Энергия солнца поддерживается за счет чего: «Солнце – это единственный основной источник энергии и жизни на Земле»: Интервью ко Всемирному дню Солнца

Содержание

«Солнце – это единственный основной источник энергии и жизни на Земле»: Интервью ко Всемирному дню Солнца

Размер шрифта

Межбуквенный интервал

Семейство шрифтов

Новость
2018
мая
06
«Солнце – это единственный основной источник энергии и жизни на Земле»: Интервью ко Всемирному дню Солнца

06.05.2018

Ежегодно в начале мая отмечается Международный день Солнца. Решение о создании этого праздника было принято в 1994 году Европейским отделением Международного общества солнечной энергии (МОСЭ) с целью привлечения внимания общества к возможностям использования возобновляемых источников энергии. На Энергетическом факультете Политехнического института Южно-Уральского государственного университета изучают всю технологическую цепочку энергетической индустрии: производство, передачу, распределение, регулирование и потребление электрической и тепловой энергии. Особое внимание на факультете уделяется развитию новейших электротехнологий, которые включают в себя водородную энергетику, лазерные технологии, электросварочное производство, электрометаллургию, электролизное производство. В этом году кафедра Теоретических основ электротехники готовит первый выпуск бакалавров по этому профилю подготовки. На факультете утверждена и реализуется стратегия развития «Распределенная цифровая энергетика и интеллектуальный электропривод». В этой стратегии есть доля всех видов альтернативной энергетики, включая энергию солнца. Декан факультета Сергей Ганджа рассказал о потенциале солнечной энергии и ее дальнейшем развитии.

– Солнце – наша ближайшая звезда, что она дает нашей планете?

– Энергия Солнца стоит за всеми известными формами движения материи: механической, физической, химической, биологической и социальной. Солнце – единственный ближайший к нам источник, который наполняет энергией все формы живой и неживой природы. Так, на появление энергии ветра, волн, гидроэнергией рек, энергией углеводородов, включая биогаз на начальной стадии формирования, влияет Солнце. Энергия ветра обусловлена неравномерностью прогрева земной поверхности, энергия углеводородов рождается под влиянием фотосинтеза, гидроэнергия рек образуется от испарения воды и последующего выпадения осадков. Только несколько видов альтернативных источников не имеют солнечную природу. Это энергия приливов и отливов, обусловленная гравитационным притяжением Луны, ядерная энергия, запасенная вселенной много миллиардов лет назад и геотермальная энергия Земли, образованная при ее формировании. Эти виды энергии составляют незначительную долю в энергетическом балансе планеты. Можно сказать, что Солнце – это единственный основной источник энергии и жизни на Земле.

– Как добывается и используется солнечная энергия?

– Источником энергии в самом Солнце является термоядерный синтез, при котором атомы водорода, соединяясь друг с другом, образуют гелий, второй элемент таблицы Менделеева. При этом выделяется гигантское количество энергии, которая распространяется в виде радиации и доходит до Земли. Здесь и происходит ее преобразование в другие виды энергии. Солнечную энергию мы можем превратить, например, в электрическую, используя эффект фотосинтеза. Солнце в масштабах существования человеческой цивилизации является неисчерпаемым источником энергии. Альтернативная энергетика как раз и использует преобразованную солнечную энергию. Главное преимущество ее в том, что в основном – это экологически чистые источники энергии. Традиционная энергетика исторически сопровождалась выбросами вредных веществ, превышением нормы углекислого газа в атмосфере, что приводило к парниковому эффекту и глобальному потеплению. Солнечная радиация напрямую превращается в электричество, ветровые установки тоже не несут выбросов. Но у альтернативных источников есть один существенный недостаток. Это – нестабильность генерации энергии, которая зависит от природных условий. Промышленность и крупные мегаполисы не могут полностью полагаться на такой ненадежный источник. Альтернативная энергетика получит мощный импульс развития, если решит проблему по накоплению энергии, причем объемы накопления должны быть гигантские, соизмеримые с существующими запасами углеводородного топлива. Создание такой технологии накопления электричества названо McKinsey Global Institute одной из 12 прорывных технологий, которые существенным образом изменят глобальную экономику. На Энергетическом факультете ведутся такие работы на базе водородной энергетики.

– Изучают ли на Энергетическом факультете возобновляемые источники энергии и, в том числе солнечную энергию?

