Солнечная постоянная ( G SC ) измеряет количество энергии, полученное данной областью на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца. Точнее, это плотность потока , измеряющая среднее солнечное электромагнитное излучение ( полное солнечное излучение ) на единицу площади. Оно измеряется на поверхности, перпендикулярной лучам, на расстоянии одной астрономической единицы (а.е.) от Солнца (примерно расстояние от Солнца до Земли).
Солнечная постоянная включает излучение во всем электромагнитном спектре . По измерениям со спутника, она равна 1,361 киловатта на квадратный метр (кВт/м 2 ) при солнечном минимуме (время 11-летнего солнечного цикла , когда количество солнечных пятен минимально) и примерно на 0,1% больше (примерно 1,362 кВт/м2) . м 2 ) в солнечном максимуме . [1]
Солнечная «константа» не является физической константой в современном научном смысле CODATA ; то есть это не похоже на постоянную Планка или скорость света , которые в физике абсолютно постоянны. Солнечная постоянная представляет собой среднее значение переменной величины. За последние 400 лет он менялся менее чем на 0,2 процента. [2] Миллиарды лет назад оно было значительно ниже .
Эта константа используется при расчете радиационного давления , которое помогает при расчете силы, действующей на солнечный парус .
Солнечное излучение измеряется спутниками над атмосферой Земли [3] и затем корректируется с использованием закона обратных квадратов , чтобы определить величину солнечного излучения в одной астрономической единице (а.е.) для оценки солнечной постоянной. [4] Приведенное приблизительное среднее значение, [1] 1,3608 ± 0,0005 кВт/м 2 , что составляет 81,65 кДж/м 2 в минуту, эквивалентно приблизительно 1,951 калориям в минуту на квадратный сантиметр, или 1,951 лэнгли в минуту.
Солнечная энергия почти, но не совсем постоянна. Изменения общего солнечного излучения (TSI) были небольшими, и их трудно было точно обнаружить с помощью технологий, доступных до эры спутников (± 2% в 1954 году). Общий объем солнечной энергии теперь оценивается как изменяющийся (за последние три 11-летних цикла солнечных пятен ) примерно на 0,1%; [5] подробнее см. Солнечные вариации .
В 1838 году Клод Пуйе сделал первую оценку солнечной постоянной. Используя разработанный им очень простой пиргелиометр , он получил значение 1,228 кВт/м 2 , [6] близкое к нынешней оценке.
В 1875 году Жюль Виоль возобновил работу Пуйе и предложил несколько более высокую оценку в 1,7 кВт/м 2 , частично основанную на измерениях, которые он провел на Монблане во Франции.
В 1884 году Сэмюэл Пирпонт Лэнгли попытался оценить солнечную постоянную на горе Уитни в Калифорнии. Снимая показания в разное время суток, он пытался скорректировать эффекты атмосферного поглощения. Однако предложенное им окончательное значение, 2,903 кВт/м 2 , было слишком большим.
Между 1902 и 1957 годами измерения, проведенные Чарльзом Грили Эбботом и другими на различных высокогорных участках, показали значения между 1,322 и 1,465 кВт/м 2 . Эббот показал, что одна из поправок Лэнгли была применена ошибочно. Результаты Эббота варьировались от 1,89 до 2,22 калорий (от 1,318 до 1,548 кВт/м 2 ), и это изменение, по-видимому, было связано с Солнцем, а не с атмосферой Земли. [7]
В 1954 г. солнечная постоянная была оценена как 2,00 кал/мин/см 2 ± 2%. [8] Текущие результаты примерно на 2,5 процента ниже.
