Энергия солнца поддерживается за счет чего: Энергия Солнца поддерживается за счет: — magazinakb.ru

Содержание

КСЕ Тесты с ответами Темы 1-10

Для быстрого поиска по странице нажмите Ctrl+F и в появившемся окошке напечатайте слово запроса (или первые буквы)

Тема 1. Естествознание в мировой культуре

Естествознание – это:

+Отрасль научного познания

Отрасль народного хозяйства

Сфера социальных отношений

Главная особенность науки – это её:

Регулирования со стороны идеологизированного руководства

Подчинение религиозным догмам положение

Зависимость от личности исследователя

+Объективность

На фундаментальную и прикладную подразделяется наука:

+Физика

Металлургия

География

Агрономия

Наука – это:

+Компонент духовной культуры

Элемент практического преобразования мира

Элемент материально-предметного освоения мира

Результат обыденного, житейского знания

Проблемы нравственной ответственности учёного сегодня относятся к области формирования:

+Научной культуры

Методологии научного исследования

Связи между наукой и обществом

Связи между наукой и производством

Друзья, более 600 собак Воронежского приюта Дора https://vk.

com/priyt_dora очень нуждаются в поддержке! Приют бедствует, не хватает средств на корм и лечение. Не откладывайте добрые дела, перечислите прямо сейчас любую сумму на «Голодный телефон» +7 960 111 77 23 или карту сбербанка 4276 8130 1703 0573. По всем вопросам обращаться +7 903 857 05 77 (Шамарин Юрий Иванович)

Тема 2. История естествознания

Первой в истории наук физическая картина мира была:

Метафизическая

Квантово-полевая

Электромагнитная

+Механическая

Впервые идея о единстве материальной основе окружающего мира была выдвинута:

+Древнегреческими философами Милетской школы

Древнегреческими философами Элейской школы

Древнеиндийскими мудрецами

Древнекитайскими мудрецами

Исходной основой всех знаний о природе в древности являлись знания:

Биологические

Химические

Медицинские

+Физические

Материалистическая трактовка физической картины мира характерна для:

A. Эйнштейна и В. Гейзенберга

Э. Шредингера и А. Эйнштейна

+М. Планка и А. Эйнштейна

B. Гейзенберга и Э. Шредингера

Физическая картина мира:

+Занимает доминирующее положение в естественнонаучной картине мира

Является необязательной составляющей частью общей картины мира

Является необходимой, но не определяющей частью общей картины мира

Является наименее существенной частью общей картины мира

Тема 3. Структурные уровни организации материи и естественнонаучная картина мира

Современная естественнонаучная картина мира основана, главным образом, на науке:

Биологии

Агротехнике

Химии

+Физике

В основу современной естественно-научной картины мира положены:

постулаты священных книг мировых религии

законы классической механики И.

Ньютона

геоцентрическая модель Аристотеля — Птолемея

+принципы релятивистской физики А.Эйнштейна, квантовой теории, эволюционистские
идеи синергетики

Порядок и уровни организации материи имеют структуру:

линейную

циклическую

+иерархическую

круговую

Что является предметом (объектом) изучения в естествознании?:

человек и его отношения с окружающей средой

объекты живой природы и законы их развития

+различные виды материи и формы их движения, их связи и закономерности

объекты неживой природы и законы их взаимодействия

Какой из перечисленных уровней относится к уровню организации живой материи:

популяционно-видовой

психологический

молекулярный

+организменный

Тема 4. Физические концепции естествознания

Эвард Уиттен – автор теории:

+Суперструн

Квантов

кварков

Большого взрыва

Время в понимании теории относительности – это:

Способность человека переживать и упорядочивать события одно за другим

Доопытная форма восприятия, получаемая человеком при рождении

+Четвёртая координата движения тела

Последовательность, происходящих в материальных вещах

К свойствам времени не относится:

+Единство метрических и топологических свойств

Необратимость

Длительность

Асимметрия

Пространство в понимании современной физики – это:

+Атрибут материи, определяемый связями и взаимосвязями движения тел

Пустота, в которой находятся различные тела

Свойство человеческого сознания упорядочивать предметы определять место одного рядом с другим

Вечная категория сознания, врождённая как форма чувственного созерцания

К свойствам пространства не относится:

+Необратимость

Непрерывность

Протяжённость

Прерывность

Тема 5.

Мегамир: современные астрофизические и космологические концепции

Источники космического радиоизлучения с очень большой стабильностью периода – это:

+Пульсары

Чёрные дыры

Квазары

Рентгензвёзды

Энергия Солнца поддерживается за счёт:

Ядерного излучения

Распада радиоактивных элементов

Бета-распада

+Термоядерного синтеза

Влияние Солнца на Землю не проявляется:

+В вулканической деятельности

В ионизации газов в атмосфере

В приливах и отливах морей и океанов

В магнитных бурях в магнитосфере

Сверхмощные источники энергии во Вселенной с признаками явной нестабильности – это:

+Квазары

Белые карлики

Чёрные дыры

Пульсары

Наша Галактика относится к типу Галактик:

Крабовидных

Эллиптических

Неправильных

+Спиралевидных

Тема 6.

Химия и ее роль в развитии естественнонаучных знаний

Происхождение названия «химия» связано с:

+Египтом

Индией

Китаем

Шумером

97% массы земной коры составляет:

+Силикат

Алюминий

Кислород

Железо

Электрически заряженные частицы, появляющиеся в процессе электролиза – это:

Макромолекулы

+Ионы

Радикалы

Молекулы

К органогенам относятся:

Натрий

Кальций

Медь

+Фосфор

Строение и свойства молекул химических соединений; превращение веществ; условия протекания химических реакций – изучает:

+Физическая химия

Неорганическая химия

Органическая химия

Химическая физика

Тема 7. Биология в современном естествознании

Для живых организмов нехарактерно:

Деление и отпочкование

Метаболизм

Способность обмена с окружающей средой

+Закрытость системы

Силовыми станциями клетки являются:

+Митохондрии

Ядра

Лизосомы

Рибосомы

Образование живыми растительными клетками органических веществ называется:

+Фотосинтезом

Хлоропластом

Хемосинтезом

Органическим синтезом

Совокупность особей одного вида, имеющих единый генофонд и занимающих единую территорию, называется:

+Популяцией

Биогеоценозом

Биосферой

Биоценозом

Единица строения и жизнедеятельности живого организма – это:

Ткань

Молекула

Атом

+Клетка

Тема 8. Человек как предмет естественнонаучного познания

До конца XIX века возникновение жизни понималось как:

+Самозарождение

Направленная панспермия

Формирование биотонических законов

Ненаправленная панспермия

С точки зрения астрономов Ф.Хойла и Ч.Викрамасигха, споры жизни разносятся:

Астероидами

Метеоритами

+Кометами

Космической пылью

Французский палеонтолог и теолог Тейяр де Шарден считает, что человек является:

+Осью и вершиной эволюции

Разрушительным фактором в жизни космоса

Случайным звеном в цепи жизни Вселенной

Обезьяной Бога

Сильная версия антропного принципа заключается в том, что признаются следующие положения:

Человек раскрывает изначальные смыслы существования Вселенной

+Человек занимает уникальное, выделенное место в Галактике

Человек — наблюдатель-участник реального существования Вселенной

Само возникновение Вселенной детерминировано существованием человека

По К. Э.Циолковскому, человечество перейдёт в волновую «лучистую» фору бытия в эру:

Рождения

+Терминальную

Расцвета

Становления

Тема 9. Концепция самоорганизации в науке

Согласно второму началу термодинамики, с течением времени в замкнутой изолированной системе энтропия должна:

+Возрастать

Исчезнуть

Убывать

Стабилизироваться

Синергетика – это наука о превращении:

Порядка — в хаос

Сложных систем в простые

Простых систем в сложные

+Хаоса — в космос

Термин «синергетика» был введён в связи с исследованием:

+Неравновесных фазовых переходов лазера

Реакции «химические часы»

Согласованных действий нервной системы при мышечных движениях

Сотрудничества оператора с компьютером

И. Р. Пригожин открыл самоорганизацию макросистем в виде:

+Диссипативных структур

Нестационарных, нелинейных систем

Открытых каталитических систем

Концентрированных автоволн

А.П. Руденко считает элементарной каталитической системой результат:

Увеличения скорости химической реакции

Постоянного потока извне новых реактивов

+Химического взаимодействия катализатора в реагентами

Ориентирования реакции в одном направлении

Тема 10. Естественнонаучные аспекты экологии и техносферы

Первое систематическое описание более 500 видов животных дал:

Гумбольд

Ламарк

Линней

+Аристотель

Ж. Кювье полагал, что:

На земле постоянно появляются новые формы жизни

Животные существовали на Земле с момента её появления

Орган животного изменяется под влиянием окружающей среды, не влияя на изменения других органов

+Периодически происходят глобальные катастрофы

Естественный отбор, по Ч. Дарвину, — это:

Изменение организмов под влиянием внешней среды

Сохранение и передача полезных признаков следующим поколениям

Случайный отбор признаков в каждом организме

+Процесс избирательного уничтожения одних особей и преимущественного размножения других

Элементарная структура эволюции, по современным представлениям, — это:

+Популяция

Клетка

Организм

Биоценоз

Ч. Дарвин дал научное объяснение эволюции живой природы в работе:

«Роль труда в процессе превращения обезьяны в человека»

+«Происхождение видов путём естественного отбора»

«Выражение эмоций у человека и животных»

«Происхождение человека и половой отбор»

Источник энергии Солнца и звёзд

Подробно:

Запасы солнечной энергии

Из года в год Солнце с огромной интенсивностью излучает свет и тепло – а значит и энергию – в космическое пространство. Как давно это происходит и как долго будет продолжаться? Будет ли мощность солнечного излучения уменьшаться со временем и всё живое на Земле постепенно замерзнет? Или же сила солнечного света медленно возрастает и земная жизнь прекратится, когда закипя́т океаны? С тех пор как люди стали изучать Солнце, они вплоть до сегодняшних дней с помощью самых совершенных приборов не смогли заметить сколько-нибудь существенных изменений интенсивности солнечного излучения со временем.

Энергетические запасы Солнца не могут быть бесконечно большими. Солнце имеет конечные размеры, оно содержит конечное количество вещества. В результате излучения масса Солнца уменьшается на 4,3 млн тонн в секунду. Мы можем определить массу Солнца по силе его гравитационного притяжения. Земля и другие планеты движутся вокруг Солнца по замкнутым орбитам, причем притяжение солнечной массы действует на каждую планету с силой, которая равна центробежной силе, стремящейся увести планету с орбиты. Из условий такого равновесия сил можно определить силу притяжения Солнца, а значит, и его массу. Масса Солнца, выраженная в тоннах, представляет собой 28-значное число (1,989*10³⁰ кг). В этой солнечной массе запасена́ энергия, от которой зависит наша жизнь. Если разделить мощность солнечного излучения на его массу, то окажется, что каждый грамм солнечной массы теряет за год примерно 6 джоулей энергии. На первый взгляд это не слишком много, если вспомнить, что каждый грамм человеческого тела излучает в день в тысячу раз бо́льшую энергию. Однако человек восполняет такие энергетические потери за счёт питания, в то время как Солнце вот уже миллиарды лет черпает энергию из самого́ себя.

Поиск источника энергии Солнца

Что же является источником энергии, который позволяет Солнцу светить так долго и так ярко? Могут ли служить таким источником химические превращения? Возьмем для примера наиболее простой химический процесс — горение. Если бы Солнце полностью состояло из каменного угля, то энергии горения этого угля́ хватило бы на поддержание нынешнего солнечного излучения в течение примерно 5000 лет. Но Солнце светит уже многие миллиарды лет. Если бы в «солнечной печи» сжигали уголь, то она давно бы уже потухла. Другие химические процессы слабо отличаются от горения: они тоже не дают достаточной энергии, чтобы обеспечить излучение Солнца.

К концу 19 столетия были проделаны многочисленные исследования, авторы которых пытались найти источник энергии Солнца. Поскольку химических процессов на Солнце явно недостаточно, то возникал вопрос, не может ли Солнце разогреваться за счет внешних источников. В нашей Солнечной системе имеется множество небольших твердых тел, которые перемещаются между орбитами планет — так называемых метеоритов. Мы знакомы с ними по появлению «падающих звёзд». Такая «звезда» загорается на небе, когда метеорит влетает в земную атмосферу и, разогреваясь от трения, начинает ярко светиться. Некоторые метеориты не полностью сгорают в атмосфере, их остатки падают на Землю. Многие такие метеориты можно увидеть сегодня в музеях. Солнце из-за своего чрезвычайно большого гравитационного притяжения должно особенно сильно «бомбарди́роваться» метеоритами, с огромной скоростью прилета́ющими из нашей Солнечной системы. При падении метеорита на Солнце энергия его движения должна переходить в тепло. Может быть, это тепло и обеспечивает солнечное излучение? Метеориты, падающие на поверхность Солнца, должны приносить примерно 190 миллионов джоулей энергии на каждый грамм своей массы. Однако, чтобы обеспечить излучение Солнца, на него в течение года должно падать столько метеоритов, что их масса составит около сотой части массы Земли. Такое увеличение количества солнечного вещества было бы заметным, поскольку при этом увеличивалась бы сила гравитационного притяжения Солнца, а значит, изменялась бы и скорость движения Земли по орбите. Поэтому продолжительность года за последние 2000 лет должна была заметно уменьшиться. Однако данные о восходах и заходах Солнца и Луны известны с древнейших времен. И никаких заметных изменений в движении нашей планеты вокруг Солнца за это время не произошло. Поэтому «метеоритную гипотезу» пришлось отвергнуть. Солнце разогревается не за счет метеоритной бомбардировки поверхности.

