értékelést).
3. 5. Értékelés
A bejövő sugárzási energiát elnyeli az A fekete terület és hőmérséklet-emelkedéshez vezet? T alumínium az időeltolódásban?.
A napállandó tehát a következő képlet segítségével határozható meg:
S = (mAl cAl? T): (A? T)
A fekete terület A felületének, az alumínium henger mAl tömegének és az alumínium hőkapacitásának értékei ismertek az előnézetből, és a kezdeti hőmérséklet T0, időkülönbség T és hőmérséklet különbség fennmaradó értékei a mért értékek táblázatából vehetők fel. Amiben ? T a T pillanathőmérséklet és a kezdeti T0 hőmérséklet közötti különbség.
Az S összes átlagos értéke alapján meghatározott átlagos SØ szolárállandó SØ =
1030 W/m², sokkal többet alig lehet mérni a Földről, ezért ez elfogadható érték.
3. 6. A hibák figyelembevétele
A kísérlet hibaforrásai sokfélék, például: A szél által leadott hőelvezetés, a légköri abszorpció és az alumínium test pontatlan tömege. Hogy mennyire erős a szél által történő hőelvezetés, láthatjuk egy kis példában: Napozáskor, amikor erősen süt a nap, hamarosan hőérzet jelentkezik a bőrén, de amint feljön egy kis szél, ez az érzés nagyon gyorsan eltűnik. Mivel az alumínium jó hővezető, ugyanolyan gyorsan adja le a hőenergiát, mint amennyit elnyel.
Ezenkívül a készülék szivárgott és ezáltal vizet vesztett, ami további hőveszteséget jelent.
A kísérlet tartós hatása az, hogy a készülék magjának, az alumínium hengernek a pontos méretei nem voltak ismertek.
Beck´s sorozat Wolfgang Mättig - A nap tankönyv - csillagászati alaptanfolyam