– Структура Энергетического факультета построена таким образом, что все, что есть в энергетике – представлено на том или ином образовательном уровне: бакалавриате, магистратуре или аспирантуре. У нас хорошо развито изучение традиционной энергии: это электрические станции, сети, системы электроснабжения. Имеется направление магистратуры, на котором мы готовим специалистов по альтернативной энергетике. Также у нас имеются серьезные научные заделы в этом направлении, в том числе выполненные совместно с американскими учеными. В основном мы работаем в ветроэнергетике, солнечной, биогазовой и водородной энергетике.

– Какое будущее ждет солнечную энергетику?

– Энергетика идет по пути комплексного развития. Ориентироваться на один вид энергии нельзя. Энергетика может быть стабильной и надежной тогда, когда она использует различные источники энергии. Абсолютно неразумно, имея такую развитую, рентабельную углеводородную инфраструктуру, разрушать ее или неэффективно использовать. По мере истощения углеводородов она будет свою роль потихоньку терять, но произойдет это, по оценке Министра энергетики РФ Александра Новака, не ранее чем через 100 лет. Одновременно с этим традиционные источники энергии будут вытесняться альтернативными источниками энергии и атомной энергетикой. Солнечную энергетику ждет светлое будущее, но для этого надо решить еще очень много научных и инженерных задач. Энергетический факультет в этом направлении ведет активную деятельность.

Екатерина Кузнецова

«Откуда солнце берет энергию на свое функционирование? Если оно горит миллионы лет, то должен быть источник восполнения ресурсов?» — Яндекс Кью

Солнечная энергия | Национальное географическое общество

Солнечная энергия — это любой вид энергии, вырабатываемой солнцем.

Солнечная энергия создается в результате ядерного синтеза, происходящего на Солнце. Синтез происходит, когда протоны атомов водорода яростно сталкиваются в ядре Солнца и сливаются, образуя атом гелия.

Этот процесс, известный как цепная реакция PP (протон-протон), испускает огромное количество энергии. В своем ядре Солнце каждую секунду сжигает около 620 миллионов метрических тонн водорода. Цепная реакция PP происходит в других звездах размером с наше Солнце и обеспечивает их непрерывной энергией и теплом. Температура этих звезд составляет около 4 миллионов градусов по шкале Кельвина (около 4 миллионов градусов по Цельсию, 7 миллионов градусов по Фаренгейту).

В звездах, которые примерно в 1,3 раза больше Солнца, цикл CNO управляет созданием энергии. Цикл CNO также преобразует водород в гелий, но для этого используются углерод, азот и кислород (C, N и O). В настоящее время менее 2% солнечной энергии создается циклом CNO.

Ядерный синтез с помощью цепной реакции PP или цикла CNO высвобождает огромное количество энергии в форме волн и частиц. Солнечная энергия постоянно течет от Солнца и по всей Солнечной системе. Солнечная энергия согревает Землю, вызывает ветер и погоду, поддерживает жизнь растений и животных.

Энергия, тепло и свет солнца уходят в виде электромагнитного излучения (ЭМИ).

Электромагнитный спектр существует в виде волн различных частот и длин волн. Частота волны показывает, сколько раз волна повторяется за определенную единицу времени. Волны с очень короткими длинами волн повторяются несколько раз в данную единицу времени, поэтому они являются высокочастотными. Напротив, низкочастотные волны имеют гораздо большую длину волны.

Подавляющее большинство электромагнитных волн невидимы для нас. Наиболее высокочастотными волнами, излучаемыми солнцем, являются гамма-лучи, рентгеновские лучи и ультрафиолетовое излучение (УФ-лучи). Наиболее вредные ультрафиолетовые лучи почти полностью поглощаются атмосферой Земли. Менее мощные УФ-лучи проходят через атмосферу и могут вызывать солнечные ожоги.

Солнце также излучает инфракрасное излучение, волны которого имеют гораздо более низкую частоту. Большая часть солнечного тепла поступает в виде инфракрасной энергии.

Между инфракрасным и ультрафиолетовым диапазоном находится видимый спектр, который содержит все цвета, которые мы видим на Земле. Красный цвет имеет самые длинные волны (наиболее близкие к инфракрасному), а фиолетовый (наиболее близкие к ультрафиолетовому) — самые короткие.

Природная солнечная энергия

Парниковый эффект
Инфракрасные, видимые и УФ-волны, достигающие Земли, участвуют в процессе нагревания планеты и обеспечения жизни — так называемого «парникового эффекта».

Около 30% солнечной энергии, достигающей Земли, отражается обратно в космос. Остальное поглощается земной атмосферой. Излучение нагревает поверхность Земли, и поверхность излучает часть энергии обратно в виде инфракрасных волн. Когда они поднимаются в атмосферу, их перехватывают парниковые газы, такие как водяной пар и углекислый газ.