Другим источником энергии Солнца может быть, в принципе, гравитационное взаимодействие между частицами его вещества. На такую возможность указывал ещё в прошлом веке Герман фон Ге́льмгольц, необычайно разносторонний учёный-физик и врач. Если бы в недрах Солнца не было никакого другого источника энергии, то с течением времени Солнце постепенно сжима́лось бы. Его диаметр становился бы всё меньше и меньше, а каждый грамм солнечного вещества постепенно приближался бы к центру Солнца (в самом грубом приближении — с постоянной скоростью). Как и при падении метеоритов на Солнце, при этом процессе должна выделяться энергия, однако солнечное вещество «падает» — в отличие от метеоритов — «само в себя». Поэтому масса Солнца и его воздействие на Землю не будут изменяться. Однако расчеты показывают, что этот процесс мог поддерживать существующую светимость Солнца примерно десять миллионов лет — в 100 раз меньше срока, в течение которого светит наше Солнце. Таким образом, собственная гравитация тоже не может объяснить излучение Солнца.

Примечание:
Здесь мы должны заметить, что до сегодняшних дней существуют альтернативные гипотезы строения Солнечной системы и Солнца, с одной из них мы познакомимся позже на нашем сайте, после изучения классической теории.

Атомная энергия Солнца и звёзд

Атомные и ядерные реакции

Сегодня мы знаем, что атомные и ядерные реакции служат наиболее мощными из известных источников энергии. Заметная часть электроэнергии вырабатывается сегодня на атомных электростанциях. В реакторах этих электростанций тяжелые я́дра атомов урана распадаются на я́дра более легких элементов. При таком распаде освобождается энергия. Ещё больше энергии выделяется при ядерных реакциях, в которых легкие я́дра объединяются в более тяжелые. Одной из таких реакций является слияние я́дер водорода.

Солнце, как и почти все звёзды, состоит в основном из водорода. Естественно возникает вопрос, может ли светимость Солнца поддерживаться за счет ядерных реакций слияния водорода в его недрах? Но прежде чем убедиться, что Солнце, а следовательно и мы, обязаны своей жизнью ядерным реакциям, попытаемся понять, что следует из предположения о том, что Солнце и звёзды существуют за счет превращения атомов водорода в атомы гелия, а освобождающаяся энергия поддерживает свечение звёзд.

Пусть атомные я́дра одного грамма водорода превратятся в я́дра гелия, тогда из этого грамма вещества освободится 630 миллиардов джоулей энергии: в 20 миллионов раз больше, чем при сгорании такой же массы каменного угля. Таким образом, ядерная энергия Солнца позволяет ему существовать в 20 миллионов раз дольше, чем если бы Солнце получало свою энергию за счет сжига́ния угля. Это означает, что продолжительность жизни Солнца составляет около 100 миллиардов лет. Наконец мы нашли источник энергии, который может поддерживать светимость Солнца в течение миллиардов лет: это ядерная энергия, освобождающаяся при превращении водорода в гелий. Энергия, запасённая в водороде нашего Солнца, позволяет ему светить целых 100 миллиардов лет. На самом деле эта оценка завышена, поскольку Солнце состоит из водорода лишь примерно на 70%, а следовательно, оно содержит меньше ядерного «горючего», чем мы предполагали. Далее мы увидим, что ядерная реакция в недрах звёзд начинает затухать, уже когда израсходовано 10-20% всего водорода. Отсюда следует, что Солнце может существовать примерно семь миллиардов лет. Это тоже достаточно большой срок, и Земля (если на ней ещё будет существовать жизнь) ещё очень долго будет освещаться лучами Солнца.

Уважаемые посетители!

У вас отключена работа JavaScript. Включите пожалуйста скрипты в браузере, и вам откроется полный функционал сайта!

20 секунд при 100 млн градусов

Южнокорейский токамак KSTAR установил мировой рекорд: учёным удалось удержать плазму с температурой ионов более 100 млн градусов Цельсия в магнитном поле в течение 20 секунд. Об этом объявил исследовательский центр KSTAR в Корейском институте термоядерной энергии (KFE) совместно с Сеульским национальным университетом (SNU) и Колумбийским университетом США.

Credit: National Research Council of Science & Technology

Для сравнения — новый китайский токамак HL-2M теоретически позволит разогревать плазму до 150 млн градусов, но удержать её будет способен только около 10 секунд. Экспериментальный термоядерный реактор KSTAR функционирует с 2008 года и выступает одной из немногих установок в мире, обладающих полностью сверхпроводящими магнитными катушками (они выполнены из станнида триниобия и ниобий-титана и охлаждаются до температуры 4 кельвина). Физики, работающие с этим токамаком постоянно увеличивают время удержания и температуру плазмы. Например, в прошлом году им удалось достичь только 8 секунд, а в эксперименте 2018 года KSTAR впервые достиг температуры ионов плазмы 100 млн градусов при времени удержания 1,5 секунды.

Jong-Kyu Park, Princeton Plasma Physics Laboratory

Чтобы на Земле воссоздать термоядерные реакции, которые происходят на Солнце, изотопы водорода должны быть помещены внутрь реактора вроде KSTAR, который позволяет довести вещество до состояния плазмы — в нём ионы и электроны разделены, а ионы нагреваются и поддерживаются при высоких температурах.

До сих пор другие термоядерные реакторы кратковременно удерживали плазму при температуре 100 млн градусов или выше. Ни один из них не преодолел барьер, позволяющий поддерживать операции в течение 10 и более секунд. Это предел работы устройства с нормальной проводимостью, и было трудно поддерживать стабильное состояние плазмы в термоядерном реакторе при столь высоких температурах в течение относительно длительного времени. Чтобы добиться этого, исследователи в своих экспериментах улучшили показатели режима с внутренним транспортным барьером (ITB, Internal Transport Barrier).

Директор Исследовательского центра KSTAR в KFE Си-Ву Юн (Si-Woo Yoon) считает достижение важной вехой к обузданию энергии плазмы на пути к созданию в будущем коммерческого термоядерного реактора. Ожидается, что в 2021 году будет произведена замена углеродных внутрикамерных элементов токамака на вольфрамовые. И к 2025 году учёные надеются добиться на KSTAR удержания плазмы в течение 300 секунд.

Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

Ядерные реакции в звездах

Ядерные реакции в звездах. Время излучения звезд за счет гравитационного сжатия не превышает 5·10⁹ лет для всех звезд в наблюдаемом интервале масс. Процесс гравитационного сжатия звезды с повышением температуры будет продолжаться до тех пор пока температура в центре звезды не поднимется до 10⁷ K. Гравитационное сжатие будет остановлено начавшейся ядерной реакцией горения водорода. Масса ядра водорода составляет 1.0073 атомных единиц массы (а.е.м.), масса ядра гелия 4.0015 а.е.м. При образовании одного ядра гелия путем слияния четырех ядер водорода дефект массы составляет ΔM = 0.0277 а.е.м., что соответствует высвободившейся энергии

ΔE = c²ΔM = 4.1·10^-5 эрг.

Если считать, что Солнце состоит только из водорода и в результате ядерной реакции 4p → ⁴He (рис.14) происходит полное сгорание водорода и превращение его в гелий, полная выделившаяся при этом энергия составляет E_ядерн = 1. 3·10⁵² эрг. Учитывая светимость Солнца (L = 4·10³³ эрг/с), получим, что при современном темпе сгорания водорода за счет ядерного источника Солнце способно излучать 100 млрд лет

(T_ядерн) = 1.3·10⁵² эрг/ 4·10³³ эрг/c ≈ 3·10¹⁸ с = 10¹¹ лет.

    На самом деле горение водорода с образованием гелия происходит в ограниченной центральной области Солнца. В результате потери энергии на излучение ежесекундно масса Солнца уменьшается на 4.3 млн тонн.
    При сгорании водорода температура ядра звезды остается относительно постоянной и составляет примерно 10⁷ K. Звезда находится в состоянии квазистатического равновесия, при котором энергия, высвобождаемая в термоядерных реакциях, компенсирует потери энергии на излучение с поверхности звезды. Звезда будет устойчива, когда уравновешиваются противодействующие эффекты гравитации и стремления горячих газов к расширению.
    Рассмотрим, что будет происходить со звездой, если температура внутри неё внезапно начнет увеличиваться или уменьшаться. Если температура в центре звезды начнет увеличиваться, то там будет вырабатываться больше энергии, чем излучается с поверхности. При этом давление внутри звезды повышается и она начнет расширяться. Увеличение размеров звезды приведет к тому, что скорость протекания термоядерных реакций уменьшится и температура в центре звезды начнет падать. И, наоборот, если поверхность звезды охлаждается быстрее, чем вырабатывается энергия в звезде, то звезда начнет сжиматься и скорость протекания ядерных реакций увеличивается. Процесс стабилизации температуры звезды на этой стадии её эволюции происходит таким образом, что вырабатываемая в результате термоядерных реакций энергия, излучается без каких-либо резких изменений.
    В стадии квазистатического равновесия в каждой точке звезды вес внешних слоев уравновешивается газовым и световым давлением. Таким образом, начавшаяся термоядерная реакция сразу же прекращает дальнейшее сжатие звезды и она обретает стабильные размеры и светимость, которые для звезды с массой Солнца практически не меняются в течение нескольких млрд лет. Время достижения главной последовательности и время жизни на главной последовательности для звезд различной массы приведены в табл. 7.

Таблица 7

Время достижения главной последовательности и время жизни на главной последовательности звезд различной массы

M/M	Время достижения главной последовательности, лет	Время жизни на главной последовательности, лет
15	6.2·10⁴	1.0·10⁷
9	1.5·10⁵	2.2·10⁷
5	5. 8·10⁵	6.8·10⁷
3	2.5·10⁶	2.3·10⁸
2.25	5.9·10⁶	5.0·10⁸
1.5	1..8·10⁷	1.7·10⁹
1.25	2.9·10⁷	3.0·10⁹
1.0	5.0·10⁷	8.2·10⁹
0. 5	1.5·10⁸	5.0·10¹⁰

    Передача энергии из глубины звезды, где вещество существует в виде горячей плазмы, во внешние слои происходит благодаря двум основным механизмам:
    1. В результате конвективного движения более горячее вещество из центральной части звезды, расширяясь, перемещается во внешние менее плотные слои.
    2. Фотоны, испускаемые атомами, находящимися в возбужденном состоянии, поглощаются другими атомами и вновь излучаются. Такой процесс происходит многократно. При этом энергии фотонов уменьшаются за счет каскадных переходов и существенно возрастает время их диффузии во внешние слои. Так, например, в случае Солнца время диффузии с переизлучением квантов, образовавшихся в центре Солнца, к периферии составляет ~ 60 млн лет.
    Какой из этих двух механизмов важнее, зависит от условий внутри звезды. В звездах малой массы в центре звезды преобладает перенос энергии за счет излучения, а в оболочке происходит конвективный процесс. В очень массивных звездах в сердцевине преобладает конвекция, а на периферии — излучение. Так в случае звезд с M > 2M на стадии CNO — цикла основной механизм передачи энергии в центре — конвекция. По мере уменьшения давления увеличивается длина свободного пробега фотона и основную роль начинает играть механизм передачи энергии за счет излучения.
    Из-за не очень сильной температурной зависимости pp-цикла ядро Солнца лучистое. Во внутренней области Солнца при температурах 10⁶ — 10⁷ K атомы водорода и гелия ионизованы. Во внешних областях, где температура падает до 10⁴ — 10⁵ K, атомы уже могут находиться в нейтральном состоянии. Происходит изменение механизма передачи энергии. Атом водорода может эффективно поглощать фотоны, переходя в ионизованное состояние, и вновь излучать их, становясь нейтральным. Поэтому увеличивается вероятность захвата фотонов и возрастает роль конвективного механизма передачи энергии. Конвекция вещества внутри звезды играет существенную роль в протекании ядерных реакций, так как происходит эффективное перемешивание слоев звезды, имеющих различный химический состав.
    Ядерные реакции, протекающие в звездах при сверхвысоких температурах, имеют ряд особенностей. В обычных условиях заряженная частица, обладающая достаточной энергией для того, чтобы произошла ядерная реакция, двигаясь в среде, быстро теряет свою энергию на возбуждение и ионизацию атомов среды. Потеряв энергию, заряженная частица не в состоянии преодолеть кулоновский барьер. Поэтому даже для достаточно энергичных заряженных частиц эффективность ядерного взаимодействия оказывается низкой из-за потерь энергии на ионизацию.
    При высоких температурах звездная материя ионизована и поэтому потери энергии на ионизацию и возбуждение атомов отсутствуют.
    Следующая особенность протекания реакций в звездах обусловлена распределением ядер по скоростям. Если звезда имеет температуру около 10⁷ K, то средняя энергия ядер E_ср = 3/2 kT ~ 1 кэВ мала по сравнению с высотой кулоновского барьера даже для самых легких ядер ( ~ 10³кэВ). Однако, в системе, находящейся в термодинамическом равновесии, имеются ядра, энергия которых значительно превосходит E_ср (число их можно оценить, исходя из распределения Максвелла). Это, наряду с эффектом квантовомеханического туннелирования для основной части ядер, имеющих энергию ниже высоты кулоновского барьера, приводит к тому, что реакции в звездах могут протекать при значительно более низких температурах.

