太陽(yáng)與地球課件

TheSolarSystem1AU(AstronomicalUnit)=1.496x1011m.TheSizesThesesilhouettesshowtheexactsizeratiooftheplanets.AsteroidbeltEND太陽(yáng)：年齡：50多億歲位于靠銀河系邊緣的地方（離邊緣約2.3萬(wàn)光年，離中心約2.7萬(wàn)光年），并以每秒約300千米的速度環(huán)繞銀河系的中心部分轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)一周需要2億年。每轉(zhuǎn)1度要55萬(wàn)年，迄今已繞銀河系中心轉(zhuǎn)了25圈以上。太陽(yáng)半徑=70萬(wàn)千米；太陽(yáng)質(zhì)量=2000億億億噸；平均密度=1.4克/厘米3；太陽(yáng)是一個(gè)氣體球團(tuán)，按質(zhì)量計(jì)，氫占了71%，氦約占27%，其它元素只占2%。為什么太陽(yáng)能發(fā)光發(fā)熱達(dá)幾十億年之久而長(zhǎng)盛不衰？最初認(rèn)為太陽(yáng)像一只燃燒的大火爐。

------但即使太陽(yáng)全部由煤組成，也只能燃燒2000年左右。德國(guó)物理學(xué)家亥姆霍茲提出：太陽(yáng)大氣層中不斷有物質(zhì)掉向中心，它們?cè)谙侣溥^(guò)程中不斷將引力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為光和熱，并引起溫度上升。-----但即使這樣，太陽(yáng)的壽命也只有300萬(wàn)年。放射性發(fā)現(xiàn)后，有人就用重原子核裂變時(shí)會(huì)大量釋放能量的事實(shí)來(lái)解釋太陽(yáng)發(fā)光發(fā)熱的來(lái)源。這樣維持的時(shí)間可達(dá)數(shù)億年。------但時(shí)間仍不夠，并且太陽(yáng)體內(nèi)也沒(méi)有那么多重元素。30年代末，美國(guó)物理學(xué)家貝特提出了氫原子核在高溫高壓下聚變?yōu)楹ぴ拥臒岷朔磻?yīng)理論后，才算初步解開(kāi)了太陽(yáng)發(fā)光發(fā)熱之謎。-----貝特因此獲1967年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。貝特的理論：太陽(yáng)有著進(jìn)行熱核反應(yīng)最基本的原料–大量的氫，在絕對(duì)溫度1500萬(wàn)度的高溫和幾千億個(gè)大氣壓的超高壓下氫原子核彼此緊緊壓在一起，增加了它們聚合的機(jī)會(huì)，這樣熱核反應(yīng)就在太陽(yáng)內(nèi)部不斷進(jìn)行，即使進(jìn)行100億年，也只消耗掉太陽(yáng)質(zhì)量的十分之一。氫聚變?yōu)楹ずぞ圩優(yōu)樘家院筮€會(huì)發(fā)生一系列核反應(yīng)，聚變成的元素越來(lái)越重，標(biāo)志太陽(yáng)走向暮年新星爆發(fā)，形成白矮星地球：地球半徑=6378公里；地球質(zhì)量=5.98x1024kg;軌道半徑=1AU(93millionmiles)SolidSoftmoltenEND 我們已經(jīng)介紹過(guò)，太陽(yáng)是一個(gè)熾熱的氣態(tài)球體，它的直徑約為1.39×106km，質(zhì)量約為2.2×l027t，為地球質(zhì)量的3.32×105倍，體積則比地球大1.3×106倍，平均密度為地球的1/4。其主要組成氣體為氫（約80％）和氦（約19％）。由于太陽(yáng)內(nèi)部持續(xù)進(jìn)行著氫聚合成氦的核聚變反應(yīng)，所以不斷地釋放出巨大的能量，并以輻射和對(duì)流的方式由核心向表面?zhèn)鬟f熱量，溫度也從中心向表面逐漸降低。由核聚變可知，氫聚合成氦在釋放巨大能量的同時(shí)，每1g質(zhì)量將虧損0.00729。根據(jù)目前太陽(yáng)產(chǎn)生核能的速率估算，其氫的儲(chǔ)量足夠維持600億年，因此太陽(yáng)能可以說(shuō)是用之不竭的。在太陽(yáng)平均半徑23％（0.23R）的區(qū)域內(nèi)是太陽(yáng)的內(nèi)核，其溫度約為8×106～4×107K，密度為水的80～100倍，占太陽(yáng)全部質(zhì)量的40％，總體積的15％。這部分產(chǎn)生的能量占太陽(yáng)產(chǎn)生總能量的90％。氫聚合時(shí)放出γ射線，當(dāng)它經(jīng)過(guò)較冷區(qū)域時(shí)由于消耗能量，波長(zhǎng)增長(zhǎng)，變成X射線或紫外線及可見(jiàn)光。

