Solstråling

Solstråling er settet med elektromagnetisk stråling som sendes ut av solen. Solen er en stjerne hvis overflate har en gjennomsnittstemperatur på 5778  K (5505 °C) og innenfor hvilken en rekke kjernefysiske fusjonsreaksjoner finner sted som produserer et tap av masse som omdannes til energi . Denne energien som frigjøres fra solen, overføres til utlandet gjennom solstråling. Solens overflate oppfører seg praktisk talt som en svart kropp , som avgir energi etter Plancks lov ved den nevnte temperaturen. Solstråling distribueres fra det infrarøde til det ultrafiolette . Ikke all strålingen når jordoverflaten , fordi de kortere ultrafiolette bølgene absorberes av gasser i atmosfæren . Størrelsen som måler solstrålingen som når jorden er irradians , som måler kraften som per arealenhet når jorden. Enheten er W / m² .

Spektralfordeling av solstråling

Anvendelsen av Plancks lov på solen med en overflatetemperatur på ca. 6000 K fører oss til det faktum at 99 % av den utsendte strålingen er mellom bølgelengdene 0,15  ( mikrometer ) og 4  . Solen sender ut i et spektralområde fra 150 nm til 4 nm  . Synlig lys strekker seg fra 380nm til 830nm.

Jordas atmosfære utgjør et viktig filter som lager uobserverbare strålinger med bølgelengder mindre enn 0,29 på grunn  av den sterke absorpsjonen av ozon og oksygen . Det frigjør oss fra den farligste ultrafiolette for helsen. Atmosfæren er ugjennomsiktig for all infrarød stråling med bølgelengder større enn 24  . Det påvirker ikke solstråling, men det påvirker energien som sendes ut av jorden som når opp til 40  og absorberes. Denne effekten er kjent som drivhuseffekten .

Maksimum ( Wiens lov ) inntreffer ved 0,475  . Med tanke på Wiens lov tilsvarer dette en temperatur på:

Men solutslippet skiller seg fra et svart legeme, spesielt i ultrafiolett. I det infrarøde tilsvarer det bedre temperaturen til et svart legeme på 5779 K, og i det synlige med 6090 K. Dette forteller oss at solstråling ikke produseres i de samme lagene, og vi observerer temperaturen til hvert av dem der energien produseres.

Effekter av solstråling på atmosfæriske gasser

Atmosfæren er diatermisk , det vil si at den ikke varmes opp direkte av solstråling, men indirekte gjennom refleksjon av nevnte stråling på bakken og på overflaten av hav og hav.

Solenergi har bølgelengder mellom 0,15  og 4  , så den kan ionisere et atom, eksitere elektroner, dissosiere et molekyl eller få det til å vibrere.

Jordens termiske energi ( infrarød stråling ) er 3  til 80  , så den kan bare vibrere eller rotere molekyler, det vil si varme atmosfæren.

Solenergi som en motor i atmosfæren

Energien mottatt fra solen , etter å ha passert gjennom jordens atmosfære nesten uten å varme den opp på grunn av effekten av atmosfærens diatermi , reflekteres av jordoverflaten og varmer opp luften i det nedre laget av atmosfæren, og mister denne varmekapasiteten med raskt med høyden, noe som skyldes at strålingen av varme (infrarøde stråler) fra jordoverflaten og oppover har et relativt begrenset rekkevidde på grunn av lengre bølgelengde, noe som forårsaker endringer i tettheten av gasser og følgelig ubalanser som forårsaker atmosfærisk sirkulasjon . Denne energien produserer temperaturen på jordoverflaten, og effekten av atmosfæren er å dempe temperaturforskjellen mellom dag og natt og mellom de ulike geoastronomiske sonene på planeten vår.

Nesten all energien som brukes av levende ting kommer fra solen. Planter absorberer den direkte og utfører fotosyntese , planteetere absorberer indirekte en liten mengde av denne energien ved å spise planter, og rovdyr absorberer indirekte en mindre mengde ved å spise andre dyr. Andre dyr .