Рис. 11. Зависимость от энергии числа ядер в звездах n, эффективного сечения ядерной реакции σ, а также их произведения nσ

Произведение максвелловского распределения n(E) на скорость протекания ядерной реакции, пропорциональную её эффективному сечению σ(E), имеет максимум, отвечающий ядрам, с наибольшей вероятностью вступающим в ядерную реакцию (рис.11).
Этот максимум для многих термоядерных реакций лежит в районе E₀> 10 kT. Скорость протекания термоядерной реакции r_aA в звездах (число актов реакции слияния в единицу времени в единице объема) между частицами a и A описывается выражением:

r_aA= ρ_a·ρ_A ·w_aA (T)

(8)

где ρ_a, ρ_A — плотности частиц a и A, вступающих во взаимодействие; w_aA — зависящая от температуры вероятность реакции. Последняя равна произведению эффективного сечения реакции σ_aA и относительной скорости v взаимодействующих частиц, усредненному по максвелловскому распределению:

Эта величина называется удельной скоростью термоядерной реакции (она совпадает с r_aA при
ρ_a= ρ_A= 1) и определяется из соотношения

где n(v) — распределение по относительным скоростям частиц a и A.
Эффективная энергия ядерных реакций E₀ в звездах зависит от температуры T, зарядов частиц, вступающих во взаимодействие, и приведенной массы этих частиц следующим образом:

(9)

Здесь заряды выражены в единицах элементарного заряда; T в единицах 10⁹ К; М — в а.е.м. (1 а.е.м. = 935.5 МэВ/c²≈ 1/66·10^-24 г). При малых энергиях столкновения и предположении, что частица и мишень окажутся в пределах действия ядерных сил, для σ_aA(E) можно использовать следующее выражение

σ_aA(E) = ²·P(E),

где — длина волны де Бройля налетающей частицы (² ~ 1/E), а P(E) — фактор кулоновской проницаемости Гамова:

P(E) = (E_G/E)^1/2exp[-(E_G/E)^1/2],

(10)

где E_G — энергия Гамова (), которая выражается в МэВ, если М — в а. е.м..
Обычно вводится слабо зависящая от энергии функция S(E), которая позволяет более точно экстраполировать величину сечений реакций, измеренных при более высоких лабораторных энергиях в пороговую область, т.е. к звездным условиям. Эта функция вводится следующим образом:

σ(E) = S(E)/Eexp[-(E_G/E)^1/2].

Отсюда следует, что

S(E) = E(E)exp(E_G/E)^1/2.

(11)

Сечения многих термоядерных реакций определены вплоть до довольно низких энергий ~ (5 — 10) кэВ. На основе этих данных получены функции S(E).
Удельная скорость ядерной реакции как функция температуры T (а также вид функции S(E)) существенно зависит от того, есть ли резонанс вблизи энергии сталкивающихся частиц или нет. Для нерезонансной реакции:

_нерез ~ S(E₀)T^-2/3exp(-3E₀/kT).

(12)

Для резонансной реакции:

_рез ~ S(E_рез)T^-3/2exp(-3E_рез/kT).

(13)

    Таким образом, для вычисления скорости ядерной реакции в звездах необходимо, помимо плотностей сталкивающихся частиц, знать:
    1) распределение температуры внутри звезды;
    2) эффективные сечения реакций вплоть до достаточно низких энергий взаимодействующих частиц, соответствующих температуре ~ 10⁷ K. Эта температура отвечает кинетической энергии ~ 1 кэВ.
    В звездах реакции между двумя ядрами происходят при их сближении до расстояний ~ 10^-13 см в результате туннелирования через кулоновский барьер. Для энергий столкновения ниже кулоновского барьера сечение ядерной реакции падает по экспоненциальному закону. Поэтому для надежных оценок скорости ядерных реакций в звездах необходимы измерения сечений ядерных реакций при энергии ниже кулоновского барьера, что является достаточно сложной экспериментальной задачей. Так, например, в настоящее время для имеющих важное значение ядерных реакций в звездах ⁷Be(p,γ), ²⁵Mg(p,γ), ¹²C(α,γ) сечения реакций измерены вплоть до энергий 120 кэВ, 190 кэВ и 1 МэВ, соответственно. Предел со стороны низких энергий определяется величиной космического фона. В то же время сечения для указанных реакций должны быть известны до энергии 19 кэВ, 39 кэВ и 300 кэВ, соответственно. Таким образом, в настоящее время единственная возможность для оценки величины сечения — это экстраполяция к низким энергиям. Однако, как показывает сравнение измеренных сечений с ранее полученными путем экстраполяции, отличие экспериментальных и экстраполированных значений достигает десятков и сотен раз. Необходимые для ядерной астрофизики результаты могут быть получены на сильноточных ускорителях, работающих при энергиях несколько десятков и сотен кэВ и расположенных в низкофоновых условиях (например, по аналогии с нейтринными измерениями, глубоко под Землей).
    Определенные трудности при оценке сечений реакций, протекающих в звездах, возникают также при учете эффекта экранирования. Должны быть учтены два основных эффекта прежде, чем использовать экспериментальные результаты, полученные на ускорителях, применительно к звездному веществу.
    Лабораторное экранирование. В случае экспериментов на ускорителе сталкиваются не голые ядра, а ядра-мишени и налетающие ядра, имеющие электронные оболочки, т. е. сталкивается атом с ионизованным атомом, в то время как в звездах атомы полностью ионизованы. Наличие электронной оболочки сильно искажает кулоновское поле, что существенно при низких звездных энергиях сталкивающихся частиц.
    Экранирование в астрофизической плазме. В ядерной реакции, происходящей в звездной среде, необходимо учесть эффекты поляризации ионизованной звездной материи. Окружающие сталкивающиеся ядра электроны и соседние ионы приводят к изменению кулоновского поля сталкивающихся частиц. Так, расчеты показывают, что в углеродной плазме при плотностях ~ 10⁹ г/см³ и температурах ~ 10⁹ K сечение взаимодействия может измениться на фактор 10¹⁰ благодаря влиянию окружающих частиц.
    Чем больше заряды ядер, вступающих во взаимодействие, тем выше должна быть температура звездного вещества для того, чтобы реакция могла осуществляться. Таким образом, на начальной стадии звездной эволюции в ядерную реакцию могут вступать лишь легкие ядра — водород, гелий. Затем, по мере эволюции химического состава звезды, увеличения её внутренней температуры, в ядерные реакции будут вовлекаться все более тяжелые ядра. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока вещество в центре звезды не превратится в элементы, близкие к железу (A ~ 60). Это обусловлено тем, что удельная энергия связи ядер имеет максимум в районе A ~ 60 (см. рис. 3). Получение более тяжелых ядер за счет реакций синтеза происходит с поглощением энергии, а значит и снижения внутренней температуры звезды.
    Зная массу, радиус и светимость звезды, можно оценить зависимость давления, плотности и температуры от радиуса звезды. Важную роль в таких расчетах играет химический состав звездного вещества. Обусловлено это следующими причинами.
    1. Химический состав в значительной степени определяет прозрачность вещества и, следовательно, скорость, с которой выделяемая в центре звезды энергия будет достигать поверхности.
    2. Количество энергии, вырабатываемое в центре звезды, и температура, при которой будут происходить ядерные реакции, зависит от состава ядер, вступающих во взаимодействие.
    Если у звезды нет недостатка в ядерном горючем, то чем более тяжелые ядра сгорают в ядерных реакциях, тем большее количество энергии будет выделяться в единицу времени и тем больше будет её светимость. Железная звезда должна светить примерно в 100 раз более ярко, чем водородная. В звезде, имеющей массу и радиус Солнца и состоящей из чистого водорода, температура в центральной части должна составлять около 10⁷K. Чисто гелиевый состав приводит к температуре порядка 10⁸K. Температура в центре звезды, состоящей из железа, достигает примерно 10⁹K.

Рис.12. Распределение плотности и температуры внутри Солнца (R — радиус Солнца)

    Чтобы построить модель данной звезды, обычно задаются относительным содержанием водорода, гелия и других химических элементов, полученным из анализа звездной атмосферы. Используя законы тяготения, газовые законы и законы излучения, с учетом различных ядерных реакций, рассчитывают зависимость давления, температуры и плотности от расстояния до центра звезды. На рис.12 в качестве примера показано распределение температуры и плотности для Солнца. В большей части объема Солнца плотность вещества меньше 1 г/см³, а температура выше миллиона градусов по Кельвину.
    Особенности зависимости распространенности элементов от массового числа A наиболее просто объяснить, предположив, что источником большинства ядер является определенная последовательность ядерных реакций, протекающих в недрах звезд.
    Эти реакции обычно классифицируют следующим образом:

Горение водорода. Это один из основных процессов, под-держивающих длительное выделение энергии в звездах. При горении водорода происходит слияние 4-х ядер водорода с образованием ядра ⁴He. Этот процесс происходит либо в pp-цепочке, либо в циклических ядерных реакциях с участием более тяжелых ядер — C, N, O, Ne и др., играющих роль катализатора. Сюда же относятся процессы с участием протонов, в которых производится некоторое количество легких элементов.
Горение гелия. После того, как в звезде накапливается гелий, под действием сил гравитации гелиевое ядро сжимается, становится достаточно плотным и горячим и в нем начинается процесс горения гелия с образованием ядер ¹²C, ¹⁶O, ²⁰Ne.
α-Процесс. Это процесс последовательного добавления α-частиц к ядру ²⁰Ne с образованием ядер ²⁴Mg, ²⁸Si, ³²S, ³⁶Ar, ⁴⁰Ca. Он описывает повышенную распространенность элементов типа N ·α, где α — ядро ⁴He, а N — целое число.
E-процесс. Это процесс, в котором в условиях термодинами-ческого равновесия образуются элементы, расположенные в районе железного максимума.
s-Процесс. Это образование ядер тяжелее железа в результате медленного последовательного захвата нейтронов. Скорость s-процесса меньше скорости β-распада образующихся в процессе захвата нейтронов радиоактивных ядер. Длительность s-процесса от 10² до 10⁵ лет. s-Процесс отвечает за образование максимумов в распространенности элементов при A ~ 90, 138 и 208.
r-Процесс. Это образование ядер тяжелее железа в результате быстрого последовательного захвата нейтронов со скоростью, существенно превышающей скорость -распада образующихся радиоактивных ядер. Характерное время r-процесса 0.01 — 100 с. В результате r-процесса в кривой распространенности элементов возникают максимумы при A = 80, 130 и 195.
p-Процесс. Это образование наиболее легких изотопов ядер. Он включает в себя образование и захват позитронов, захват протона, фоторождение нейтрона, (p,n) — реакции.
X-процесс. Это процесс нуклеосинтеза, ответственный за образование изотопов ^6,7Li, ⁹Be, ^10,11B. Считается, что эти элементы образуются в реакциях расщепления под действием космических лучей.

5.2. Потенциал солнечной энергии. Условия ее эффективного использования

5.2. Потенциал солнечной энергии. Условия её эффективного использования

Солнце – специфический гидродинамический объект диаметром 1 390 000 км, образовавшийся из облака газа, в основном водорода. Температура его недр настолько высока, что обеспечивает синтез водорода в гелий. Этот синтез, происходящий в недрах Солнца, высвобождает энергию в виде высокочастотного электромагнитного излучения, которое, переизлучаясь, постепенно доходит до его поверхности. Излучение, достигающее в конечном итоге Земли, исходит из тонкого поверхностного слоя Солнца, называемого фотосферой (рис. 5.10).

Электромагнитное излучение фотосферы Солнца распространяется в космическом пространстве со скоростью света (300 000 км/с) в виде расходящихся лучей (рис. 5.11).

Мощность излучения Солнца (3,8·10 2 0 МВт) очень велика. Энергия, излучаемая Солнцем каждый день, является источником жизни на Земле. Она поддерживает в газообразном состоянии земную атмосферу, постоянно нагревает сушу и водоёмы, даёт энергию ветрам и водопадам, морским течениям и волнам, обеспечивает жизнедеятельность животных и растений. Часть солнечной энергии запасена в недрах Земли в виде каменного угля, нефти, природного газа и других полезных ископаемых. Всё это подчёркивает роль Солнца как первичного источника энергии.

Рис. 5.10. Схема строения Солнца: 1 – ядро; 2 – конвективная зона; 3 – фотосфера

Рис. 5.11. Прохождение солнечных лучей через атмосферу

Среднее количество солнечной энергии, попадающей в атмосферу Земли, огромно – около 1,353 кВт/м 2, или 178 000 ТВт. Гораздо меньшее её количество достигает поверхности Земли, а доля, которую можно использовать, ещё меньше. Тем не менее, солнечная энергия и возобновляемое сырьё представляют собой такой ресурсный потенциал, который намного превышает потенциал ископаемых ресурсов. Объём энергии, ежегодно даваемый Земле Солнцем, в 15 000 раз больше годового потребления атомной энергии и энергии из ископаемых источников. Одной Италии оно даёт в 6 раз больше энергии, чем используется в течение года во всём мире. Ежегодная производительность фотосинтеза флоры в 10 000 раз превышает годовую производительность химической промышленности

всего мира. Это значит, что в перспективе есть возможность заменить весь потенциал ископаемых ресурсов ресурсами солнечной энергии.

