Реферат з фізики на тему: "Сонце - як джерело енергії"
Сонце - як джерело енергії
Про сонце і його енергії написані сотні книг. Про нього пишуть фізики та хіміки, астрономи і астрофізики, географи і геологи, біологи й інженери. І в цьому немає нічого дивного. Адже сонце є джерелом життя для всього земного. Сонце випаровує воду з океанів, морів, з земної поверхні. Воно перетворює цю вологу в водяні краплі, утворюючи хмари і тумани, а потім змушує її знову падати на Землю у вигляді дощу, снігу, роси або інею, створюючи, таким чином, гігантський круговорот вологи в атмосфері. Сонячна енергія є джерелом загальної циркуляції атмосфери і циркуляції води в океанах. Вона як би створює гігантську систему водяного і повітряного опалення нашої планети, перерозподіляючи тепло по земній поверхні. Сонячне світло, потрапляючи на рослини, викликає у нього процес фотосинтезу, визначає ріст і розвиток рослин; потрапляючи на грунт, він перетворюється в тепло, нагріває її, формує грунтовий клімат, даючи тим самим життєву силу знаходяться в грунті насіння рослин, мікроорганізмів і населяють її живим істотам, які без цього тепла перебували в стані анабіозу (сплячки).
А хіба могли б обійтися без сонця люди і тварини? Звичайно, ні. Вони, якщо не прямо, то опосередковано залежать від нього, оскільки не можуть жити без води і без їжі.
Отже, Сонце - це основне джерело енергії на землі і першопричина, яка створила більшість інших енергетичних ресурсів нашої планети, таких, як запаси кам'яного вугілля, нафти, газу, енергії вітру і падаючої води, електричної енергії і т.д.
Енергія Сонця, яка в основному виділяється у вигляді променистої енергії, так велика, що її важко навіть собі уявити. Досить сказати, що на Землю надходить тільки одна двохмільярдний частка цієї енергії, але вона становить близько 2,5 * 1018 кал. / Хв. У порівнянні з цим всі інші джерела енергії, як зовнішні (випромінювання місяця, зірок, космічні промені), так і внутрішні (внутрішні тепло Землі, радіоактивне випромінювання, запаси кам'яного вугілля, нафти і т.д.) зневажливо малі.
Сонце - найближча до нас зірка представляє собою величезний сяючий газова куля, діаметр якого приблизно в 109 разів більше діаметру Землі, а його обсяг більше обсягу Землі приблизно в 1 млн. 300 тис. Разів. Середня щільність Сонця складає близько 0,25 від щільності нашої планети.
Оскільки сонце не твердий, а газова куля, говорити про його розмірах слід умовно, розуміючи під ними розміри видимого з Землі сонячного диска.
Внутрішня частина сонця недоступна спостереженню. Вона являє собою своєрідний атомний котел гігантських розмірів, де під тиском близько 100 мільярдів атмосфер відбуваються складні ядерні реакції, під час яких водень перетворюється в гелій. Вони-то і є джерелом енергії сонця. Температура всередині сонця оцінюється в 16 мільйонів градусів.
Про те, що це за температура, англійський учений Д.Джінс в книзі «Всесвіт навколо нас» говорить такі: «... шпильки головка речовини, нагрітого до температури, яке панує в центрі сонця, випромінювала б стільки тепла, що людина, що знаходиться на відстані в 150 км від неї згорів би миттєво ». Газ, який бушує в надрах Сонця, не тільки надзвичайно гарячий, але й дуже важкий. Його щільність в 11,4 рази перевищує щільність Сонця. У цьому атомному котлі виникають невидимі рентгенівські промені. Перш ніж досягти поверхні Сонця, вони проходять дуже звивистий шлях, подолання якого займає близько 20 тис. Років. Чим ближче вони наближаються до поверхні Сонця, тим все більше збільшуються довжини хвиль, а частота коливань зменшується, поки вони не перетворюються в ультрафіолетовий і видиме світло.