Dermed stammer de fleste energikildene som brukes av mennesket indirekte fra solen. Fossilt brensel bevarer solenergien som ble fanget for millioner av år siden gjennom fotosyntese. Vannelektrisk energi bruker den potensielle energien til vann som gjennom det hydrologiske kretsløpet passerer gjennom de tre fysiske tilstandene til materie (fordamping av havvann, kondensasjon, nedbør og avrenning eller avrenning ), som denne energikilden kan brukes med. demninger og fosser. Vindenergi er en annen form for utnyttelse av solstråling, siden dette, ved å varme opp forskjellige områder av jordoverflaten med forskjellig intensitet, gir opphav til vind , som kan brukes til å generere elektrisitet, flytte båter, pumpe grunnvann og mange andre bruksområder.

Helseeffekter

Overdreven eksponering for solstråling kan være helseskadelig . Dette forverres av økningen i menneskelig levealder, som fører til at hele verdens befolkning bruker mer tid på å eksponeres for solstråling, noe som øker risikoen for å utvikle hudkreft .

Ultrafiolett stråling sendes ut av solen i bølgelengder fra omtrent 150  nm (1500  Å ) til 400 nm (4000 Å), i formene UV-A, UV-B og UV-C, men på grunn av absorpsjon av jordens atmosfære , 99 % av de ultrafiolette strålene som når jordens overflate er av UV-A-typen. Dette frigjør oss fra den farligste ultrafiolette strålingen for helsen. Atmosfæren utøver en sterk absorpsjon som hindrer all stråling med bølgelengder mindre enn 290 nm (2900 Å) i å passere gjennom. UV-C-stråling når ikke bakken fordi den absorberes av oksygen og ozon i atmosfæren, derfor forårsaker den ikke skade. UV-B-stråling absorberes delvis av ozon og når jordoverflaten og forårsaker hudskader . Dette forverres av ozonhullet som oppstår ved planetens poler.

Forekomstadresse

Studiet av retningen som solinnstrålingen påvirker kroppene som befinner seg på jordoverflaten er av spesiell betydning når det er ønskelig å kjenne deres oppførsel når de reflekteres. Retningen strålen reflekteres i vil avhenge av hendelsen.

For dette formål etableres en modell som skiller mellom to komponenter av den innfallende bestrålingen på et punkt: direkte solinnstråling og diffus solinnstråling.

Summen av begge er den totale (eller globale) hendelsesbestrålingen. Planetens overflate er utsatt for stråling fra Solen. Bestrålingshastigheten avhenger i hvert øyeblikk av vinkelen som dannes av normalen til overflaten på det aktuelle punktet og retningen for innfallsretningen til solstrålene. Selvfølgelig, gitt avstanden til solen fra planeten vår, kan vi anta, med en veldig god tilnærming, at solens stråler i hovedsak faller parallelt med planeten . På hvert punkt av det samme, lokalt sett, avhenger imidlertid hellingen av overflaten i forhold til nevnte stråler av breddegraden og tidspunktet på dagen for et bestemt sted i lengdegrad . Nevnte helning kan defineres gjennom vinkelen dannet av normalvektoren til overflaten ved nevnte punkt og vektoren parallelt med innfallsretningen for solstråling.

Vi må unngå langvarig eksponering for solen, siden dette representerer en aggresjon mot huden som kan forårsake aldring, utseende av flekker eller rynker og er ansvarlig for utseendet av melanomer eller hudkreft. Moderat eksponering for solen, spesielt de første dagene, beskyttelse mot solen med passende klær, eller bruk av solkremer er den beste forebyggingen mot solbrenthet.