Иногда мы не вполне осознаём, что имеем дело с самым, может быть, феноменальным явлением природы: на нашу планету непрерывно низвергается нескончаемый поток энергии.

Эта энергия доступна всем и каждому. Её практически неограниченное количество. Она экологична, ничего не загрязняет, ничего не нарушает, ни во что не врывается губительным диссонансом (за немногими исключениями). Она даёт жизнь всему сущему на Земле. Больше того, эта энергия даровая. Она разлита повсюду: бери, сколько хочешь, никаких вроде бы препятствий. Поток её постоянен, независимо от того, используем мы его или нет.

В общем можно сказать, что это идеальная энергия. Тогда почему же вклад солнечного излучения в топливно-энергетический ба

Если бы за последние тридцать лет на разработку получения солнечной энергии было затрачено столько же сил и средств, сколько на получение атомной энергии, то к 2000 году «солнечный ток» мог бы заменить атомный. К такому выводу пришли немецкие учёные.

Энергетическая отдача Солнца равнозначна сжиганию или превращению в энергию массы в количестве 4,2·10 6 т в секунду.

Земля, находящаяся на расстоянии 150 млн.км от Солнца, получает приблизительно 2 миллиардные доли его общего излучения.

Общее количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли за год, в 50 раз превышает всю энергию, которую можно получить из доказанных запасов ископаемого топлива, и в 35 000 раз превышает нынешнее ежегодное потребление энергии в мире.

За неделю на территорию России поступает солнечная энергия, превышающая энергию всех российских ресурсов нефти, газа, угля и урана.

ланс всех стран Земли ничтожен? Очевидно, чтобы всерьёз пустить его в дело и сделать этот вклад весомым, необходимо выполнить несколько главных условий.

При всех достоинствах солнечной энергии её использование сегодня является самым затратным (рис. 5.12). Следовательно, надо совершенствовать существующие технологии преобразования солнечной энергии с целью увеличения их эффективности и снижения стоимости.

Очень рассеянным, неплотным потоком приходит на Землю излучение нашего светила. Надо его как-то сгущать, искать эффективные способы его концентрации.

Для создания солнечных орбитальных электростанций придётся научиться собирать в космосе гигантские и одновременно лёгкие конструкции. С панели площадью в 100 км 2 можно снимать мощность около 10 миллионов киловатт. Надо обеспечить передачу этой энергии на Землю, иметь многоразовые транспортные средства для доставки грузов на орбиту.

Для получения фотоэлектрохимических солнечных элементов, эффективно абсорбирующих свет и имеющих приемлемые КПД, необходимо от научных разработок перейти к промышленному освоению и коммерческому применению наноструктурных технологий.

Важное условие использования солнечной энергии – объединение в одном устройстве фотогальванических элементов с процессом электролиза с целью получения кислорода и водорода.

Солнечная энергетика относится к наиболее материалоёмким видам производства энергии. Крупномасштабное её использование потребует разработки новых материалов, увеличения добычи сырья и роста трудовых ресурсов для его обогащения.

Характеризуя потенциал солнечной энергии, нельзя не сказать о сенсационном сообщении журнала «Examiner»: люди могут питаться энергией Солнца. Так утверждает 663летний инженер3механик из Калькутты Ратан Манег. Начиная с 1995 г. он не пот3 ребляет твёрдой пищи. Чувство голода по3 давляет, впитывая глазами солнечную энергию. Манег убеждён, что люди способны изменить потребности своего организма очень простым способом – нужно смотреть на Солнце в первую часть рассвета или же на его закате, стоя на земле босыми ногами. Через несколько дней тренировок можно по3 чувствовать, как энергия солнечных лучей проникает в тело через глаза. Головной мозг начинает использовать свои незадейство3 ванные ресурсы, питая организм. По призна3 нию Манега, солнечная энергия избавляет человека не только от физических, но и от различных психических недугов. Этот фено3 мен уже три года изучает команда индий3 ских врачей, а недавно к ним присоединились американские ученые. Результаты его обсле3 дования специалистами из Университета Томаса Джефферсона в Филадельфии пока3 зали, что индус действительно абсолютно здоров.

Рис. 5.12. Стоимость электроэнергии, получаемой в США за счет возобновляемых источников энергии

Симптомы грядущей катастрофы видны в ухудшении экологической обстановки, безудержном росте населения, усилении политической напряжённости и в других направлениях. Становится очевидным, что подобное неуправляемое развитие цивилизации продолжаться не может.

Одна из главнейших задач нового столетия – уменьшить техногенное влияние на климат Земли. При этом альтернатива – солнечная энергетика. Солнечные (как наземные, так и космические) электростанции, солнечные и термальные батареи, солнечные пруды, гелиохимия, солнечно-водородная энергетика, солнечные термовоздушные электростанции, системы биоконверсии – это всего лишь наиболее яркие вехи, штрихи, отдельные черточки того сценария, который пишется на наших глазах и который можно назвать завтрашним днём энергетики.

К этому дню путь долог, непрост и тернист. Но у человечества нет другого выбора. Солнечная энергия с точки зрения экологии действительно идеальна, поскольку не нарушает равновесия в природе. Поэтому усилия мирового сообщества, задачи международного сотрудничества должны быть сконцентрированы и направлены на скорейшее преодоление этого пути к эре энергетического изобилия.

Системы солнечных электростанций, за счет своего к.п.д., будут иметь в будущем очень широкое коммерческое использование

Оценка потенциала солнечной энергии | Learn ArcGIS

Ваша некоммерческая организация недавно запустила пилотную программу, чтобы побудить жителей района Гловер-Парк в Вашингтоне, округ Колумбия, установить солнечные батареи на своих крышах. Цель состоит в том, чтобы солнечные панели производили большую часть электроэнергии, потребляемой каждым домохозяйством.

На этом уроке вы будете использовать ArcGIS Pro, чтобы определить, сколько солнечной радиации получает каждая крыша в окрестностях в течение года. Затем вы оцените, сколько электроэнергии могла бы генерировать каждая крыша (и район в целом), если бы каждое подходящее здание было оснащено солнечными батареями.

Прежде чем приступить к анализу потенциала солнечной энергии в Гловер-парке, вы ознакомитесь с данными и географией.

Открытие проекта

Сначала вы загрузите и откроете данные проекта по умолчанию в ArcGIS Pro.

Скачайте Сжатую папку Solar_in_Glover.
Найдите загруженный файл на компьютере.
В зависимости от настроек браузера, вам могло быть предложено выбрать место для сохранения загружаемого файла. Большинство браузеров по умолчанию скачивают все в папку Загрузки.
Щелкните файл правой кнопкой мыши и извлеките в местоположение, где его будет легко найти, например, в папку Документы.
Откройте папку Solar_in_Glover.
Папка содержит несколько подпапок: файл проекта ArcGIS Pro (.aprx), ArcGIS Toolbox (.tbx), и два файла слоев ArcGIS Pro (.lyrx).
Если вы установили на свой компьютер ArcGIS Pro, дважды щелкните файл проекта Solar_in_Glover. Если будет предложено, войдите под лицензированной учетной записью ArcGIS.
Проект содержит два слоя. Слой DSM, включенный по умолчанию, представляет окрестности парка Гловер в виде цифровой модели местности (ЦММ).
DSM показывает рельеф и объекты на земле, такие как здания и деревья. DSM является растровым слоем, показывающим данные в виде сетки, в которой каждый квадрат или ячейка содержит числовое значение.
Под картой в качестве масштаба введите 1:100 и нажмите Enter.
Карта увеличится, чтобы вы могли видеть отдельные ячейки в растровом слое.
Щелкните на любой ячейке.
Появится всплывающее окно ячейки.
Всплывающее окно содержит значение, представляющее высоту (в метрах) выбранной ячейки. На рисунке выделенная ячейка имеет высоту около 89,9 метра.
По умолчанию DSM обозначается на карте таким образом, что более темные ячейки имеют низкие значения высот, а светлые ячейки – более высокие.
Закройте всплывающее окно. На панели Содержание щелкните правой кнопкой мыши DSM и выберите Приблизить к слою.
Карта перемещается назад к полному экстенту окрестности парка Гловер.

Создание эффекта отмывки

Хотя и по всем признакам в DSM можно предположить наличие зданий и растительности, вы можете лучше визуализировать поверхность, создавая эффект отмывки. Слой растра отмывки рельефа использует реалистичный эффект затенения для отображения высоты.

Щёлкните вкладку Анализ на ленте. В группе Геообработка щелкните кнопку Инструменты.
Откроется панель Геообработка.
На панели Геообработка в окне поиска введите Отмывка. В списке результатов поиска щелкните Отмывка (Инструменты Spatial Analyst).
Откроется инструмент Отмывка.
Для Входного растра выберите DSM. Для Выходного растра измените имя на Hillshade_DSM.
По умолчанию все созданные вами наборы данных будут сохранены в базе данных Solar_in_Glover. Когда вы щелкаете значение в параметре Выходной растр, появляется путь к базе данных. Убедитесь, что изменили только имя выходного слоя, которое указанно в конце пути.
Вы оставите другие параметры, которые определяют направление и угол источника света, используемого для моделирования затенения, без изменений.
Щелкните Выполнить.
Инструмент запускается и добавляет на карту слой отмывки. Но отмывка перекрывает оригинальный DSM, поэтому вы не можете видеть информацию о высотах.
На панели Содержание перетащите слой DSM над слоем Hillshade_DSM.
DSM имеет 40-процентную прозрачность слоя. Когда он расположен над отмывкой, видны и он, и отмывка.
Увеличивайте изображение до тех пор, пока вы не сможете лучше увидеть 3D-эффект, достигаемый слоем отмывки.
Здания, деревья и другие объекты на местности более различимы благодаря эффекту отмывки. Также возможно различить, имеют ли здания плоские крыши или со скатами, что важно для солнечных панелей на крыше.
На панели Содержание щелкните правой кнопкой мыши DSM и выберите Приблизить к слою.

Исследование контуров зданий

Проект содержит слой Building_Footprints (Контуры зданий), который по умолчанию отключен. Далее вы изучите этот слой.

На панели Содержание поставьте отметку возле слоя Building_Footprints, чтобы включить его.
Слой содержит полигональные контуры каждого здания в районе Гловер-парка. В отличие от слоев DSM и Отмывки, которые являются растровыми слоями, этот слой является векторным слоем, который отображает пространственную информацию в форме полигонов, линий или точек.
Увеличивайте изображение до тех пор, пока не увидите четкие контуры отдельных зданий.
Формы и расположение зданий различны в разных частях района. На севере, западе и юго-востоке здания, как правило, больше и имеют более уникальные формы. В южной центральной части района здания, как правило, меньше по размеру, примерно прямоугольные и сгруппированы в продольные или поперечные ряды.
Вернитесь к полному экстенту района.
На панели инструментов быстрого доступа нажмите кнопку Сохранить.
Проект сохранен.

Вы скачали, открыли и изучили исходные данные для проекта, в том числе данные высот и контуров зданий. Вы также создали отмывку, чтобы лучше визуализировать местность.

Затем вы создадите растровый слой, который отображает, сколько солнечной энергии достигает поверхностей крыш в Гловер-Парке в течение типичного года. Чем больше солнечной энергии получает поверхность крыши, тем больше электроэнергии может быть произведено, если она будет оснащена солнечными батареями.

Создание слоя солнечного излучения

Для создания слоя солнечного излучения, вы будете использовать инструмент Область солнечного излучения. Этот инструмент входит в Дополнительный модуль ArcGIS Spatial Analyst. Он рассчитывает излучение на основе сложной модели, которая учитывает положение солнца в течение года и в разное время дня, препятствия, которые могут блокировать солнечный свет, такие как близлежащие деревья или здания, а также уклон и ориентацию поверхности. Вы можете прочитать больше о моделировании солнечного излучения на Странице документации.

DSM предоставляет необходимую информацию о препятствиях, ориентации и уклоне. Выходными данными будет растровый слой, где значение каждой ячейки – это количество солнечного излучения в ватт-часах на квадратный метр (Вт/м²) в этом месте.

Инструмент Область солнечного излучения требует значительных вычислительных ресурсов и может выполняться от 20 до 90 минут. В этом упражнении у вас будет возможность запустить инструмент самостоятельно или использовать уже созданный растровый слой солнечного излучения.