У міру зміни характеру променевої енергії змінюється і температура Сонця. На відстані радіуса від центру знижуючись приблизно до 150 тис. Градусів. Спостерігати з Землі можна тільки зовнішню оболонку Сонця (фотосфери). Вона-то і випромінює сонячну радіацію. Товщина фотосфери всього близько 300 км, а температура її поверхні 5700 градусів.
Вище шару фотосфери розташовується сонячна атмосфера. Сонячну атмосферу вчені поділяють на дві частини. Нижній її шар, де спалахують язики полум'я сонячного газу, називається хромосферою, а верхній - практично безмежний шар - сонячної короною. Температура її газів досягає мільйонів градусів, тобто в тисячі разів вище, ніж температура фотосфери.
Настільки величезне підвищення (а не зниження) температури сонячних газів в міру віддалення від сонця вчені пояснюють виникненням ударних хвиль, які народжуються жахливою силою шумом, який відбувається на поверхні світила.
Сучасні дослідження космічних станцій показують, що гази сонячної корони заповнюють весь міжпланетний простір сонячної системи. Газові частки, безперервно випромінюються сонячною короною (корпускули), утворюють в міжпланетному просторі своєрідний «сонячний вітер». Про деякі властивості цього вітру можна дізнатися, спостерігаючи поведінку комет або магнітне обурення в верхніх шарах атмосфери, розташованих поблизу магнітних полюсів Землі.
Швидкість газових частинок, що утворюють «сонячний вітер» 300 - 500, а за деякими даними навіть 800 км в секунду. Завдяки цьому «вітрі» Сонце безперервно втрачає не тільки енергію, але і масу. Він щорічно забирає від Сонця близько 1,4 * 1013 тонн речовини. Але, хоча ця цифра і астрономічна, втрати сонячної матерії, в порівнянні із загальною масою Сонця, настільки малі, що можуть призвести до зменшення її на 1% лише через 100 мільярдів років.
Земля, як, втім, і всі планети сонячної системи оточений не безповітряним холодним простором, а розпеченим корональної газом, температура якого сягає десятків тисяч градусів. Верхній виряджені шар атмосфери Землі (екзосфера) як би зливається з цим потоком летять від сонця гарячих газів. Тому і температура часток повітря тут досягає сотень градусів нижче нуля.
Крім газових частинок (корпускул), які, як я сказав, летять від Сонця зі швидкістю 300 - 500 і більше км / сек. і досягають поверхні Землі приблизно через 8 - 10 хвилин, Сонце випромінює енергію у вигляді електромагнітних хвиль різної довжини і частоти, починаючи від декількох Ангстрем (1 мікрон = 10000 Ангстрем) і закінчуючи дуже довгими радіохвилями. Основна частина приходить на Землю сонячної радіації лежить в межах 0,17 - 24 мікрона, причому 99% цієї радіації припадає на ділянку спектра від 0,17 до 4 мікрон. Радіація Сонця з довжинами хвиль менше 0,17 мікрон поглинається верхніми шарами атмосфери, і виміряти її можна тільки піднявшись на великі висоти. Ця короткохвильова ультрафіолетова радіація Сонця є дуже небезпечною для життя живих організмів. Якби атмосфера не захищала нас від неї, то життя на Землі була б неможливою.
Сонячна радіація з довжинами хвиль більше 24 мікрон становить мізерну величину і в практичних розрахунках не враховується. Весь інший спектр радіації Сонця (від 0,17 до 4 мікрон) зазвичай ділять на три частини. Перша частина - ультрафіолетова радіація (від 0,17 до 0,35 мікрона). За сильну дію на живі організми її іноді називають хімічної радіацією. Саме вона викликає зміни в складі шкірного пігменту і утворює сонячну засмагу, а при тривалому впливі - еритему або опік. При тривалому опроміненні вона згубно діє на багато мікроорганізмів. Однак, незважаючи на значущість цієї радіації в житті рослин і тварин, її частка в енергетичному балансі Землі не перевищує 7 відсотків.