Solradiobølger

I 1942 fanget radarene de første radiobølgene av solenergi; For tiden studeres solradiobølger med radioteleskoper for bølgelengder fra flere millimeter til tjue meter. De korteste radiobølgene sendes hovedsakelig ut av den delen som hovedsakelig sendes ut av den korteste delen, sendes hovedsakelig ut av den nedre delen av kromosfæren og den lengste av koronaen. Under solens rolige periode (sammenfallende med minimumsflekkene) tilsvarer styrken av radioutslippene det som kan forventes fra et legeme ved temperaturen til kromosfæren og solkoronaen. Men når solen er aktiv og flekkene og fremspringene er mange, øker også radioutslippene og plutselige økninger i intensitet noteres (radiostormer) som er lagt over vanlige radiobølger. Når store utbrudd observeres på sola, registreres spesielt intense eksplosjoner og rumling av noen få minutters varighet. I slike tilfeller antas det at utbruddene driver ut enorme bølger av protoner og andre partikler med hastigheter på flere tusen kilometer per sekund som når jorden et døgn senere og produserer magnetiske stormer.

Solstråling på planeten Jorden

Mesteparten av energien som når planeten vår kommer fra solen. Solen sender ut energi i form av elektromagnetisk stråling. Disse strålingene utmerker seg ved deres forskjellige bølgelengder. Noen, som radiobølger , har bølgelengder på kilometer, mens de mest energiske, som røntgen eller gammastråling, har bølgelengder på tusendeler av en nanometer.

Strålingen i solen er 63 450 720 W/m². Energien som når utsiden av jordens atmosfære på en overflate vinkelrett på solens stråler, gjør det i en fast mengde, kalt solkonstanten (1353 W/m² ifølge NASA ), variabel i løpet av året med ±  3 % på grunn av elliptisitet fra jordens bane . [ 2 ] Denne energien er en blanding av stråling med bølgelengder mellom 200 nm og 4000 nm, som skilles mellom ultrafiolett stråling, synlig lys og infrarød stråling.

Ultrafiolett stråling

Det er strålingen som har kortest bølgelengde (360 nm), som bærer mye energi og forstyrrer molekylære bindinger. Spesielt de på mindre enn 300 nm, som kan endre DNA-molekyler, veldig viktige for livet. Disse bølgene absorberes av den øvre delen av atmosfæren, spesielt av ozonlaget.

Det er viktig å beskytte seg mot denne typen stråling, siden dens virkning på DNA er assosiert med hudkreft. Bare cumulusskyer med stor vertikal utvikling demper disse strålingene praktisk talt til null. Resten av formasjonene, som cirrus-, stratus- og cumulusskyer med liten vertikal utvikling, demper dem ikke, så beskyttelse er viktig selv på overskyede dager. Det er viktig å være spesielt forsiktig når cumulusskyer utvikler seg, siden disse kan fungere som speil og diffusorer og øke intensiteten av ultrafiolette stråler og følgelig solrisikoen. Noen piskete skyer kan ha en forstørrelsesglasseffekt.

Infrarød stråling

Infrarød stråling på mer enn 760 nm er den som tilsvarer lengre bølgelengder, og har lite energi knyttet til seg. Effekten øker omrøringen av molekylene, og får temperaturen til å stige. CO 2 , vanndamp og små vanndråper som danner skyer absorberer infrarød stråling svært intenst.

Atmosfæren fungerer som et filter, siden den gjennom de forskjellige lagene fordeler solenergi slik at bare en liten del av den energien når jordoverflaten. Den ytre delen av atmosfæren absorberer en del av strålingen, og reflekterer resten direkte til verdensrommet, mens andre vil passere til jorden og deretter bli utstrålet. Dette produserer den såkalte varmebalansen, resultatet av denne er strålingsbalansesyklusen.