Фактическое прямое солнечное излучение в верхних слоях атмосферы колеблется примерно на 6,9% в течение года (от 1,412 кВт/м 2 в начале января до 1,321 кВт/м 2 в начале июля) из-за различного расстояния Земли от Солнца, а также обычно на гораздо менее 0,1% изо дня в день. Таким образом, для всей Земли ( сечение которой составляет 127 400 000 км 2 ) мощность составляет 1,730×10 17 Вт (или 173 000 тераватт ), [9] плюс-минус 3,5% (половина годового диапазона примерно 6,9%). Солнечная постоянная не остается постоянной в течение длительных периодов времени (см. Солнечные изменения ), но в течение года солнечная постоянная меняется гораздо меньше, чем солнечное излучение, измеренное в верхних слоях атмосферы. Это связано с тем, что солнечная постоянная оценивается на фиксированном расстоянии в 1 астрономическую единицу (а.е.), в то время как на солнечное излучение будет влиять эксцентриситет орбиты Земли. Расстояние до Солнца ежегодно меняется от 147,1·10 6 км в перигелии до 152,1·10 6 км в афелии . Кроме того, несколько длительных (от десятков до сотен тысячелетий) циклов тонких изменений орбиты Земли ( циклы Миланковича ) влияют на солнечное излучение и инсоляцию (но не на солнечную постоянную).
Земля получает общее количество радиации, определяемое ее поперечным сечением (π·R E 2 ), но при вращении эта энергия распределяется по всей площади поверхности (4·π·R E 2 ). Следовательно, средняя приходящая солнечная радиация, принимая во внимание угол, под которым падают лучи, и тот факт, что в любой момент половина планеты не получает солнечной радиации, составляет одну четвертую солнечной постоянной (приблизительно 340 Вт/м 2 ). Количество, достигающее поверхности Земли (в виде инсоляции ), дополнительно уменьшается из-за ослабления в атмосфере, которое варьируется. В любой момент количество солнечной радиации, получаемой в определенном месте на поверхности Земли, зависит от состояния атмосферы, широты места и времени суток.
Солнечная постоянная включает в себя все длины волн солнечного электромагнитного излучения, а не только видимый свет (см. Электромагнитный спектр ). Она положительно коррелирует с видимой величиной Солнца, которая составляет -26,8. Солнечная постоянная и величина Солнца — это два метода описания видимой яркости Солнца, хотя величина основана только на визуальных данных Солнца.
Угловой диаметр Земли, если смотреть со стороны Солнца, составляет примерно 1/11 700 радиан (около 18 угловых секунд ), что означает, что телесный угол Земли, если смотреть со стороны Солнца, составляет примерно 1/175 000 000 стерадиана . Таким образом, Солнце излучает примерно в 2,2 миллиарда раз больше радиации, чем улавливается Землей, другими словами, примерно 3,846×10 26 Вт.
Космические наблюдения за солнечным излучением начались в 1978 году. Эти измерения показывают, что солнечная постоянная не является постоянной. Оно меняется в зависимости от 11-летнего солнечного цикла солнечных пятен . Возвращаясь в прошлое, приходится полагаться на реконструкцию излучения, используя солнечные пятна за последние 400 лет или космогенные радионуклиды для возвращения на 10 000 лет назад. Такие реконструкции показывают, что солнечное излучение меняется с четкой периодичностью. Эти циклы: 11 лет (Швабе), 88 лет (цикл Глейсберга), 208 лет (цикл ДеВриса) и 1000 лет (цикл Эдди). [10] [11] [12] [13] [14]
На протяжении миллиардов лет Солнце постепенно расширяется и излучает больше энергии с увеличивающейся площади поверхности. Нерешенный вопрос о том, как объяснить явные геологические свидетельства присутствия жидкой воды на Земле миллиарды лет назад, в то время, когда светимость Солнца составляла лишь 70% от ее нынешнего значения, известен как парадокс слабого молодого Солнца .
Реально земной поверхности достигает максимум около 75% солнечной энергии, [15] поскольку даже при безоблачном небе она частично отражается и поглощается атмосферой. Даже легкие перистые облака уменьшают этот показатель до 50%, более сильные перистые облака — до 40%. Таким образом, солнечная энергия, достигающая поверхности, когда солнце находится прямо над головой, может варьироваться от 550 Вт/м 2 при перистых облаках до 1025 Вт/м 2 при ясном небе.