Парниковые газы задерживают тепло, которое отражается обратно в атмосферу. Таким образом, они действуют как стеклянные стены теплицы. Этот парниковый эффект поддерживает температуру Земли достаточной для поддержания жизни.

Фотосинтез
Почти вся жизнь на Земле прямо или косвенно зависит от солнечной энергии для питания.

Производители напрямую зависят от солнечной энергии. Они поглощают солнечный свет и превращают его в питательные вещества посредством процесса, называемого фотосинтезом. Производители, также называемые автотрофами, включают растения, водоросли, бактерии и грибы. Автотрофы составляют основу пищевой сети.

Потребители полагаются на производителей питательных веществ. Травоядные, плотоядные, всеядные и детритоядные животные косвенно зависят от солнечной энергии. Травоядные питаются растениями и другими производителями. Плотоядные и всеядные едят как производителей, так и травоядных. Детритофаги разлагают растительные и животные вещества, потребляя их.

Ископаемое топливо
Фотосинтез также отвечает за все ископаемое топливо на Земле. По оценкам ученых, около 3 миллиардов лет назад в водной среде появились первые автотрофы. Солнечный свет позволял растительной жизни процветать и развиваться. После того, как автотрофы погибли, они разложились и сместились вглубь Земли, иногда на тысячи метров. Этот процесс продолжался миллионы лет.

Под сильным давлением и высокими температурами эти останки превратились в то, что мы знаем как ископаемое топливо. Микроорганизмы превратились в нефть, природный газ и уголь.

Люди разработали процессы извлечения этих ископаемых видов топлива и использования их для получения энергии. Однако ископаемое топливо является невозобновляемым ресурсом. На их формирование уходят миллионы лет.

Использование солнечной энергии

Солнечная энергия является возобновляемым ресурсом, и многие технологии могут собирать ее непосредственно для использования в домах, на предприятиях, в школах и больницах. Некоторые технологии солнечной энергетики включают фотоэлектрические элементы и панели, концентрированную солнечную энергию и солнечную архитектуру.

Существуют различные способы улавливания солнечного излучения и преобразования его в полезную энергию. Методы используют либо активную солнечную энергию, либо пассивную солнечную энергию.

Активные солнечные технологии используют электрические или механические устройства для активного преобразования солнечной энергии в другую форму энергии, чаще всего в тепло или электричество. Пассивные солнечные технологии не используют никаких внешних устройств. Вместо этого они используют местный климат для обогрева зданий зимой и отражения тепла летом.

Фотогальваника

Фотогальваника — это форма активной солнечной технологии, открытая в 1839 году 19-летним французским физиком Александром-Эдмоном Беккерелем. Беккерель обнаружил, что когда он помещал хлорид серебра в кислый раствор и подвергал его воздействию солнечного света, прикрепленные к нему платиновые электроды генерировали электрический ток. Этот процесс выработки электроэнергии непосредственно из солнечного излучения называется фотогальваническим эффектом или фотогальваникой.

Сегодня фотогальваника, вероятно, является наиболее известным способом использования солнечной энергии. Фотоэлектрические массивы обычно включают в себя солнечные панели, набор из десятков или даже сотен солнечных элементов.

Каждый солнечный элемент содержит полупроводник, обычно сделанный из кремния. Когда полупроводник поглощает солнечный свет, он выбивает электроны. Электрическое поле направляет эти свободные электроны в электрический ток, текущий в одном направлении. Металлические контакты в верхней и нижней части солнечного элемента направляют этот ток на внешний объект. Внешний объект может быть как маленьким, как калькулятор на солнечной энергии, так и большим, как электростанция.

Фотогальваника впервые широко использовалась на космических кораблях. Многие спутники, включая Международную космическую станцию, имеют широкие отражающие «крылья» из солнечных панелей. У МКС есть два крыла солнечных батарей (SAW), каждое из которых использует около 33 000 солнечных элементов. Эти фотоэлектрические элементы обеспечивают МКС всей электроэнергией, позволяя астронавтам управлять станцией, безопасно жить в космосе в течение нескольких месяцев и проводить научные и инженерные эксперименты.

Фотоэлектрические электростанции построены по всему миру. Крупнейшие станции находятся в США, Индии и Китае. Эти электростанции вырабатывают сотни мегаватт электроэнергии, которая используется для снабжения домов, предприятий, школ и больниц.