Avhengig av typen stråling er det kjent at av de 324 W/m² som når jorden, i den øvre delen av atmosfæren (1400 W/m² er solkonstanten); 236 W/m² sendes ut i rommet i form av infrarød stråling, 86 W/m² reflekteres av skyer og 2 W/m² reflekteres av bakken i form av kortbølget stråling. Men re-sending av energi gjøres ikke direkte, men en del av den re-utgitte energien absorberes av atmosfæren, og forårsaker drivhuseffekten .

Atferden til atmosfæren og bakken mot stråling

Jordens atmosfære består av tallrike partikler av materie, er omtrent 10 000 km høy og er delt inn i forskjellige konsentriske lag:

Troposfæren

Det er den nedre sonen av atmosfæren som strekker seg fra havnivå til ca. 16 km. Det er et veldig tett lag, det inneholder mer enn 75% av luften i atmosfæren, det inneholder også mye kondensert vanndamp i form av skyer, og en stor mengde støv. Synlig lys og UV-stråler når den, som klarer å passere gjennom resten av lagene i atmosfæren. Det er det første laget som forblir i kontakt med jordskorpen .

Stratosfæren

Den er omtrent 60 km tykk og ligger over troposfæren . Det er et spinkelt lag hvor vann- og støvdamper avtar betraktelig i forhold til de som finnes i troposfæren. I dette området er det en rikelig konsentrasjon av karbondioksid (CO 2 ), som har egenskapen til å hindre passasje av stråling til jorden. Mot midten av stratosfæren er det et lag ca 15 km tykt med rikelig med ozon, som noen forfattere kaller ozonsfæren , det er laget som absorberer nesten all den ultrafiolette strålingen som kommer fra Solen Ozon, O 3 , absorberer svært effektivt stråling mellom 200 og 330 nm, så den ultrafiolette strålingen på mindre enn 300 nm som når jordoverflaten er ubetydelig.

Mesosfæren

Den er ca 20 km tykk. De øvre lagene har rikelige konsentrasjoner av natrium . Temperaturen i dette laget er mellom -70 og 90 °C. I det er lag D, som har egenskapen til å reflektere lange radiobølger om dagen og forsvinner om natten. Dette er grunnen til at mellombølgene avbrytes i løpet av dagen og kan gjenopptas når solen går ned. Når lag D forsvinner, lar det passasjen av andre bølger fortsette mot de øvre lagene.

Ionosfære

Det er en delvis ionisert sone med solstråling, med stor elektrisk ledningsevne . I dette laget reflekteres radiobølger mot jorden, og derfor er det veldig nyttig i telekommunikasjon.

Type energi absorbert

Energi absorbert av atmosfæren

Under optimale forhold med en perfekt klar dag og med solstrålene som faller nesten vinkelrett, når tre fjerdedeler av energien som kommer utenfra overflaten. Nesten all den ultrafiolette strålingen og mye av det infrarøde absorberes av atmosfæren. Energien som når havnivået er vanligvis 49 % infrarød stråling, 42 % synlig lys og 9 % ultrafiolett stråling. På en overskyet dag absorberes en mye høyere prosentandel energi, spesielt i det infrarøde området.

Energi absorbert av vegetasjon

Vegetasjon absorberer hele spekteret, men spesielt i den synlige sonen, og utnytter en del av denne energien til fotosyntese.

Total energibalanse og drivhuseffekt

Gjennomsnittstemperaturen på jorden forblir praktisk talt konstant på rundt 15 °C, men den estimerte temperaturen den ville ha, hvis atmosfæren ikke eksisterte, ville vært rundt -18 °C. Denne forskjellen på 33 °C så gunstig for livet på planeten skyldes drivhuseffekten. Grunnen til at temperaturen holder seg konstant er fordi jorden gir tilbake til verdensrommet samme mengde energi som den mottar. Hvis den returnerte energien var noe mindre enn den mottatt, ville den gradvis varmes opp, og hvis den returnerte mer, ville den kjøles ned.