太陽(yáng)的結(jié)構(gòu)如圖所示。從0.23～0.7R的區(qū)域稱為“對(duì)流區(qū)”，溫度降到1.3×105K，密度下降為0.079g/cm3。0.7～1.0R之間稱為“輻射輸能區(qū)”，溫度下降到5×103K，密度下降到10-8g/cm3。太陽(yáng)的外部是一個(gè)光球?qū)樱褪侨藗內(nèi)庋鬯吹降奶?yáng)表面，其溫度為5762K，厚約500km，密度為10-6g/cm3，它是由強(qiáng)烈電離的氣體組成，太陽(yáng)能絕大部分輻射都是由此向太空發(fā)射的。光球外面分布著不僅能發(fā)光，而且?guī)缀跏峭该鞯奶?yáng)大氣，稱之為“反變層”，它是由極稀薄的氣體組成，厚約數(shù)百公里，它能吸收某些可見(jiàn)光的光譜輻射。

太陽(yáng)大氣的上層，被稱為“色球?qū)印?，厚約1～1.5×104km，大部分由氫和氦組成?！吧?qū)印蓖馐巧烊胩盏你y白色日冕，溫度高達(dá)1百萬(wàn)度，高度有時(shí)達(dá)幾十個(gè)太陽(yáng)半徑。從太陽(yáng)的構(gòu)造可見(jiàn)，太陽(yáng)并不是一個(gè)溫度恒定的黑體，而是一個(gè)多層的有不同波長(zhǎng)發(fā)射和吸收的輻射體。不過(guò)在太陽(yáng)能利用中通常將它視為一個(gè)溫度為6000K，發(fā)射波長(zhǎng)為0.3～3μm的黑體。太陽(yáng)輻射的特性晝夜是由于地球自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的，而季節(jié)是由于地球的自轉(zhuǎn)軸與地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道的轉(zhuǎn)軸呈23°27′的夾角而產(chǎn)生的。地球每天繞著通過(guò)它本身南極和北極的“地軸”自西向東自轉(zhuǎn)一周。每轉(zhuǎn)一周為一晝夜，所以地球每小時(shí)自轉(zhuǎn)15°。地球除自轉(zhuǎn)外還循偏心率很小的橢圓軌道每年繞太陽(yáng)運(yùn)行一周。地球自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)軌道面的法線始終成23．5°。地球公轉(zhuǎn)時(shí)自轉(zhuǎn)軸的方向不變，總是指向地球的北極。

由于地球以橢圓形軌道繞太陽(yáng)運(yùn)行，因此太陽(yáng)與地球之間的距離不是一個(gè)常數(shù)，而且一年里每天的日地距離也不一樣。眾所周知，某一點(diǎn)的輻射強(qiáng)度與距輻射源的距離的平方成反比，這意味著地球大氣上方的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度會(huì)隨日地間距離不同而異。然而，由于日地間距離太大（平均距離為1.5x108km），所以地球大氣層外的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度幾乎是一個(gè)常數(shù)。因此人們就采用所謂“太陽(yáng)常數(shù)”來(lái)描述地球大氣層上方的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。它是指平均日地距離時(shí)，在地球大氣層上界垂直于太陽(yáng)輻射的單位表面積上所接受的太陽(yáng)輻射能。近年來(lái)通過(guò)各種先進(jìn)手段測(cè)得的太陽(yáng)常數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值為1353w／m2。一年中由于日地距離的變化所引起太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化不超過(guò)上下3.4％。