Фотогальваническая технология также может быть установлена в меньшем масштабе. Солнечные панели и элементы могут быть закреплены на крышах или наружных стенах зданий, обеспечивая электричеством структуру. Их можно размещать вдоль дорог на легкие магистрали. Солнечные батареи достаточно малы, чтобы питать даже более мелкие устройства, такие как калькуляторы, паркоматы, прессовщики мусора и водяные насосы.

Концентрированная солнечная энергия

Другим типом активных солнечных технологий является концентрированная солнечная энергия или концентрированная солнечная энергия (CSP). Технология CSP использует линзы и зеркала для фокусировки (концентрации) солнечного света с большой площади на гораздо меньшую. Эта интенсивная область излучения нагревает жидкость, которая, в свою очередь, вырабатывает электричество или подпитывает другой процесс.

Солнечные печи являются примером концентрированной солнечной энергии. Существует множество различных типов солнечных печей, в том числе башни солнечной энергии, параболические желоба и отражатели Френеля. Они используют один и тот же общий метод для захвата и преобразования энергии.

Солнечные энергетические башни используют гелиостаты, плоские зеркала, которые поворачиваются, чтобы следовать по дуге солнца в небе. Зеркала расположены вокруг центральной «коллекторной башни» и отражают солнечный свет в виде концентрированного луча света, который падает на фокус башни.

В предыдущих конструкциях башен солнечной энергии концентрированный солнечный свет нагревал емкость с водой, которая производила пар, приводивший в действие турбину. В последнее время в некоторых солнечных электростанциях используется жидкий натрий, который имеет более высокую теплоемкость и сохраняет тепло в течение более длительного периода времени. Это означает, что жидкость не только достигает температуры от 773 до 1273 К (от 500 до 1000 ° C или от 932 до 1832 ° F), но и может продолжать кипятить воду и генерировать энергию, даже когда солнце не светит.

Параболические желоба и отражатели Френеля также используют CSP, но их зеркала имеют другую форму. Параболические зеркала изогнуты, по форме напоминают седло. В отражателях Френеля используются плоские тонкие полоски зеркала, которые улавливают солнечный свет и направляют его на трубку с жидкостью. Рефлекторы Френеля имеют большую площадь поверхности, чем параболические желоба, и могут концентрировать солнечную энергию примерно в 30 раз по сравнению с ее нормальной интенсивностью.

Концентрированные солнечные электростанции были впервые разработаны в 1980-х годах. Крупнейший объект в мире — это серия заводов в пустыне Мохаве в Калифорнии. Эта система генерации солнечной энергии (SEGS) ежегодно вырабатывает более 650 гигаватт-часов электроэнергии. Другие крупные и эффективные заводы были разработаны в Испании и Индии.

Концентрированная солнечная энергия также может использоваться в меньших масштабах. Например, он может генерировать тепло для солнечных плит. Жители деревень по всему миру используют солнечные плиты для кипячения воды для санитарии и приготовления пищи.

Солнечные плиты обладают многими преимуществами по сравнению с дровяными печами: они не пожароопасны, не выделяют дыма, не требуют топлива и уменьшают потерю среды обитания в лесах, где деревья используются для топлива. Солнечные плиты также позволяют сельским жителям тратить время на образование, бизнес, здоровье или семью в то время, которое раньше использовалось для сбора дров. Солнечные плиты используются в таких разных регионах, как Чад, Израиль, Индия и Перу.

Солнечная архитектура

В течение дня солнечная энергия является частью процесса тепловой конвекции или перемещения тепла из более теплого помещения в более прохладное. Когда солнце восходит, оно начинает нагревать предметы и материю на Земле. В течение дня эти материалы поглощают тепло солнечного излучения. Ночью, когда солнце садится и атмосфера охлаждается, материалы отдают свое тепло обратно в атмосферу.

Методы пассивной солнечной энергии используют этот естественный процесс нагрева и охлаждения.

Дома и другие здания используют пассивную солнечную энергию для эффективного и недорогого распределения тепла. Примером этого является расчет «тепловой массы» здания. Тепловая масса здания – это масса материала, нагретого в течение дня. Примерами тепловой массы здания являются дерево, металл, бетон, глина, камень или глина. Ночью тепловая масса отдает свое тепло обратно в помещение. Эффективные системы вентиляции — коридоры, окна и воздуховоды — распределяют нагретый воздух и поддерживают умеренную постоянную температуру в помещении.

Пассивные солнечные технологии часто используются при проектировании зданий. Например, на этапе планирования строительства инженер или архитектор может выровнять здание по дневному пути солнца, чтобы получать желаемое количество солнечного света. Этот метод учитывает широту, высоту и типичную облачность конкретной области. Кроме того, здания могут быть построены или модернизированы, чтобы иметь теплоизоляцию, тепловую массу или дополнительное затенение.