Другу частину сонячного спектра (від 0,35 до 0,75 мікрона) становить світлова радіація, тобто те, що ми називаємо сонячним світлом. На частку цієї радіації в енергетичному балансі припадає вже 46 відсотків.
І нарешті, третю частину сонячного спектра (від 0,76 до 4 мікрон і далі) утворює так звана інфрачервона, вже невидима для ока, радіація (47 відсотків).
Якщо дивитися на Сонце через темне скло, туман або серпанок (особливо, коли воно знаходиться близько до горизонту), то можна побачити величезну темну пляму. Насправді виявляється, що це пляма, що є підставою фотосфери, аж ніяк не суцільне і за зовнішнім виглядом нагадує вимощену бруківкою бруківку.
Спостереження показують, що поверхня Сонця ніколи не буває спокійна. Поглиблення на цій «бруківці» іноді зливаються між собою, утворюючи великі темні плями, що свідчать про сильних вертикальних рухах сонячних газів; під час сонячної активності таких плям одночасно може налічуватися кілька, в спокійні ж періоди поверхню Сонця місяцями може залишатися чистою. Вивчаючи частоту і інтенсивність полярних сяйв, які збільшуються і посилюються в період сонячної активності, вчені встановили, що сонячна активність має свою періодичність 2, 6, 11, 26, і близько 100 років. Особливо добре простежується 11-річний цикл.
У ті роки, коли максимуми чи гребені цих хвиль накладаються один на одного, посилення сонячної активності відбувається найбільш різко. Така ситуація сталася в 1957 році, який вчені вибрали в якості Міжнародного геофізичного року для організації своїх спостережень одночасно на всій земній кулі. В цей рік число плям (воно вимірюється в умовних одиницях, званих числами Вольфа) досягло рекордного за останні 250 років значення.
Активність Сонця впливає на процеси, що відбуваються як на Землі, так і в атмосфері. З її посиленням в атмосфері відбуваються магнітні обурення, магнітні бурі, погіршується або навіть припиняється проходження радіохвиль. Встановлено великий вплив сонячної активності на погоду і навіть на клімат, а також на геофізичні процеси, що відбуваються в твердій оболонці Землі.
Справа в тому, що так звана площину екліптики, в якій відбувається обертання Землі навколо Сонця, нахилена до сонячного екватора всього на 70. Це означає, що до Землі надходить промениста енергія і корпускулярне випромінювання тільки з вузької екваторіальній області Сонця. Разом з тим астрономами встановлено, що в період посилення сонячної активності утворилися на Сонці плями поступово сповзають від сонячних полюсів в зону сонячного екватора. Це призводить до того, що в ці періоди до Землі приходить значно більше ультрафіолетових променів і радіації надкоротких довжин хвиль. Їх вплив позначається головним чином, на високих шарах атмосфери і мало відбивається на інтенсивності прямої радіації, що приходить до земної поверхні.
У високих шарах атмосфери під впливом ультрафіолетової радіації Сонця молекули кисню О2 розщеплюються навпіл, чи, як кажуть, диссоциируются (О2 = О + О). Утворилися в результаті дисоціації вільні атоми кисню дуже нестійкі, вони швидко приєднуються до будь-якої іншої молекули кисню, утворюючи новий газ, званий озоном (О3).
Найбільша концентрація озону спостерігається в шарі атмосфери від 10 до 30 км над поверхнею. Тому його часто називають озоновим шаром. Цей шар озону має дуже високе значення при формуванні клімату не тільки в вільній атмосфері, а й земної поверхні. Справа в тому, що озон поглинає значну частину теплових променів, що випускаються земною поверхнею в світовий простір. Поглинувши їх, він, по-перше, нагріває шар повітря, в якому міститься, а по-друге, повертає тепло назад на Землю, перешкоджаючи її охолодження. Він діє на зразок рами в парнику, таким чином, виникає парниковий ефект, який він надає на поверхню нашої планети цей ефект називається парниковим.