陽(yáng)光穿越地球大氣層后，進(jìn)一步損失大約30%的能量，造成這一損失的主要原因是：大氣分子的散射；大氣中懸浮物及塵埃粒子的散射；大氣分子的吸收，特別是氧、臭氧、水蒸氣和二氧化碳等分子的吸收；

所以，實(shí)際到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射或稱“日射”通常是由直射和漫射兩部分組成。直射是指直接來(lái)自太陽(yáng)其輻射方向不發(fā)生改變的輻射；漫射則是被大氣反射和散射后方向發(fā)生了改變的太陽(yáng)輻射，它由三部分組成：太陽(yáng)周?chē)纳⑸洌ㄌ?yáng)表面周?chē)奶炜樟凉猓?，地平圈散射（地平圈周?chē)奶炜樟凉饣虬倒猓?，及其他的天空散射輻射。另外，非水平面也接收?lái)自地面的反射輻射。

直達(dá)日射、漫射日射和反射日射的總和即為總?cè)丈浠颦h(huán)球日射?？梢砸揽客哥R或反射器來(lái)聚焦直達(dá)日射。如果聚光率很高，就可獲得高能量密度，但卻損耗了漫射日射。如果聚光率較低，也可以對(duì)部分太陽(yáng)周?chē)穆淙丈溥M(jìn)行聚光。漫射日射的變化范圍很大，當(dāng)天空晴朗無(wú)云時(shí)，漫射日射為總?cè)丈涞?0％。但當(dāng)天空烏云密布見(jiàn)不到太陽(yáng)時(shí)，總?cè)丈鋭t等于漫射日射。因此聚式收集器采集的能量通常要比非聚式收集器采集的能量少得多。反射日射一般都很弱，但當(dāng)?shù)孛嬗斜└采w時(shí)，垂直面上的反射日射可達(dá)總?cè)丈涞?0％。

AM=AirMass大氣質(zhì)量

它表示太陽(yáng)輻射穿過(guò)地球大氣的路徑與太陽(yáng)在天頂方向垂直入射時(shí)的路徑之比，式中b是氣壓，b0是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，，是天頂角。并設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和O℃時(shí)海平面上太陽(yáng)垂直入射時(shí)，大氣質(zhì)量為AM1。

人們常用AM來(lái)表示直射的日光通過(guò)大氣長(zhǎng)度（空氣量）的單位。它是由太陽(yáng)光的入射角和大氣壓所決定的量。AM=b/b0sec太陽(yáng)能的波長(zhǎng)分布可以用一個(gè)黑體輻射來(lái)模擬，黑體的溫度為5800K。太陽(yáng)能波長(zhǎng)分布在紫外光、可見(jiàn)光和紅外光波段。這些波段受大氣衰減的影響程度各不相同。可見(jiàn)光輻射的大部分可到達(dá)地面，但是上層大氣中的臭氧卻吸收了大部分紫外光輻射。

地球上不同地區(qū)、不同季節(jié)、不同氣象條件下到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度都是不相同的。下表給出了熱帶、溫帶和比較寒冷地帶的太陽(yáng)平均輻射強(qiáng)度。通常根據(jù)各地的地理和氣象情況已將到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度制成各種可供工程使用的圖表，它們不但對(duì)太陽(yáng)能利用，而且對(duì)建筑物的采暖、空調(diào)設(shè)計(jì)也是至關(guān)重要的數(shù)據(jù)。

上圖是世界各地九月份的日平均日照總量分布圖。一個(gè)地區(qū)的有效日照總量不僅決定于它的地理位置，還與那里的氣候類(lèi)型，基本植被以及局部地理特征有關(guān)。從圖中可以看到，我國(guó)中西部的大部分地區(qū)具有較豐富的日照資源，是開(kāi)發(fā)和利用太陽(yáng)能的理想環(huán)境，也是