Другими примерами пассивной солнечной архитектуры являются прохладные крыши, излучающие барьеры и зеленые крыши. Прохладные крыши окрашены в белый цвет и отражают солнечное излучение, а не поглощают его. Белая поверхность уменьшает количество тепла, достигающего внутренней части здания, что, в свою очередь, снижает количество энергии, необходимой для охлаждения здания.

Радиационные барьеры работают аналогично прохладным крышам. Они обеспечивают изоляцию материалами с высокой отражающей способностью, такими как алюминиевая фольга. Фольга отражает, а не поглощает тепло и может снизить затраты на охлаждение до 10%. В дополнение к крышам и чердакам, излучающие барьеры также могут быть установлены под полами.

Зеленые крыши — это крыши, полностью покрытые растительностью. Им требуется почва и орошение для поддержки растений, а также водостойкий слой под ними. Зеленые крыши не только уменьшают количество поглощаемого или теряемого тепла, но и обеспечивают растительность. Благодаря фотосинтезу растения на зеленых крышах поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Они отфильтровывают загрязняющие вещества из дождевой воды и воздуха и компенсируют некоторые последствия использования энергии в этом пространстве.

Зеленые крыши веками были традицией в Скандинавии, а недавно стали популярными в Австралии, Западной Европе, Канаде и США. Например, Ford Motor Company покрыла растительностью 42 000 квадратных метров (450 000 квадратных футов) крыш своего сборочного завода в Дирборне, штат Мичиган. Помимо сокращения выбросов парниковых газов, крыши уменьшают ливневые стоки, поглощая несколько сантиметров осадков.

Зеленые крыши и прохладные крыши также могут противодействовать эффекту «городского острова тепла». В оживленных городах температура может быть постоянно выше, чем в прилегающих районах. Этому способствуют многие факторы: города построены из таких материалов, как асфальт и бетон, которые поглощают тепло; высокие здания блокируют ветер и его охлаждающие эффекты; и большое количество отработанного тепла генерируется промышленностью, дорожным движением и большим населением. Использование доступного пространства на крыше для посадки деревьев или отражение тепла белыми крышами может частично смягчить локальное повышение температуры в городских районах.

Солнечная энергия и люди

Поскольку в большинстве частей мира солнечный свет светит только около половины дня, технологии солнечной энергетики должны включать методы хранения энергии в темное время суток.

Системы с термальной массой используют твердый парафин или различные формы соли для хранения энергии в виде тепла. Фотогальванические системы могут отправлять избыточную электроэнергию в местную энергосистему или хранить энергию в перезаряжаемых батареях.

Использование солнечной энергии имеет много плюсов и минусов.

Преимущества
Основным преимуществом использования солнечной энергии является то, что это возобновляемый ресурс. У нас будет постоянный, безграничный запас солнечного света еще 5 миллиардов лет. За один час атмосфера Земли получает достаточно солнечного света, чтобы удовлетворить потребности в электричестве каждого человека на Земле в течение года.

Солнечная энергия чистая. После того, как оборудование солнечной технологии построено и установлено, солнечной энергии не нужно топливо для работы. Он также не выделяет парниковых газов или токсичных материалов. Использование солнечной энергии может значительно уменьшить воздействие, которое мы оказываем на окружающую среду.

Есть места, где можно использовать солнечную энергию. Дома и здания в районах с большим количеством солнечного света и низкой облачностью имеют возможность использовать обильную солнечную энергию.

Солнечные плиты представляют собой прекрасную альтернативу приготовлению пищи в дровяных печах, от которых до сих пор зависят 2 миллиарда человек. Солнечные плиты обеспечивают более чистый и безопасный способ дезинфекции воды и приготовления пищи.

Солнечная энергия дополняет другие возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра или гидроэлектроэнергия.

Дома или предприятия, установившие успешные солнечные панели, могут производить избыточное электричество. Эти домовладельцы или владельцы бизнеса могут продавать энергию обратно поставщику электроэнергии, сокращая или даже устраняя счета за электроэнергию.

Недостатки
Основным препятствием для использования солнечной энергии является необходимое оборудование. Солнечное технологическое оборудование стоит дорого. Покупка и установка оборудования может стоить десятки тысяч долларов для отдельных домов. Хотя правительство часто предлагает сниженные налоги для людей и предприятий, использующих солнечную энергию, а технология позволяет сократить счета за электроэнергию, первоначальная стоимость слишком велика для многих, чтобы ее учитывать.