Derfor er ikke forklaringen på drivhuseffekten at en del av energien som mottas av jorden forblir permanent på planeten. Forklaringen er at returen er forsinket fordi selv om mengden energi som returneres er den samme som den mottas, er typen energi som returneres annerledes. Mens energien som mottas er en blanding av ultrafiolett, synlig og infrarød stråling, er energien som returneres av jorden hovedsakelig infrarød og noe synlig.

Strålingen som kommer fra Sola kommer fra et legeme som er på 6000 °C, men strålingen som overflaten returnerer har en sammensetning av bølgelengder som tilsvarer et svart legeme som er på 15 °C. Av denne grunn har de reflekterte strålingene bølgelengder med lavere frekvens enn de som mottas. De er i den infrarøde sonen og nesten alle absorberes av CO 2 , vanndamp, metan og andre gasser, og danner dermed drivhuseffekten. Dette forsinker produksjonen av energi fra jorden til verdensrommet og gir opphav til den såkalte drivhuseffekten som holder gjennomsnittstemperaturen på ca. 15 °C og ikke på -18 °C, som den ville hatt dersom atmosfæren ikke eksisterte.

Global temperaturøkning

I løpet av det 20. århundre har en økning i global temperatur blitt bekreftet og det anslås at den vil fortsette slik i de kommende tiårene, dette bekymrer den vitenskapelige verden og skaper bekymringer på de mest forskjellige feltene, siden oppvarming påvirker klimaet og derfor maten produksjon, global helse og økonomi generelt. Men ikke bare har temperaturen økt, CO 2 i atmosfæren har også økt med 25 %; CH 4 100 %; N20 10 % . _ Nylig har det dukket opp klorfluorkarbongasser eller KFK , hovedsakelig freon 11 og 12.

Årsaken til økningen av disse gassene i atmosfæren er helt klart en konsekvens av menneskelig aktivitet: oppvarming , industri , landbruk og transport . Både årsak og virkning av befolkningsøkningen siden 1920 -tallet . Akkumuleringen av disse gassene bidrar til økt oppvarming.

Jordens indre energi

Temperaturen øker med økende dybde i jordens indre - også trykket øker med dybden til det når enorme verdier - og når rundt 5000 °C i den indre kjernen. Energikilden som opprettholder disse temperaturene er hovedsakelig radioaktiv nedbrytning av kjemiske elementer i mantelen. Denne indre energien er ansvarlig for konveksjonsstrømmene som beveger de litosfæriske platene, og det er derfor den har viktige konsekvenser for mange overflateprosesser: vulkaner, jordskjelv, bevegelse av kontinentene og dannelse av fjell, blant annet.

Kosmisk stråling

En stråling med svært korte bølgelengder kommer til den øvre delen av atmosfæren, fra forskjellige punkter i universet. Den såkalte primære kosmiske strålingen består av høyenergielektroner. Når den treffer molekylene som finnes i den øvre atmosfæren, blir den til sekundær stråling, som er ultrafiolette stråler. Oksygenmolekyler (O 2 ) absorberer primær og sekundær stråling på mindre enn 200 nm, og blir til ozon (O 3 ). I sin tur absorberer ozon stråling opp til 300 nm, og på denne måten, takket være oksygen og ozon, er jorden beskyttet mot den farligste kosmiske strålingen.

Radioaktive stoffer

Den såkalte radioaktiviteten består av et sett med svært kortbølget stråling og derfor med mye energi og stor penetrasjonskapasitet. Opprinnelsen deres kan være naturlig, men målinger indikerer at de har økt de siste årene på grunn av noen menneskelige aktiviteter, spesielt atomeksplosjoner. Disse strålingene, godt brukt, er svært nyttige i medisin, industri og vitenskapelig forskning. De har mange bruksområder og brukes til å kurere kreft for å sjekke sveiser eller sterilisere mat. Forurensning med radioaktive stoffer er imidlertid spesielt farlig, fordi små mengder kan avgi dødelig eller svært skadelig stråling.