При необходимости, откройте ваш проект Solar_in_Glover в ArcGIS Pro.
Если необходимо, откройте панель Геообработка. Если панель Геообработка уже открыта для ранее использованного инструмента, щелкните кнопку Назад.
Найдите и откройте инструмент Область солнечного излучения.
В инструменте Область солнечного излучения для Входного растра выберите DSM. Для Выходного растра глобального излучения измените имя на Solar_Rad_Whm2_Example.
Когда выбран входной растр, параметр Широта автоматически заполняется широтой из DSM. Этот параметр помогает определить положение солнца.
По умолчанию инструмент запускается с интервалом в несколько дней. Вы измените временной интервал, чтобы рассчитывать солнечную радиацию в течение всего года.
Для Конфигурации времени выберите Целый год. При необходимости для Года введите 2019.
По умолчанию инструмент вычисляет количество солнечной радиации один раз каждые полчаса для каждого выбранного дня. Вы измените интервал в часах на один раз в час, чтобы сократить время расчета.
Для Часового интервала введите 1.
По умолчанию инструмент проверяет 32 направления вокруг каждой ячейки, чтобы найти препятствия для света. Чтобы сократить время расчета, вы измените это значение на 16.
Разверните Топографические параметры. Для Направления вычислений введите 16.
Далее вы измените параметры среды инструмента так, чтобы обрабатывались только области внутри контуров здания, что экономит время вычислений.
Выберите вкладку Параметры среды. Для Маски выберите Building_Footprints.
Инструмент Область солнечного излучения является инструментом сложных вычислений. Для целей этого упражнения вы можете запустить инструмент или использовать растр солнечного излучения, который уже был создан и который был снабжен данными проекта.
Если вы хотите запустить инструмент (это может занять от 20 до 90 минут), щелкните Запустить. Если вы хотите использовать уже созданный растровый слой, откройте панель Каталог и разверните Базы данных и Solar_in_Glover.gdb. Добавьте слой Solar_Rad_Whm2 на карту.
В зависимости от того, создаете ли вы слой самостоятельно или добавляете существующий слой на карту, символы слоя могут отличаться. Вы измените символы слоя на уроке позже, поэтому его текущие символы не имеют значения.
Сохраните проект.

Преобразование единиц измерения

Растр солнечного излучения использует ватт-часы на квадратный метр в качестве единицы измерения. Согласно легенде на панели Содержание, некоторые ячейки имеют значения более 1 миллиона (выражается с помощью обозначения e+06). Чтобы уменьшить размер этих значений и сделать их более удобными для чтения, вы преобразуете растровый слой в киловатт-часы на квадратный метр (кВтч/м²).

На панели Содержание отключите слой Building_Footprints.
На панели Геообработка щелкните кнопку Назад (вам может понадобиться дважды щелкнуть по ней). Найдите и откройте инструмент Калькулятор растра (Инструменты Spatial Analyst).
В одном киловатте 1000 ватт, поэтому для преобразования единиц измерения вам нужно всего лишь создать выражение, которое делит существующие значения ячеек на 1000.
Для Выражение алгебры карт введите (или создайте) следующее выражение:
«Solar_Rad_Whm2» / 1000
Если вы создали свой собственный растровый слой солнечного излучения, имя слоя в выражении будет Solar_Rad_Whm2_Example вместо Solar_Rad_Whm2.
Для Выходного растра измените имя на Solar_Rad.
Щелкните Запустить.
Новый растровый слой будет создан и добавлен на карту. Он похож на исходный слой солнечного излучения, но значения в 1000 раз меньше.
Вам больше не нужен оригинальный слой солнечного излучения, поэтому вы удалите его.
На панели Содержание правой кнопкой мыши щелкните Solar_Rad_Whm2 (или Solar_Rad_Whm2_Example) и выберите Удалить.

Присвоение символов слою солнечного излучения

Далее вы присвоите символы слою Solar_Rad. Для анализа вы будете использовать унифицированные символы для всех растровых слоев солнечного излучения, чтобы обеспечить их визуальное сравнение. Вы примените файл слоя с предопределенными символами к слою. Этот файл слоя был включен в данные проекта.

На панели Содержание щелкните цветовую шкалу Solar_Rad.
Появится панель Символы.
На панели Символы щелкните кнопку опций и выберите Импорт из файла слоя.
В окне Импорт символов разверните Папки и Solar_in_Glover. Дважды щелкните Solar_Rad.lyrx.
Файл слоя применяется к слою. Новые символы появятся на карте.
Закройте панель Символы.
Увеличьте изображение, чтобы лучше видеть поверхности крыш.
Красный и оранжевый цвета указывают на большее количество солнечного излучения, а желтый и синий тона указывают на меньшее количество. (Ячейки, находящиеся вне слоя Building_Footprints, имеют значение NoData и не отображаются.)
Скаты крыш, обращенные на север, как правило, получают меньше солнечной энергии, чем южные. Кроме того, крыши, заслоняемые деревьями или другими зданиями, иногда получают меньше солнечной энергии.
Вернитесь к полному экстенту района. Сохраните проект.

Вы составили карту годовой солнечной энергии на крышах Гловер-Парка. Сначала вы создали растровый слой солнечного излучения. Затем вы преобразовали единицы измерения и обозначили слой для целей визуализации. Далее вы определите крыши, подходящие для солнечных батарей.

Чтобы определить подходящие крыши для солнечных батарей, вы должны рассмотреть три критерия:

Подходящие крыши должны иметь уклон 45 градусов или меньше, так как крутые скаты, как правило, получают меньше солнечного света. Чтобы определить уклон крыши, вы должны создать растровый слой уклонов.
Подходящие крыши должны получать не менее 800 кВтч/м² солнечного излучения. Вы можете оценить этот критерий, используя растровый слой солнечного излучения.
Подходящие крыши не должны быть направлены на север, так как на северные крыши в северном полушарии попадает меньше солнечного света. Чтобы определить ориентацию крыши, вам необходимо создать растровый слой экспозиции.

Создание слоя уклонов

В первую очередь вы будете использовать инструмент Уклон, чтобы создать растровый слой с уклонами на основе вашего DSM.

При необходимости, откройте ваш проект Solar_in_Glover в ArcGIS Pro.
Если необходимо, откройте панель Геообработка. Если панель Геообработка уже открыта, щелкните кнопку Назад.
Найдите инструмент Уклон и откройте Уклон (Инструменты Spatial Analyst).
Для Входного растра выберите DSM. Для Выходного растра измените имя на Slope_DSM.
Другие параметры, которые определяют способ измерения и расчета уклона, изменять не нужно.
Щелкните Запустить.
Инструмент запустится, и новый растровый слой будет добавлен на карту.
Каждая ячейка в этом слое содержит значение уклона в диапазоне от 0 до 90 градусов. Более светлые цвета представляют более пологие уклоны, в то время как более темные цвета представляют более крутые уклоны.

Создание слоя экспозиции

Чтобы определить ориентацию крыши, вы создадите растровый слой экспозиции с помощью инструмента Экспозиция.

На панели Геообработка щелкните кнопку Назад. Найдите инструмент Экспозиция и откройте Экспозиция (Инструменты Spatial Analyst).
Для Входного растра выберите DSM. Для Выходного растра измените имя на Aspect_DSM.
Вам не нужно менять метод, с помощью которого инструмент будет вычислять экспозицию.
Щелкните Запустить.
Инструмент запустится, и новый растр будет добавлен на карту.
Каждая ячейка содержит значение, выражающее ориентацию в градусах, где 0 представляет абсолютный север, а 180 – абсолютный юг. В легенде слоя перечислены конкретные диапазоны градусов для каждого направления.

Удаление областей с большими уклонами

Далее вы будете использовать растровые слои, чтобы найти области, которые соответствуют критериям для установки солнечных батарей. Сначала вы удалите области из растрового слоя солнечного излучения, уклон которых больше 45 градусов.

Все ваши растровые слои используют одну и ту же сетку ячеек. Поэтому вы можете сравнить значения в слоях солнечной радиации и уклона. Вы создадите выражение в инструменте Условие, которое проверяет, является ли каждое значение уклона меньше или равным 45.

Если уклон ячейки круче 45 градусов, ее значение изменится на NoData в выходном слое. В противном случае ячейке будет присвоено соответствующее значение солнечного излучения. Результатом будет растровый слой солнечного излучения, который не включает уклоны больее 45 градусов.

На панели Содержание отключите слой Aspect_DSM.
На панели Геообработка щелкните кнопку Назад. Найдите инструмент Условие и откройте Con (Инструменты Spatial Analyst).
Для Входного растра условия выберите Slope_DSM.
Для Выражения нажмите Новое выражение.
Создайте выражение Где VALUE меньше или равно 45.
Это выражение будет применяться к каждой ячейке в растре уклонов. Если значение ячейки меньше или равно 45, эта ячейка считается истинной. Если нет, ячейка считается ложной.
Далее вы выберете растровый слой, который будет предоставлять значения для выходных ячеек, которые считаются истинными. Поскольку ваш второй критерий – солнечное излучение, выходной слой будет использовать значения ячейки солнечного излучения.
Для опции Входной растр значения «истина» или константа выберите Solar_Rad.
У вас также есть возможность выбрать растровый слой или установить постоянное значение для ячеек, для которых установлено значение false. Вы оставите этот параметр без изменений, чтобы ложным ячейкам было присвоено значение NoData.
Для Выходного растра измените имя на Solar_Rad_S.
Щелкните Запустить.
Инструмент запустится, и новый растр будет добавлен на карту. Прежде чем исследовать новый слой, вы измените его символы в соответствии с растровым слоем солнечного излучения.
На панели Содержание щелкните цветовую шкалу Solar_Rad_S.
Появится панель Символы.
На панели Символы щелкните кнопку опций и выберите импорт из файла слоя.
В окне Импорт символов откройте Папки и Solar_in_Glover. Дважды щелкните Solar_Rad.lyrx.
Новые символы добавлены к слою.
Закройте панель Символы. На панели Содержание выключите слои Slope_DSM и Solar_Rad.
Увеличьте масштаб, чтобы рассмотреть здания более подробно.
Некоторые местоположения на крышах были удалены из слоя солнечного излучения. Удалены области с уклоном выше 45 градусов. Как и слой Solar_Rad, этот слой отображает области более высокой солнечной радиации более темными оттенками красного.
Вернитесь к полному экстенту района. Сохраните проект.

Удаление областей с низким солнечным излучением

Далее вы рассмотрите второй критерий подходящих крыш. Поверхности крыши должны получать не менее 800 кВтч/м² солнечного излучения для рентабельности установки солнечных батарей. Вы будете использовать инструмент Условие для слоя Solar_Rad_S, чтобы удалить области с низким уровнем солнечного излучения.

Панель Геообработка должна быть открыта для инструмента Условие.

На панели Геообработка для Входного растра условия выберите Solar_Rad_S.
Удалите предыдущее выражение. Добавьте новое выражение, которое читается как Где ЗНАЧЕНИЕ больше или равно 800.
Для опции Входной растр значения «истина» или константа выберите Solar_Rad_S. Для Выходного растра измените имя на Solar_Rad_S_HS.
Щелкните Запустить.
Новый растровый слой будет добавлен на карту. Вы обозначите его так же, как и другие слои солнечного излучения.
На панели Содержание щелкните цветовую шкалу Solar_Rad_S_HS.
Появится панель Символы.
На панели Символы щелкните кнопку опций и выберите импорт из файла слоя. В окне Импорт символов перейдите к Solar_in_Glover и дважды щелкните Solar_Rad.lyrx.
Символы применяются к слою.
Закройте панель Символы. Выключите слой Solar_Rad_S.
Увеличьте масштаб, чтобы рассмотреть здания более подробно.
Неподходящие области были удалены. Эти области получают мало солнечного излучения, что делает их менее оптимальными для установки солнечных батарей. Символы этого слоя такие же, как у других слоев солнечного излучения.
Вернитесь к полному экстенту района. Сохраните проект.

Удаление областей, ориентированных на север

Третий критерий для подходящих крыш – то, что поверхность крыши не должны быть направлена на север. В северном полушарии поверхности, обращенные к северу, вероятно, будут получать меньше солнечного излучения, чем поверхности, обращенные в других направлениях. (В южном полушарии обращенные на юг поверхности получают меньше солнечного излучения.)

Многие поверхности крыши, обращенные на север, уже были удалены, когда вы удалили участки с низким уровнем солнечной радиации, но некоторые остались. Уклоны, которые обращены к северу, имеют значение менее 22,5 градусов или более 337,5 градусов в слое растровых экспозиций. Кроме того, вы хотите, чтобы уклоны были почти плоскими, независимо от их внешнего вида. Если крыша плоская, для солнечных батарей ее внешний вид не имеет значения.

Для выполнения обоих условий вы будете использовать как слой Aspect_DSM, так и слой Slope_DSM. Вы запустите инструмент Условие дважды, сначала для определения областей с низкими уклонами (менее 10 градусов), а затем для определения областей, обращенных к северу.