Солнечное энергетическое оборудование тоже тяжелое. Чтобы модернизировать или установить солнечные панели на крыше здания, крыша должна быть прочной, большой и ориентированной на путь солнца.

Как активные, так и пассивные солнечные технологии зависят от факторов, которые мы не можем контролировать, таких как климат и облачный покров. Необходимо изучить местные районы, чтобы определить, будет ли солнечная энергия эффективной в этом районе.

Солнечный свет должен быть обильным и постоянным, чтобы солнечная энергия была эффективным выбором. В большинстве мест на Земле изменчивость солнечного света затрудняет его использование в качестве единственного источника энергии.

Краткий факт

Агуа Калиенте
Солнечная электростанция Агуа Калиенте в Юме, штат Аризона, представляет собой крупнейший в мире комплекс фотоэлектрических панелей. Агуа-Кальенте имеет более 5 миллионов фотоэлектрических модулей и производит более 600 гигаватт-часов электроэнергии.

Краткий факт

Зеленый Чикаго
Парк Миллениум в Чикаго, штат Иллинойс, имеет одну из самых обширных зеленых крыш в мире почти 100 000 квадратных метров (более миллиона квадратных футов). Растительность на уровне земли занимает 24,5 акра подземной парковки и включает в себя сады, места для пикников и открытый концертный зал.

Краткий факт

Солнечное десятиборье
Солнечное десятиборье — это международное мероприятие, проводимое два раза в год Министерством энергетики США. Команды соревнуются в том, чтобы спроектировать, построить и эксплуатировать самый привлекательный, эффективный и энергоэффективный дом на солнечной энергии. В 2011 году конкурс выиграла команда из Университета Мэриленда, а следующее Солнечное десятиборье состоится в 2013 году.0183

Видео National Geographic: водонагреватели на солнечной энергии

Статья

Энергетическая комиссия Калифорнии: Energy Quest — Solar Energy Департамент энергетики: SolarNational Geographic Environment: Solar EnergyLet’s Go Solar: Women in Solar

1.

Солнце дает энергию

Версия на испанском языке
также доступна »

Учение об энергии Солнца поддерживается пятью ключевыми понятиями:

а. Солнечный свет, достигающий Земли, может нагревать землю, океан и атмосферу. Часть этого солнечного света отражается обратно в космос поверхностью, облаками или льдом. Большая часть солнечного света, достигающего Земли, поглощается и нагревает планету.

Есть еще 4 основных понятия. Посмотреть их все…

Скрыть

b. Когда Земля излучает столько же энергии, сколько поглощает, ее энергетический баланс находится в равновесии, а ее средняя температура остается стабильной.

в. Наклон оси Земли относительно ее орбиты вокруг Солнца приводит к предсказуемым изменениям продолжительности дневного света и количества солнечного света, получаемого на любой широте в течение года. Эти изменения вызывают годовой цикл сезонов и связанные с ними изменения температуры.

д. Постепенные изменения вращения Земли и орбиты вокруг Солнца меняют интенсивность солнечного света, получаемого в полярных и экваториальных регионах нашей планеты. По крайней мере, в течение последнего миллиона лет эти изменения происходили в виде 100 000-летних циклов, которые порождали ледниковые периоды и более короткие теплые периоды между ними.

эл. Значительное увеличение или уменьшение выхода солнечной энергии приведет к тому, что Земля нагреется или остынет. Спутниковые измерения, проведенные за последние 30 лет, показывают, что выход солнечной энергии изменился незначительно и в обоих направлениях. Считается, что эти изменения солнечной энергии слишком малы, чтобы быть причиной недавнего потепления, наблюдаемого на Земле.

Энергия Солнца управляет климатической системой

Солнце нагревает планету, управляет гидрологическим циклом и делает возможной жизнь на Земле. Количество солнечного света, поступающего на поверхность Земли, зависит от отражательной способности поверхности, угла наклона солнца, выхода солнца и циклических изменений орбиты Земли вокруг Солнца.

Основы науки о солнечной энергии и роли, которую она играет для климата Земли, могут понять ученики средней школы, но сложности энергетического баланса Земли остаются областью активных научных исследований. Таким образом, эта тема одновременно и элементарна, и сложна.

Этот принцип связан с Принципом Энергетической Грамотности 2: Физические процессы на Земле являются результатом потока энергии через систему Земли.