Solenergiapplikasjoner

Blant de mange bruksområdene for solenergi er bruken av den som direkte lys, som en kilde til varme eller energi og hovedsakelig i produksjon av elektrisitet, hver av disse bruksområdene er utvidet nedenfor:

Direkte

En av bruksområdene for solenergi er direkte som sollys, for eksempel til belysning. En annen svært vanlig direkte anvendelse er tørking av klær og enkelte produkter i produksjonsprosesser med enkel teknologi.

Varmepumper

Varmepumper pumper energi fra luft som varmes opp av solen og overfører den til ulike bruksområder. Oppvarming, varmtvann osv. [ 3 ]

Termisk

Solenergi kan brukes til å varme opp ethvert system som senere vil tillate klimaanlegg i boliger, blant annet oppvarming, kjøling, tørking er termiske applikasjoner. Det er for tiden flere solvarmekraftverk som genererer energi i verden, hvis driftsgrunnlag er indirekte bruk av solenergi. Se solvarmekraftverk .

Fotovoltaisk

Fotovoltaisk solenergi er en energikilde som produserer elektrisitet av fornybar opprinnelse, hentet direkte fra solstråling ved hjelp av en halvlederenhet kalt en fotovoltaisk celle , eller ved hjelp av metallavsetning på et substrat kalt en tynnfilmsolcelle .

Denne typen energi brukes hovedsakelig til å produsere elektrisitet i stor skala gjennom distribusjonsnettverk , selv om den også tillater å drive utallige autonome applikasjoner og enheter, samt forsyne fjelltilfluktssteder eller hjem isolert fra strømnettet . På grunn av den økende etterspørselen etter fornybar energi , har produksjonen av solceller og solcelleanlegg gått betydelig frem de siste årene. De begynte å bli masseprodusert fra år 2000, da tyske miljøvernere og Eurosolar-organisasjonen skaffet midler til å lage ti millioner solcelletak.

Elektrisiteten som oppnås på denne måten kan brukes direkte (for eksempel til å trekke vann fra en brønn eller til å vanne, ved hjelp av en elektrisk motor), eller den kan lagres i akkumulatorer for bruk om natten. Det er til og med mulig å injisere overskuddselektrisitet i det generelle nettet, noe som gir en betydelig fordel. Solceller er laget med tynne skiver (ark) av silisium, galliumarsenid eller annet.

Solovner

Solovner er en av mange viktige bruksområder for høytemperaturkonsentratorer. Den største ligger i Odeillo, i den franske delen av Pyreneene, den har 9 600 reflektorer med et samlet overflateareal på ca 1 900 m² for å produsere temperaturer på opptil 4 000 °C. Disse ovnene er ideelle for forskning, for eksempel materialforskning, som krever høye temperaturer i miljøer uten forurensning.

Solkjøling

Kjøling kan produseres ved å bruke solenergi som varmekilde i en absorpsjonskjølingssyklus. En av komponentene i standard absorpsjonskjølesystemer, kalt en generator, krever en varmekilde. Generelt kreves temperaturer over 150 °C for at absorbenter skal fungere effektivt, konsentrerende samlere er mer egnet enn flatplatesamlere.

Notater og referanser

  1. ^ Acevedo, Ricardo (29. september 2012). "Chile har den høyeste solstrålingen på planeten" (SHTML) . Den tredje . Hentet 28. november 2013 . 
  2. ↑ Méndez Muñiz, Javier María; Raven Garcia, Rafael; Bureau Veritas Training (2010). "1". Termisk solenergi . Confemetal Foundation. s. 37. ISBN  978-84-92735-46-4 . 
  3. ↑ Greenpeace (14.01.18). "Individuell handling: hva du kan gjøre med klimaendringer" . http://www.greenpeace.org/international/en/ (på engelsk) . Hentet 01.14.18 . 

Eksterne lenker

Se også