Убедитесь, что панель Геообработка все еще открыта для инструмента Условие. Для Входного растра условия выберите Slope_DSM.
Удалите выражение и добавьте новое выражение Где VALUE меньше или равно 10.
В опции Входной растр значения «истина» или константа выберите Solar_Rad_S_HS. Для Выходного растра измените имя на Solar_Rad_Low_Slope.
Щелкните Запустить.
Новый растровый слой будет добавлен на карту. Вы запустите инструмент Условие во второй раз, чтобы определить северные поверхности.
В инструменте Условие для Входного растра условия выберите Aspect_DSM.
Обращенные на север уклоны – это уклоны, которые имеют значение менее 22,5 или более 337,5. Ваше выражение потребует двух условий для выполнения обоих этих требований.
Удалите выражение и добавьте новое выражение Где VALUE больше чем 22.5.
Щелкните Добавить условие. Создайте выражение И VALUE меньше 337.5.
Вместе эти условия охватывают все поверхности, которые не обращены на север.
Вы по-прежнему будете использовать слой Solar_Rad_S_HS в качестве истинного растра, но вы добавите слой Solar_Rad_Low_Slope в качестве ложного растра. Таким образом, ложные ячейки (те, что обращены на север) будут заменены значениями из слоя с низким уклоном. Выходной слой будет содержать как области, которые не обращены к северу, так и области с низким уклоном.
Для опции Входной растр значения «истина» или константа убедитесь, что выбран Solar_Rad_S_HS. Для опции Входной растр значения «ложь» или константа выберите Solar_Rad_Low_Slope.
Для Выходного растра измените имя на Solar_Rad_S_HS_NN.
Щелкните Запустить.
Новый растровый слой будет добавлен на карту. Вы обозначите его так же, как и другие слои солнечного излучения.
На панели Содержание щелкните цветовую шкалу Solar_Rad_S_HS_NN. На панели Символы щелкните кнопку опций и выберите импорт из файла слоя.
Перейдите в папку Solar_in_Glover и дважды щелкните Solar_Rad.lyrx.
Символы добавляются в растровый слой.
Закройте панель Символы. Выключите слои Solar_Rad_Low_Slope и Solar_Rad_S_HS.
Увеличьте масштаб, чтобы рассмотреть здания более подробно.
Поскольку многие поверхности, обращенные на север, были удалены при удалении областей с низким уровнем солнечной радиации, изменение между этим слоем и предыдущим не столь существенное. Однако некоторые области были удалены, и эта карта теперь содержит поверхности крыши, подходящие для установки солнечных батарей. Для фактической установки солнечных панелей необходимо было бы рассмотреть каждую крышу более подробно, но для целей вашего анализа этой информации достаточно.
Вернитесь к полному экстенту района. Сохраните проект.

Вы проанализировали свой первоначальный слой солнечной радиации, удалив неподходящие участки для солнечных батарей. С этим слоем подходящих поверхностей вы готовы продолжить анализ и агрегировать солнечную радиацию для каждого здания.

Ваша карта показывает, сколько солнечного излучения получает каждая растровая ячейка. Ячейки ваших растровых слоев занимают относительно небольшую площадь (0,5 квадратных метра), поэтому эта информация не так уж важна, если смотреть на весь район или даже отдельное здание.

На этом уроке вы соберете данные о солнечной радиации, чтобы определить, сколько солнечной радиации получает каждое здание в течение среднестатистического года. Затем вы преобразуете солнечное излучение в потенциал производства электроэнергии и изучите свои результаты.

Объедение ячеек по зданиям

Сначала вы вычислите среднее значение солнечной радиации для каждого здания с помощью инструмента Зональная статистика в таблицу.

При необходимости, откройте ваш проект Solar_in_Glover в ArcGIS Pro.
Выключите слои DSM и Hillshade_DSM. Включите слой Building_Footprints.
Используя контуры здании в качестве границ, вы можете объединять ячейки солнечного излучения для здания.
Если необходимо, откройте панель Геообработка.
Найдите и откройте инструмент Зональная статистика в таблицу.
Для Входные векторные или растровые данные зон выберите Building_Footprints. Для Поля зоны, убедитесь, что выбрано Building_ID.
Поле Building_ID является уникальным идентификатором для каждого контура здания. Использование этого поля в качестве поля зоны гарантирует, что каждый контур используется для агрегирования.
Для Входного растра значений выберите Solar_Rad_S_HS_NN. Для Выходной таблицы измените имя на Solar_Rad_Table.
Вы можете использовать для расчетов несколько типов статистики. Вы вычислите среднее значение, чтобы определить среднее значение солнечной радиации на здание.
Для Тип статистики выберите Среднее.
Щелкните Запустить.
Инструмент запускается, и новая таблица добавляется в нижнюю часть панели Содержание в раздел Автономные таблицы.
Подсказка:
Панель Содержание содержит много слоев, поэтому вам может понадобиться прокрутить вниз, чтобы увидеть таблицу. Если вы хотите увидеть все свои слои без необходимости прокрутки, вы можете свернуть условные обозначения для слоев, щелкнув стрелку рядом с именем слоя.
На панели Содержание правой кнопкой мыши щелкните Solar_Rad_Table и выберите Открыть.
Откроется таблица. Она содержит поля для количества ячеек (COUNT), площади в квадратных метрах (AREA) и средней солнечной радиации в кВтч/м ² (MEAN) для каждого здания. Поле Building_ID содержит уникальный идентификатор здания.
Поскольку эта таблица является автономной, она не связана с пространственными данными на вашей карте. Вы присоедините ее к слою Building_Footprints, используя инструмент Добавить соединение.
Закройте таблицу. На панели Содержание правой кнопкой мыши щелкните Building_Footprints, укажите Соединения и связи и выберите Добавить соединение.
Откроется диалоговое окно Добавить соединение. Инструмент Добавить соединение соединяет таблицу с атрибутивной таблицей слоя или другой таблицей. Чтобы соединение работало, в обеих таблицах должно быть соответствующее поле. В этом случае соответствующее поле Building_ID.
В диалоговом окне Добавить соединение для Входной таблицы подтвердите, что выбрано Building_Footprints. Для Входного поля соединения выберите Building_ID.
Когда вы выбираете поле соединения, вы можете получить сообщение о том, что поле соединения не проиндексировано. Хотя это может повлиять на производительность, вы можете запустить инструмент без индексации поля.
Для Таблицы соединения, убедитесь, что выбрано Solar_Rad_Table. Для Поля присоединяемой таблицы подтвердите, что выбрано Building_ID.
Нажмите OK.
Инструмент запустится. Данные новой таблицы присоединяются к слою Building_Footprints.
На панели Содержание правой кнопкой мыши щелкните Building_Footprints и выберите Таблицу атрибутов.
Поля COUNT, AREA и MEAN добавлены в конец таблицы.
Закройте таблицу.

Поиск подходящих зданий

Вы определили подходящие поверхности для солнечных батарей. Однако есть еще один критерий для определения пригодности для солнечных батарей. Если здание имеет менее 30 квадратных метров подходящей поверхности крыши, оно обычно не подходит для установки солнечных батарей. Вы будете выбирать здания, у которых достаточно подходящей поверхности крыши, с помощью инструмента Выбрать в слое по атрибуту.

На ленте щелкните вкладку Карта. В группе Выборка щелкните Выбрать по атрибуту.
Откроется диалоговое окно Выбрать по атрибутам.
В диалоговом окне Выбрать в слое по атрибуту для Входных строк, убедитесь, что выбран Building_Footprints. Для Типа выборки, убедитесь, что выбрана Новая выборка.
В опции Выражение щёлкните Новое выражение. Создайте выражение Где AREA больше или равно 30.
Нажмите OK.
Выборка применяется. Большинство зданий выбраны. Точное количество выбранных объектов указано под картой.
Увеличьте масштаб, чтобы рассмотреть здания более подробно.
Многие неподходящие здания особенно малы. Другие больше, но не имеют подходящих поверхностей для солнечных батарей, возможно, из-за тени, создаваемой соседними объектами.
Вернитесь к полному экстенту района.
Вы экспортируете выбранные здания в новый класс пространственных объектов.
На панели Содержание правой кнопкой мыши щелкните Building_Footprints, укажите Данные и выберите Экспорт объектов.
Появится диалоговое окно Экспорт объектов.
В диалоговом окне Класс объектов в класс объектов для Входных объектов убедитесь, что выбран Building_Footprints. Для Выходного местоположения, убедитесь, что выбран Solar_in_Glover.gdb.
Для Выходного имени введите Suitable_Buildings.
Нажмите OK.
Класс пространственных объектов создан и добавлен на карту. Вам больше не нужен оригинальный слой контуров здания или автономная таблица для солнечного излучения, так что вы их удалите.
На панели Содержание правой кнопкой мыши щелкните Building_Footprints и выберите Удалить. Правой кнопкой мыши щелкните Solar_Rad_Table и выберите Удалить.
Сохраните проект.

Создание поля для солнечного излучения

Далее вы создадите поле в таблице атрибутов Suitable_Buildings. Это поле будет содержать общее количество солнечной радиации, получаемой за год полезной площадью каждого здания. Вы рассчитаете это поле, умножив полезную площадь каждого здания на его среднее солнечное излучение. Чтобы избежать слишком большого числа, вы также преобразуете солнечное излучение из киловатт-часов на квадратный метр в мегаватт-часы на квадратный метр.

На панели Содержание правой кнопкой мыши щелкните Suitable_Buildings и выберите Таблицу атрибутов.
На ленте атрибутивной таблицы нажмите на кнопку Добавить поле.
Появится вид Поля. В этом виде вы можете редактировать существующие поля или добавлять новые.
В нижнем ряду вида Поля для Имя поля введите Usable_SR_MWh. В качестве Тип данных выберите Двойная точность.
Вам надо будет округлить все значения до 2 десятичных знаков.
Для Числового формата дважды щелкните пустую ячейку и щелкните кнопку Определяет форматирование при отображении числовых полей.
Открывается окно Числовой формат.
Для Категории выберите Число. Под Округлением для Десятичных знаков введите 2.
Нажмите OK.
На ленте во вкладке Поля в группе Изменения щёлкните Сохранить.
Поле сохраняется и добавляется в таблицу атрибутов. В настоящее время все его значения пустые.
Вы вычислите значения для поля на основе значений в полях AREA и MEAN.
В таблице атрибутов щелкните правой кнопкой мыши имя столбца Usable_SR_MWh и выберите Вычислить поле.
Появится панель Вычислить поле. Вы создадите выражение, которое умножит площадь подходящих поверхностей на среднее солнечное излучение для каждого здания. Вы разделите результат на 1000, чтобы преобразовать его из киловатт-часов на квадратный метр в мегаватт-часы на квадратный метр.
В диалоговом окне Вычислить поле для Usable_SR_MWh = создайте или скопируйте и вставьте следующее выражение:
(!AREA! * !MEAN!) / 1000
Нажмите OK.
Инструмент запустится, и поле будет подсчитано.
Закройте вид Поля. Сохраните проект.
Теперь у вас есть оценка того, сколько солнечного излучения каждое здание получает каждый год на поверхностях, подходящих для солнечных панелей.

Преобразование солнечной радиации в энергию

Далее вы преобразуете полезные значения солнечного излучения в потенциал производства электроэнергии. Количество энергии, которую могут производить солнечные батареи, зависит не только от солнечной радиации, но также от эффективности солнечных батарей и соотношения производительности установки.

Агентство по охране окружающей среды США (EPA) дает лучшую консервативную оценку эффективности 15 процентов и производительности 86 процентов. Эти значения означают, что солнечные панели способны преобразовывать 15 процентов поступающей солнечной энергии в электричество, и 86 процентов этого электричества поддерживается на протяжении всего времени эксплуатации.

Чтобы определить потенциал производства электроэнергии, вы создадите поле и рассчитаете его, умножив ваши полезные значения солнечной радиации на значения эффективности и соотношения производительности.

В Таблице атрибутов щелкните кнопку Добавить поле.
В виде Поля для имени нового поля Имя поля введите Elec_Prod_MWh. В качестве Тип данных выберите Двойная точность.
Для Числового формата щелкните кнопку Определяет форматирование при отображении числовых полей.
В окне Числовой формат для Категории выберите Число. Под Округлением для Десятичных знаков введите 2.
Щелкните OK. На ленте на вкладке Поля в группе Изменить щелкните Сохранить.
Новое поле появится в таблице атрибутов. Его значения пустые. Далее вы вычислите поле.
В таблице атрибутов щелкните правой кнопкой мыши имя столбца Elec_Prod_MWh и выберите Вычислить поле.
В диалоговом окне Вычислить поле для Usable_SR_MWh = создайте или скопируйте и вставьте следующее выражение:
!Usable_SR_MWh! * 0.15 * 0.86
Нажмите OK.
Инструмент запустится, и поле будет подсчитано.
Закройте таблицу атрибутов и вид Поля.

Назначение символов данным

Ваш анализ завершен. Прежде чем исследовать результаты, вы назначите символы слою на основе созданного вами поля. Вы также добавите базовую карту для контекста.

На панели Содержание щёлкните символ слоя Suitable_Buildings.
Появится панель Символы. Он может быть открыт для галереи символов вместо основной страницы символов.
Если галерея символов открыта, щелкните кнопку Назад.
На основной странице символов щелкните кнопку опций и выберите Импорт символов.
Появится панель Геообработка с инструментом Применить символы слоя.
В инструменте Применить символы слоя для Слоя символов щелкните кнопку Обзор.
В окне Слой символов перейдите в папку Solar_in_Glover и дважды щелкните Suitable_Buildings.lyrx.
Оставьте все другие параметры без изменений и щелкните Запустить.
Символы слоя обновлены.
На ленте щелкните вкладку Карта. В группе Слой нажмите Базовая карта, а затем Тёмно-серое полотно.
Базовая карта будет добавлена на карту.
Исследуйте окончательную карту.
Более крупные здания, как правило, имеют более высокий потенциал производства электроэнергии, чем односемейные жилые дома. Эта особенность существенна, потому что большие здания имеют большую поверхность крыши. Однако более крупные здания также имеют более высокие потребности в электроэнергии.
Среднее домашнее хозяйство в Соединенных Штатах потребляет 10.77 МВтч в год. Могут ли многие домохозяйства в районе Гловер-Парк покрыть большую часть или все свои потребности в электроэнергии солнечными батареями?
Вы также можете проверить общее количество энергии, которое может быть произведено районом.
На панели Содержание правой кнопкой мыши щелкните Suitable_Buildings и выберите Таблицу атрибутов.
В таблице атрибутов щелкните правой кнопкой мыши имя столбца Elec_Prod_MWh и выберите Статистика.
Откроется диаграмма, показывающая распределение значений поля в виде гистограммы.
На ленте диаграммы щелкните кнопку Свойства.
Появиться панель Свойства диаграммы. Панель содержит статистику, в том числе суммарный потенциал производства электроэнергии для всех зданий.
Ваша статистика может немного отличаться от примера изображения.
Весь район имеет потенциал для производства более 20 000 МВтч.
Закройте панель Свойства диаграммы, диаграмму и таблицу атрибутов. Сохраните проект.