Покажите учащимся основы механики климатической системы

Понимание роли солнечной радиации в климатической системе Земли может помочь нам усвоить такие важные понятия, как:

Причины смены времен года.
На этом рисунке показан наклон земной оси, который вызывает смену времен года. (Примечание: расстояние и диаметр НЕ масштабируются.)
Показать краткое объяснение
Скрыть
Времена года вызваны наклоном оси Земли. Наклонная ось означает, что северная и южная части Земли не получают одинакового количества солнечной радиации (энергии на единицу площади). Когда южное полушарие наклонено к солнцу, в южном полушарии лето, а в северном – зима. (Принцип 1с)
Причины возникновения ледниковых периодов.
Показать краткое пояснение
Скрыть
Ледниковые периоды были вызваны изменениями в распределении солнечной радиации, получаемой по поверхности Земли. Путь земной орбиты непостоянен. Изменения орбитального пути Земли вызывают изменение солнечного излучения, достигающего любой точки на поверхности Земли. (Принцип 1d)
Как количество энергии, излучаемой солнцем (светимость солнца), изменяется с течением времени.
Показать краткое объяснение
Скрыть
Солнечная энергия непостоянна. Его светимость (общая энергия, излучаемая солнцем) увеличилась за геологическое время и немного меняется в более коротких временных масштабах.
Почему недавнее потепление климата не было вызвано увеличением выработки солнечной энергии.
Показать краткое объяснение
Hide
Выход солнечной энергии за последние десятилетия изменился недостаточно, чтобы объяснить повышение температуры, наблюдаемое в то же время. (Принцип 1е)
Большинство форм энергии, используемых людьми, получают из солнечной энергии.
Показать краткое объяснение
Скрыть
Многие формы энергии, которые люди используют, в конечном счете получают из солнечной радиации, например, продукты питания, углеводороды (такие как нефть и природный газ), энергия ветра, гидроэлектроэнергия и, конечно же, солнечная энергия.

Помочь учащимся понять эти идеи

Показать подпись

Скрыть

На этом рисунке показаны изменения орбиты Земли (так называемые циклы Миланковича) за 1 000 000 лет и их влияние на солнечное воздействие. Нижняя кривая показывает циклы недавних ледниковых периодов.

В большинстве программ и стандартов естественнонаучного образования роль Солнца в обеспечении энергией Земной системы включена, но часто в разрозненной форме. Времена года и их роль в формировании сезонных погодных условий и миграции животных можно преподавать в начальной школе, а затем не возвращаться к ним в течение многих лет, если вообще.

Более того, учащиеся всех возрастов, включая студентов колледжей и взрослых, с трудом понимают, что вызывает смену времен года. В дополнение к осевому наклону факторы, которые играют роль в ментальных моделях людей, включают веру в то, что Земля вращается вокруг Солнца по вытянутой эллиптической траектории; путаница относительного размера, движения и расстояния Земли от Солнца; как путешествует свет; длина обращения Земли вокруг Солнца; и даже период вращения. Одна из стратегий смягчения этого распространенного заблуждения состоит в том, чтобы гарантировать, что «причины времен года» должным образом рассматриваются в старшей школе, когда учащиеся имеют достаточный опыт в геометрии и физике, чтобы понять концепции (McCaffrey & Buhr, 2008).

Показать заголовок

Скрыть

Количество солнечной энергии, получаемой Землей, следует естественному 11-летнему солнечному циклу небольших взлетов и падений без чистого увеличения с 1950-х годов. За тот же период глобальная температура заметно повысилась. Поэтому крайне маловероятно, что Солнце вызвало наблюдаемую тенденцию глобального потепления температуры за последние полвека. Изображение из НАСА.

Постоянное заблуждение заключается в том, что наше недавнее потепление климата связано с изменениями поступающей солнечной энергии, а не с увеличением выбросов парниковых газов. Это можно решить, изучив записи о солнечной энергии и сравнив их с глобальными данными о температуре. Данные ясно показывают, что солнечное излучение не коррелирует с температурой Земли.

Прекрасные объяснения этого можно найти в Skeptical Science: Sun and Climate: Moving in Opposite Directions и с графикой от Bloomberg: What’s Really Warming the World? Этот увлекательный график построен на основе данных НАСА и выходных данных модели.

Привнесите эти идеи в свой класс

Солнечное излучение является основной энергией, движущей нашей климатической системой, и почти все климатические и биологические процессы на Земле зависят от солнечной энергии. Энергия солнца необходима для многих процессов на Земле, включая нагревание поверхности, испарение, фотосинтез и атмосферную циркуляцию. Таким образом, изучение того, как солнце подпитывает различные процессы на Земле, может быть частью многих типов научных курсов. Многие из научных концепций, связанных с этим принципом, можно реализовать, поощряя сезонные наблюдения, участвуя в гражданских научных программах со студентами (таких как GLOBE) и периодически пересматривая основы того, как количество и интенсивность солнечной энергии влияет на климат Земли.

