Солнце и солнечная энергия

Можно сказать, что источником различных форм жизни на Земле является тепловая и световая энергия, получаемая от Солнца. Прежде чем говорить о солнечной энергии, доходящей до Земли, коснемся химической природы Солнца.

Солнце представляет собой огромное скопление газов с высокой температурой, главной составной частью которых является водород. Считают, что в результате ядерных реакций синтеза из ядер водорода в конечном итоге образуются ядра гелия и одновременно выделяется огромное количество энергии. Внутри Солнца температура, как считают некоторые исследователи, достигает 15 700 К (абсолютная температура). Давление газов предположительно 300 000 млн атм. В таких условиях ядра атомов водорода соединяются с углеродом и азотом и только затем образуют ядра атомов гелия, что сопровождается выделением коротковолнового гамма-излучения, имеющего очень малую длину волны. При распространении от центра Солнца к его поверхности гамма-излучение претерпевает различные видоизменения - поглощается газами и образуется вновь. У этого вновь возникающего излучения длина волны значительно больше, и оно превращается в рентгеновское и ультрафиолетовое излучения. В итоге образуется генерируемое Солнцем в космическое пространство электромагнитное излучение, например видимое и инфракрасное.

Судя по измерениям, сделанным с поверхности Земли, температура поверхности Солнца достигает приблизительно 6000 К, причем диаметр Солнца примерно в 100 раз больше, чем диаметр Земли, и составляет около 1 400 000 км. Объем Солнца более чем в 1 млн раз превышает объем Земли. Земля удалена от Солнца примерно на расстояние 150 млн км. Лучи, идущие от Солнца, доходят до Земли за 8 минут (скорость света 300000 км/с).

Формирование солнечного излучения

1 — центральная часть; 2 — слой, излучающий тепловую энергию; 3 — внешний слой; 4 — корона;
5 — гамма-кванты; 6 — рентгеновское излучение; 7 — ультрафиолетовое излучение

Энергетический баланс системы Солнце-Земля

1 - Солнце; 2 - 1400000 км; 3 - поверхность Солнца с температурой 6000 К; 4 - приблизительно 150 млн км;
5 - верхняя граница атмосферы Земли, освещаемая потоком солнечного излучения плотностью 1350 Вт/м* (солнечная постоянная);
6 - 13000 км; 7 - Земля; 8 - слой земной атмосферы

Суммарный поток солнечного излучения составляет 9,138 х 10²⁵ кал/с. Среднее за год значение потока энергии излучения, поступающего на площадку 1 см², находящуюся за пределами земной атмосферы, равно приблизительно 1,95 кал/мин и называется солнечной постоянной.

Однако в земной атмосфере даже в ясную погоду происходят поглощение, рассеяние и отражение солнечного излучения, обусловленные скоплением различных микрочастиц, туманами и облаками, в результате чего до Земли доходит около 70% всей исходящей от Солнца энергии, так что на поверхности Земли поток солнечного излучения, поступающего на площадку 1 м², перпендикулярную солнечным лучам, уменьшается до 1 кВт или 860 ккал/ч.

На рисунке показано распределение по длинам волн плотности потока солнечного излучения, достигающего поверхности Земли; значительная доля энергии излучения приходится на область спектра, расположенную в окрестностях длины волны 0,55 мкм.

Распределение плотности потока солнечного излучения на поверхности Земли в зависимости от длины волны

Е_λ — плотность потока излучаемой энергии, Вт/(см²·мкм); 1 — солнечное излучение вне земной атмосферы;
2 — излучение "черного тела" с температурой 6000 К; 3 — солнечное излучение на уровне моря; λ — длина волны, мкм

Излучение с длиной волны менее 0,4 мкм соответствует ультрафиолетовой части спектра. Излучение с длиной волны в пределах от 0,4 до 0,75 мкм приходится на видимый диапазон спектра, а излучение с длиной волны более 0,75 мкм образует инфракрасную область спектра. Поток солнечного излучения представлен после того, как он претерпел изменения вследствие поглощения водяными парами (Н₂О) и озоном (О₃).

Интенсивность солнечного излучения, приходящего на поверхность Земли, меняется в зависимости от длины волны, и знание этой спектральной зависимости имеет важное значение для технических средств использования солнечной энергии на Земле. Обычно, когда мы говорим о солнечном излучении, то имеется в виду радиация Солнца, достигшая поверхности Земли.