Вы достигли своей цели и определили потенциал солнечной энергии в районе Гловер-Парк в Вашингтоне, округ Колумбия. Для этого вы использовали ЦММ для создания растрового слоя солнечного излучения. Затем вы определили подходящие крыши для солнечных батарей и рассчитали, сколько энергии могут генерировать эти крыши.

Ваши результаты представляют среднегодовую оценку. Тем не менее, производство электроэнергии на основе солнечной энергии меняется в зависимости от сезона, так как продолжительность дня и часы солнечного света меняются. Вы также можете выполнить рабочий процесс этого урока для определенных дней года, таких как зимнее и летнее солнцестояние и осеннее и весеннее равноденствие, чтобы определить самые высокие, самые низкие и средние значения выработки солнечной энергии.

Этот рабочий процесс может быть реплицирован для любого сообщества, если у вас есть контуры зданий и ЦММ. Многие сообщества предоставляют открытые данные ГИС. Данные для этого урока были получены с веб-сайта Open Data DC.

Еще больше уроков вы найдете в Галерее уроков Learn ArcGIS.

Авторские права третьих лиц

Онлайн-тесты на oltest.ru: Концепции современного естествознания

Онлайн-тестыТестыЕстествознаниеКонцепции современного естествознаниявопросы451-465

451. Законы движения планет в Солнечной системе установил:
• Кеплер

452. Источники космического радиоизлучения с очень большой стабильностью периода — это:
• пульсары

453. К какому типу галактик относится наша галактика:
• спиралевидных

454. Кеплер установил, что:
• все планеты движутся по эллипсам, в одном из фокусов которых находится Солнце

455. Космогония — это наука, изучающая:
• происхождение и развитие космических тел и их систем

456. Космология — это:
• физическое учение о Вселенной как о целом, включающим в себя теорию строения всего охваченного астрономическими наблюдениями мира как части Вселенной

457. Наше Солнце — это:
• желтый карлик

458. Одна астрономическая единица — это расстояние:
• от Земли до Солнца

459. При помощи вычислений, основанных на теории И. Ньютона, была открыта:
• планета Плутон

460. Сильное взаимодействие передается:
• глюонами

461. Сингулярность — это:
• начальное состояние Вселенной

462. Совокупностью наук, занимающихся созданием естественно-научной картины Вселенной, является:
• астрономия, космология, космогония, физика

463. Частицы, имеющие дробный электрический заряд — это:
• кварки

464. Энергия Солнца поддерживается за счет:
• термоядерного синтеза

465. Автором строк: «Основной задачею современной химии является установление зависимости состава, реакций и свойств простых и сложных тел от основных свойств входящих в их состав элементов, чтобы на основании известного характера данного элемента можно было заключить о неизвестном еще составе и свойствах его соединений», — является:
• Д.И. Менделеев

Солнце | Науки о Земле

Рассмотрим Землю, Луну и все другие планеты в нашей солнечной системе. Подумайте о массе, которую должны иметь все эти объекты, когда их все сложить. Однако в совокупности они составляют всего 0,2% от общей массы Солнечной системы. Солнце составляет оставшиеся 99,8% всей массы Солнечной системы (рис. 24.17)! Солнце — центр Солнечной системы и самый большой объект в Солнечной системе. Наше Солнце — звезда, которая дает свет и тепло и поддерживает почти все живое на Земле.

В этом уроке вы узнаете об особенностях Солнца. Мы обсудим состав Солнца, его атмосферу и некоторые особенности его поверхности.

Слои Солнца

Солнце — сфера, но в отличие от Земли и Луны не твердое тело. Большинство атомов на Солнце существует в виде плазмы или четвертого состояния материи, состоящего из перегретого газа с электрическим зарядом. Наше Солнце почти полностью состоит из элементов водорода и гелия.Поскольку Солнце не является твердым телом, у него нет определенной внешней границы. Однако у него есть определенная внутренняя структура. Есть несколько идентифицируемых слоев Солнца:

Ядро — это самый внутренний или центральный слой Солнца. Ядро — плазма, но движется аналогично газу. Его температура составляет около 27 миллионов градусов по Цельсию. В ядре ядерные реакции объединяют атомы водорода в гелий, высвобождая при этом огромное количество энергии. Затем высвобожденная энергия начинает двигаться наружу, к внешним слоям Солнца.

Излучательная зона находится сразу за пределами ядра, температура которого составляет около 7 миллионов градусов Цельсия. Энергия, выделяемая в ядре, очень медленно проходит через радиационную зону. Частицы света, называемые фотонами, могут пройти всего несколько миллиметров, прежде чем они столкнутся с другой частицей на Солнце, будут поглощены и затем снова высвобождены. Фотону может потребоваться до 50 миллионов лет, чтобы пройти через радиационную зону.

Конвекционная зона окружает радиационную зону.В зоне конвекции горячий материал из близкого к центру Солнца поднимается, охлаждается на поверхности, а затем опускается вниз, чтобы получить больше тепла от радиационной зоны. Это движение помогает создавать солнечные вспышки и солнечные пятна, о которых мы скоро узнаем. Эти первые три слоя составляют то, что мы на самом деле назвали бы «Солнцем». Следующие три слоя составляют атмосферу Солнца. Конечно, у любой части Солнца нет твердых слоев, поэтому эти границы нечеткие и нечеткие.

«Атмосфера» Солнца

Фотосфера — видимая поверхность Солнца (Рисунок 24.18). Это область Солнца, излучающая солнечный свет. Это также один из самых холодных слоев Солнца — всего около 6700 ° C. Глядя на фотографию поверхности Солнца, вы можете увидеть, что она имеет несколько разных цветов; апельсиновый, желтый и красный, придающий ему зернистый вид. Мы не можем увидеть этого, когда быстро смотрим на Солнце. Наши глаза не могут фокусироваться так быстро, а Солнце слишком яркое, чтобы мы могли смотреть на него дольше, чем на короткое время. Если смотреть на Солнце в течение любого времени, это может вызвать слепоту, так что не пытайтесь! Солнечный свет исходит из фотосферы Солнца.Часть света, идущего от Солнца, достигает Земли. Он распространяется как свет в диапазоне длин волн, включая видимый свет, ультрафиолетовое излучение и инфракрасное излучение . Видимый свет — это весь свет, который мы можем видеть своими глазами. Мы не видим ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, но их эффекты все же можно обнаружить. Например, солнечный ожог вызван ультрафиолетовым излучением, когда вы проводите слишком много времени на Солнце.

Рисунок 24.18 : Слои Солнца.

Хромосфера — это зона толщиной около 2 000 километров, которая расположена прямо над фотосферой. Хромосфера — это тонкая область атмосферы Солнца, которая светится красным, поскольку нагревается энергией фотосферы. Температуры в хромосфере колеблются от примерно 4000 ° C до примерно 10 000 ° C. Струи газа проносятся сквозь хромосферу со скоростью до 72 000 километров в час, достигая высоты 10 000 километров.

Корона — это самый внешний слой Солнца и самая внешняя часть его атмосферы.Это ореол или «корона» Солнца. Он имеет температуру от 2 до 5 миллионов градусов по Цельсию и намного горячее, чем видимая поверхность Солнца или фотосфера. Корона простирается в космос на миллионы километров. Если у вас когда-либо будет возможность увидеть полное солнечное затмение, вы сможете увидеть корону Солнца, сияющую в космосе.

В ядре Солнца ядерный синтез реакций генерируют энергию, превращая водород в гелий. Синтез — это процесс, при котором ядра атомов соединяются, образуя более тяжелый химический элемент.Реакции синтеза в ядре Солнца производят энергию, которую мы воспринимаем как тепло и свет. Остальная часть Солнца нагревается за счет движения тепловой энергии наружу от ядра. Световая энергия Солнца исходит из фотосферы. Он путешествует в космосе, и часть его достигает Земли. Солнце является источником почти всей энергии на Земле, а солнечный свет поддерживает фотосинтез , а также согревает и освещает нашу Землю.

Характеристики поверхности Солнца

Наиболее заметной особенностью поверхности Солнца является наличие солнечных пятен, которые представляют собой более холодные и темные области на поверхности Солнца.Солнечные пятна видны только через специальные светофильтры. Они проявляют сильную магнитную активность. Эти области более холодные и темные, потому что петли магнитного поля Солнца прорываются сквозь поверхность и нарушают плавный перенос тепла от нижних слоев. Пятна обычно встречаются парами. Когда петля магнитного поля Солнца прорывается через поверхность, она обычно создает солнечное пятно как там, где оно выходит, так и то, где оно снова входит. Солнечные пятна обычно возникают в 11-летнем цикле, начиная с минимального количества солнечных пятен, увеличиваясь до максимального количества солнечных пятен и затем постепенно уменьшаясь до минимального количества солнечных пятен.

Если петля магнитного поля Солнца лопнет и разорвется, она вызовет солнечные вспышки, которые представляют собой сильные взрывы, выделяющие огромное количество энергии (рис. 24.19). Они испускают потоки высокоэнергетичных частиц, составляющих солнечный ветер. Солнечный ветер может быть опасен для космических кораблей и космонавтов. Он испускает большое количество радиации, которая может нанести вред человеческому телу. Солнечные вспышки вывели из строя целые электросети и могут нарушить связь по радио, спутниковой связи и сотовой связи.

Рисунок 24.19 : Солнечная вспышка.

Еще одна очень заметная деталь на Солнце — солнечные протуберанцы. Если плазма течет по петле магнитного поля Солнца от пятна к пятну, она образует светящуюся арку, которая проникает на тысячи километров в атмосферу Солнца. Выступы могут длиться от дня до нескольких месяцев. Выступы также видны во время полного солнечного затмения.

Красивое и загадочное воздействие электрически заряженных частиц Солнца — полярные сияния, которые образуются вокруг полярных областей высоко в атмосфере Земли.Газы в атмосфере Земли возбуждаются электрически заряженными частицами солнечного ветра, и их свечение создает световые завесы, которые изгибаются и изменяются, когда вы смотрите.

Краткое содержание урока

Масса Солнца огромна. Он составляет 99,8% массы нашей Солнечной системы.
Солнце в основном состоит из водорода с меньшим количеством гелия в форме плазмы.
Основная часть Солнца состоит из трех слоев: ядра, радиационной зоны и конвективной зоны.
Атмосфера Солнца также состоит из трех слоев: фотосферы, хромосферы и короны.
Ядерный синтез водорода в ядре Солнца производит огромное количество энергии, исходящей от Солнца.
Некоторые особенности поверхности Солнца включают солнечные пятна, солнечные вспышки и протуберанцы.

Обзорные вопросы

Каким образом Солнце поддерживает все живое на Земле?
Какие два элемента составляют Солнце почти полностью?
Какой процесс является источником тепла на Солнце и где он происходит?
Некоторые ученые хотели бы спланировать путешествие, чтобы доставить людей на Марс.Одна из причин, мешающих нам это сделать, — это солнечный ветер. Почему нас должен волновать солнечный ветер?
Опишите, как движения в зоне конвекции способствуют возникновению солнечных вспышек.
Как вы думаете, реакции синтеза в ядре Солнца будут продолжаться вечно и без конца? Поясните свой ответ.

Словарь

хромосфера: Тонкий слой атмосферы Солнца, расположенный прямо над фотосферой; светится красным.
конвекционная зона: Слой Солнца, окружающий радиационную зону; энергия движется как текущие ячейки газа.
ядро: Самый внутренний или центральный слой Солнца.
корона: Самый дальний слой Солнца; плазма, простирающаяся на миллионы километров в космос.
ядерный синтез: Слияние ядер атомов с образованием новых, более тяжелых химических элементов; При этом выделяется огромное количество ядерной энергии.
Фотосфера: Слой Солнца, который мы видим; видимая поверхность Солнца.
фотосинтез: Процесс, который зеленые растения используют для преобразования солнечного света в энергию.
плазма: Высокоэнергетическая и высокотемпературная форма вещества. Электроны удаляются из атомов, оставляя каждый атом с электрическим зарядом.
радиация: Энергия электромагнитная; фотоны.
радиационная зона: Слой Солнца, непосредственно окружающий ядро; энергия перемещает атом к атому в виде электромагнитных волн.
солнечная вспышка: Сильный взрыв на поверхности Солнца.
солнечный ветер: Поток излучения от солнечной вспышки. Солнечный ветер простирается на миллионы километров в космос и даже может достигать Земли.
пятен: Более прохладные, более темные участки на поверхности Солнца, имеющие более низкую температуру, чем окружающие области; пятна обычно встречаются парами.

Пункты для рассмотрения

Если бы что-то внезапно остановило ядерный синтез на Солнце, как бы мы узнали?
Есть ли виды опасной энергии от Солнца? На что они могут повлиять?
Если Солнце состоит из таких газов, как водород и гелий, как оно может иметь слои?