То, как солнечная энергия управляет климатической системой, можно изучать с самого базового уровня и выше с помощью самых сложных научных подходов.

Интеграция решений — Научные концепции, связанные с солнечным излучением, могут быть расширены за счет включения техники и технологии солнечной энергетики, включая солнечные печи, пассивное солнечное проектирование, солнечную тепловую энергию и солнечное электричество. Это может помочь повысить осведомленность об альтернативах использованию ископаемого топлива и создать форум для обсуждения решений проблемы изменения климата, которые может принять наше общество.

Учебные материалы из коллекции CLEAN

На этом рисунке показано, как белый лед отражает солнечный свет, а более темная океанская вода поглощает солнечный свет. Это называется альбедо или отражательная способность.

Средняя школа

Глобусы и другие физические модели можно использовать для демонстрации наклона земной оси и того, как это влияет на распределение солнечного света в разные времена года, например, в книге «Мой угол охлаждения: влияние расстояния и наклона».
Введение в климат Земли. Этот урок представляет собой введение в климат Земли и охватывает ключевые принципы, касающиеся уникального климата Земли, атмосферы, а также региональных и временных климатических различий.
Хотите приключений? Удивительное альбедо — это практическое занятие, которое включает в себя измерение температуры различных цветных поверхностей.

Старшая школа

Приложение «Климат: балансировка» позволяет учащимся регулировать параметры, влияющие на энергетический баланс Земли: поступающее солнечное излучение, эффект альбедо, парниковый эффект и исходящее излучение.
Учащиеся могут узнать, как орбитальные циклы и ледниковые периоды хорошо соотносятся с климатическим апплетом Циклы Миланковича.
Интерактивный инструмент визуализации This Seasons может стать основой для открытого исследования того, как солнечное излучение меняется в зависимости от местоположения и времени года.

Видео

The Solar Influence: Climate Change от Национальной академии может помочь подтвердить доказательства того, что солнечная активность , а не вызывает глобальное потепление.

Родственные педагогические методы:

— Преподавание неточных наук
— Использование подхода, основанного на истории Земли

Колледж

Тепловой баланс Земли — это практическая лабораторная работа, в ходе которой исследуется влияние расстояния и угла на поступление солнечной радиации, альбедо, теплоемкости земли и воды, а также влияние этих факторов на смену времен года.
В лаборатории Motions of the Sun используется анимированный симулятор, позволяющий учащимся манипулировать переменными, чтобы понять видимое движение солнца в небе.
Наблюдайте за изменениями на орбите Земли, которые способствуют изменению климата. Эта анимированная визуализация циклов Миланковича может подготовить почву для более углубленного обсуждения климатических воздействий.
Количественный подход можно использовать с помощью этого пошагового введения в простую модель STELLA: Моделирование энергетического баланса Земли.
Моделирование раннего климата Земли с помощью GEEBITT помогает учащимся лучше познакомиться с физическими процессами, которые сделали ранний климат Земли таким отличным от современного.

Найдите упражнения и наглядные материалы для преподавания этой темы

Поиск по уровню обучения: средняя школа средняя школа введение колледж старшие классы колледж поиск все уровни обучения

Ссылки

Какова роль Солнца в изменении климата? — НАСА предлагает удобочитаемый, но авторитетный взгляд на то, почему солнечная активность, солнечные циклы и солнечные пятна не связаны с сегодняшним потеплением климата. У НАСА есть соответствующий пост, который развенчивает миф о надвигающемся ледниковом периоде.
Солнце и климат: движение в противоположных направлениях На этой странице веб-сайта Skeptical Science даны четкие ответы на распространенные вопросы и неверные представления об изменении климата.
Что на самом деле согревает мир? — На этом анимированном графике сравниваются различные факторы, воздействующие на климат Земли. Климатические изменения, вызванные изменением орбиты, светимостью Солнца и вулканическими выбросами, сравниваются с эффектом выбросов парниковых газов. Графика очень привлекательна, а данные получены из Института космических исследований имени Годдарда НАСА (GISS).
McCaffrey & Bur, 2008: Разъяснение климатической путаницы. — Статья в журнале Physical Geography о распространенных заблуждениях в науке о климате.

Дополнительные ресурсы

Видео об этом Принципе

Инклюзивное учебное пособие по климату

См.
Энергия солнца поддерживается за счет чего: «Солнце – это единственный основной источник энергии и жизни на Земле»: Интервью ко Всемирному дню Солнца