Зі збільшенням інтенсивності сонячного випромінювання кількість озону в атмосфері збільшується, а його максимальна інтенсивність переміщається з висоти 28 - 30 км на висоту 10 - 11 км. Завдяки такому перерозподілу озону при ясному небі рівноважна температура біля поверхні Землі може підвищитися на кілька градусів, що в свою чергу, позначається на зміні тиску повітря в земної поверхні, а разом з ним - на загальної циркуляції атмосфери. Приблизно кожні два роки, а точніше кожні 26 місяців, вітри від західних переходять до східним, а потім знову до західних.
Але сонячна активність пов'язана не тільки з кількістю і площею сонячних плям. Є і інші астрономічні умови, які посилюють або послаблюють надходження сонячної радіації до кордонів земної атмосфери і створюють свою циклічність. Одним з таких умов є 27-денний період обертання Сонця навколо своєї осі. У зв'язку з цим обертанням виниклі чи нагромаджені в будь-якій частині сонячного екватора темні плями з'являються або зникають з видимого диска Сонця, змінюючи тим самим кількість сонячної радіації, випромінюваної в сторону Землі. Такий 27-денний цикл не може не вплинути на погоду та інші геофізичні процеси, що відбуваються на земній поверхні і в атмосфері.
Ось які дані про хвилі холоду в Петербурзі призводить, наприклад, доктор геофізичних наук Т.В. Покровська (1967). У перший день календаря кожного місяця середнє число хвиль холоду одно двадцяти, на десятий день - дванадцяти, на дев'ятнадцятий - сорока, на двадцять шостий - тридцяти семи. Як видно зі сказаного, в першу половину будь-якого місяця року ймовірність теплої погоди в Петербурзі приблизно в 2 - 3 рази вище, ніж в кінці місяця.
З ще більш тривалими циклами сонячної активності, рівними в середньому 7 років, пов'язані, по-видимому, дощові роки на західному узбережжі Південної Америки, які повторюються через кожні 7 років, а також суворі зими на північному заході Росії, що спостерігаються через такий же проміжок часу.
Значний вплив вказує посилення сонячної активності не тільки на процеси, але і на стан самої людини. Ще в середині століття хіміки помітили цікаве явище: деякі колоїдні розчини ні з того ні з сього починають втрачати колоїдну стійкість. Зважені в них речовини раптом випадають у вигляді осаду, а барвники знебарвлюються. Фахівці фетрового і повстяного виробництв ще раніше помітили, що при певних умовах фетр і повсть дуже важко виробляються. У цементній промисловості в той же час високоякісні сорти цементу погано цементуються і т.д.
Італійському хіміку Пикарди вдалося встановити тісний зв'язок цих оригінальних явищ з магнітними бурями, а через них - і з сонячною активністю. Виявилося, що порушення коллоидального рівноваги деяких розчинів завжди пов'язане з посиленням сонячної активності і збільшенням корпускулярного випромінювання Сонця. Пізніше лікарі встановили, що стан людей з серцево-сосідістимі захворюваннями погіршується при підвищенні сонячної активності. Причина тут криється в зміні стані крові, яка, будучи своєрідним колоїдів, також виявилася схильна до впливу підвищеного випромінювання Сонця. Медики вже знайшли деякі способи захисту від їх шкідливого впливу. Інша впливає сонячне випромінювання в періоди спокійного Сонця. У цей час збільшується надходження сонячної енергії в світловий частини спектра, а разом з нею зростає і інтенсивність прямий радіації в земної поверхні. Тому стає зрозумілим таке, що здавалися раніше незбагненним, явище природи, як збільшення на Землі в 3 - 4 рази числа жорстоких посух. Вони спостерігаються як раз в періоди мінімуму сонячної активності або передують цим періодам.
- - - Сонце - як джерело енергії - - -