Сила Солнца

Солнце — ближайшая к Земле звезда. Даже на расстоянии 150 миллионов километров (93 миллиона миль) его гравитационное притяжение удерживает планету на орбите. Он излучает свет и тепло, или солнечную энергию, что делает возможным существование жизни на Земле.

Растениям для роста необходим солнечный свет. Животные, в том числе люди, нуждаются в растениях для пищи и производимого ими кислорода. Без солнечного тепла Земля замерзла бы. Не было бы ветра, океанских течений или облаков, переносящих воду.

Солнечная энергия существует столько же, сколько солнце — около 5 миллиардов лет.Хотя люди существуют не так давно, они уже тысячи лет используют солнечную энергию различными способами.

Солнечная энергия необходима для сельского хозяйства — обработки земли, выращивания сельскохозяйственных культур и разведения скота. Развитое около 10 000 лет назад сельское хозяйство сыграло ключевую роль в подъеме цивилизации. Солнечные методы, такие как севооборот, увеличивают урожай. Сушка продуктов при помощи солнца и ветра предотвращала порчу урожая. Этот излишек еды позволил создать более плотное население и структурированные общества.

Ранние цивилизации по всему миру располагали здания лицом на юг, чтобы собирать тепло и свет. Они использовали окна и световые люки по той же причине, а также для обеспечения циркуляции воздуха. Это элементы солнечной архитектуры. Другие аспекты включают использование выборочного затенения и выбор строительных материалов с тепловой массой, то есть они сохраняют тепло, например, камень и бетон. Сегодня компьютерные программы делают приложения проще и точнее.

Теплица — еще одна ранняя солнечная разработка.Преобразуя солнечный свет в тепло, теплицы позволяют выращивать растения вне сезона и в неподходящем для них климате. Одна из самых ранних теплиц датируется 30 годом н. Э., Еще до изобретения стекла. Построенный из полупрозрачных пластин слюды, тонкого минерала, он был построен для римского императора Тиберия, который хотел есть огурцы круглый год. Сегодня общая методика остается такой же, хотя было сделано много улучшений для увеличения разнообразия и количества выращиваемых культур.

После сбора пищи солнечная энергия может быть использована для ее приготовления. Первая плита на солнечных батареях была построена в 1767 году швейцарским физиком Горацием де Соссюром. Он достиг температуры 87,8 градуса по Цельсию (190 градусов по Фаренгейту) и использовался для приготовления фруктов. Сегодня существует множество различных типов солнечных печей, которые используются для приготовления, сушки и пастеризации, что замедляет рост микробов в пище. Поскольку они не используют ископаемое топливо, они безопасны, не вызывают загрязнения и не вызывают вырубки лесов.

Солнечные плиты используются во многих частях мира, и их количество растет. По оценкам, только в Индии их установлено полмиллиона. В Индии есть две самые большие в мире системы для приготовления пищи на солнечных батареях, которые могут ежедневно готовить пищу для 25 000 человек. По словам премьер-министра Индии Манмохана Сингха, «Поскольку исчерпаемые источники энергии в стране ограничены, существует острая необходимость сосредоточить внимание на развитии возобновляемых источников энергии и использовании энергоэффективных технологий. ”

В Никарагуа модифицированная солнечная плита используется для стерилизации медицинского оборудования в клиниках.

Солнечная тепловая энергия может использоваться для нагрева воды. Впервые представленный в конце 1800-х годов, солнечный водонагреватель был большим усовершенствованием по сравнению с печами, которые сжигали дрова или уголь, поскольку он был чище и дешевле в эксплуатации. Они были очень популярны в американских домах в солнечных местах, включая Аризону, Флориду и Калифорнию. Однако в начале 1900-х годов стали доступны недорогие нефть и природный газ, и начали заменяться солнечные системы водоснабжения.Сегодня они снова не только популярны; они становятся нормой в некоторых странах, включая Китай, Грецию и Японию. Их даже требуется использовать в любом новом строительстве в Австралии, Израиле и Испании.

Помимо нагрева воды, солнечная энергия может использоваться для того, чтобы сделать ее пригодной для питья или питья. Один из методов — солнечная дезинфекция (SODIS). Разработанный в 1980-х годах, SODIS включает наполнение пластиковых бутылок содовой водой, а затем их выдержку на солнечном свете в течение нескольких часов. Этот процесс уменьшает количество вирусов, бактерий и простейших в воде.Более 2 миллионов человек в 28 развивающихся странах ежедневно используют этот метод для получения питьевой воды.
Солнечная энергия — преобразование солнечного света в электричество — еще одно применение солнечной технологии. Это можно сделать несколькими способами. Двумя наиболее распространенными являются фотоэлектрические (солнечные элементы) и концентрирующая солнечная энергия.

Солнечные элементы преобразуют солнечный свет непосредственно в электричество. Количество энергии, генерируемой каждой ячейкой, очень низкое. Следовательно, большое количество ячеек должно быть сгруппировано вместе, как панели, установленные на крыше дома, для выработки достаточной мощности.

Первый солнечный элемент был построен в 1880-х годах. Самое раннее крупное применение было на американском спутнике Vanguard I, запущенном в 1958 году. Радиопередатчик, работающий на солнечных батареях, работал около семи лет; один, использующий обычные батареи, работал всего 20 дней. С тех пор солнечные элементы стали общепринятым источником энергии для спутников, в том числе используемых в телекоммуникационной отрасли.

На Земле солнечные элементы используются во всем: от калькуляторов и часов до домов, коммерческих зданий и даже стадионов.Всемирный стадион Гаосюн на Тайване, построенный в 2009 году для проведения Всемирных игр, имеет более 8 800 солнечных батарей на крыше. Чарльз Лин, директор Тайваньского бюро общественных работ, сказал: «Панели солнечной энергии стадиона сделают его самодостаточным для удовлетворения потребностей в электроэнергии». Когда стадион не используется, он может обеспечивать электроэнергией 80 процентов окрестностей.

В отличие от солнечных батарей, которые используют солнечный свет для выработки электроэнергии, технология концентрирования солнечной энергии использует солнечное тепло.Линзы или зеркала фокусируют солнечный свет в небольшой луч, который можно использовать для управления котлом. Это производит пар для работы турбин для выработки электроэнергии. Этот метод будет использоваться на генерирующей станции Solana, которую строит коммунальная компания APS за пределами Феникса, штат Аризона, в США. По завершении строительства в 2012 году Solana станет одной из крупнейших солнечных электростанций в мире. После выхода на полную мощность он будет обслуживать 70 000 домов.

«Это важная веха для Аризоны в наших усилиях по увеличению количества возобновляемой энергии, доступной в Соединенных Штатах», — сказал бывший губернатор Аризоны.Джанет Наполитано.

Есть некоторые проблемы с солнечной энергией. Во-первых, он прерывистый или непостоянный. Когда нет солнца — например, ночью — невозможно произвести электричество. Для обеспечения непрерывной подачи энергии необходимо использовать накопители или другие источники энергии, например энергию ветра. Во-вторых, хотя фотоэлектрическую и концентрирующую солнечную энергию можно использовать практически где угодно, необходимое для них оборудование занимает много места. Установка, за исключением существующих конструкций, может оказать негативное влияние на экосистему, вытесняя растения и диких животных.Наконец, стоимость сбора, преобразования и хранения солнечной энергии очень высока. Однако по мере развития технологий и роста спроса затраты снижаются.

Ископаемые виды топлива, такие как уголь, нефть и природный газ, в настоящее время производят большую часть нашей электроэнергии и энергии. Они также производят почти все наши загрязнения. Кроме того, они невозобновляемые, что означает ограниченное предложение.

Солнце, с другой стороны, в изобилии предлагает бесплатную и чистую энергию. Фактически, он дает гораздо больше энергии, чем мы можем когда-либо использовать.Вопрос только в том, как и когда мы воспользуемся этим в полной мере.

Как Солнце производит энергию?

Можете ли вы представить жизнь на Земле без Солнца? Это может быть весело около часа. Вы можете сыграть с друзьями в классную игру с фонариком, а затем рассказывать жуткие истории у костра.

Но скоро это будет не так весело. Вскоре вам нужно будет поддерживать огонь круглосуточно, потому что без солнечного тепла Земля станет намного холоднее.Кроме того, со временем станет не хватать пищи, поскольку растения не будут расти без солнечного света, необходимого для фотосинтеза.

Энергия Солнца также поддерживает погоду Земли и, через испарение, круговорот воды. Остается только догадываться, какой была бы Земля, если бы эти важные процессы не работали должным образом. Можно с уверенностью сказать, что жизнь на Земле не просуществовала бы очень долго, если бы Солнце погасло.

Ученым давно известно, что Солнце делает возможной жизнь на Земле. Мы используем энергию Солнца по-разному.Но как Солнце производит всю эту энергию? Чтобы выяснить это, нам нужно добраться до сути вопроса и добраться до ядра Солнца.

В отличие от Земли, которая состоит в основном из железа, камней, воды и многих других элементов, Солнце состоит в основном из газообразного водорода. Однако Солнце похоже на Землю в одном: его ядро - безусловно, самая горячая часть.

Помимо сильной жары, в ядре Солнца существует невероятное давление. Фактически, огромное количество атомов водорода в ядре Солнца сжимается и нагревается так сильно, что сливаются вместе.

Эта реакция, известная как ядерный синтез, превращает атомы водорода в гелий. Побочным продуктом ядерного синтеза в ядре Солнца является огромный объем энергии, который высвобождается и излучается наружу к поверхности Солнца, а затем в Солнечную систему за ее пределами.

Реакция ядерного синтеза, происходящая в ядре Солнца, похожа на реакцию, вызывающую мощный взрыв водородной бомбы. Конечно, реакции синтеза, которые происходят в ядре Солнца, почти бесконечно мощнее водородной бомбы.Так почему же не взрывается Солнце?

Внешнее давление, создаваемое реакциями синтеза в ядре Солнца, уравновешивается внутренним давлением, создаваемым гравитационной силой всех газов, окружающих ядро. Звезды могут схлопнуться и взорваться, если реакции синтеза в их ядрах станут слишком слабыми или слишком сильными.

К счастью для тех из нас, кто живет на Земле, внешнее и внутреннее давление Солнца хорошо сбалансировано, в результате чего к нам приходит устойчивый поток энергии.По оценкам ученых, из всей энергии, производимой Солнцем, Земля получает лишь около двух миллиардных ее части.

Из этого количества около трети отражается обратно в космос облаками и снегом. Чуть более 40% нагревает Землю, а около 25% используется круговоротом воды. Ветры и океанские течения поглощают около 1%, в то время как все растения на Земле используют только около 0,023% для фотосинтеза!

Подземный эксперимент подтверждает, что движет солнцем | Наука

Ученые долгое время считали, что сила Солнца во многом обусловлена слиянием протонов в гелий, но теперь они наконец могут это доказать.Международная группа исследователей с помощью детектора, похороненного глубоко под горами центральной Италии, обнаружила нейтрино — призрачные частицы, которые очень неохотно взаимодействуют с материей, исходящие из сердца Солнца. Другие солнечные нейтрино были обнаружены и раньше, но именно эти возникают в результате ключевой реакции протон-протонного синтеза, которая является первой частью цепочки реакций, обеспечивающих 99% солнечной энергии.

Результаты также показывают, что солнце является исключительно стабильным источником энергии.Нейтрино требуется всего 8 минут, чтобы добраться от ядра Солнца до Земли, поэтому скорость образования нейтрино, которую обнаружила группа, отражает количество тепла, выделяемого Солнцем сегодня. Так уж получилось, что это то же самое количество энергии, которое сейчас излучается с поверхности Солнца, даже несмотря на то, что этим фотонам потребовалось 100 000 лет, чтобы пройти путь от ядра к поверхности. Следовательно, производство солнечной энергии не изменилось за 100 тысячелетий. «Это прямое доказательство стабильности Солнца на протяжении последних 100 000 лет или около того», — говорит член группы Андреа Покар из Массачусетского университета в Амхерсте.

Ядро Солнца — это огненная печь, настолько горячая и плотная, что протоны — ядра водорода, основной составляющей Солнца — сталкиваются с такой силой, что они сливаются, образуя ядро дейтерия (тяжелый водород, состоящий из протона и нейтрона). ) плюс антиэлектрон и нейтрино. Это начало целой последовательности реакций: протоны сталкиваются с дейтерием с образованием гелия-3; гелий-3 объединяются, чтобы дать гелий-4 плюс протоны; другие реакции производят литий, бериллий и бор. Многие из этих реакций производят нейтрино, но подавляющая часть потока нейтрино от Солнца создается исходной протон-протонной, или рр-реакцией.«Реакция pp — самый простой процесс. Все, что происходит на Солнце, происходит от него », — говорит Стив Биллер из Оксфордского университета и Великобритании, представитель строящегося в Канаде детектора нейтрино SNO +, который не принимал участия в новой работе.

Ученые обнаруживают нейтрино с 1960-х годов. Изначально дефицит в две трети обнаруживаемости запутал результаты. Оказалось, что нейтрино могут переходить из одного типа в другой, когда они летают в космосе, но детекторы были чувствительны только к одному из трех типов.Как только эта «проблема нейтрино» была решена, нейтринные обсерватории продолжили обнаруживать нейтрино почти всех предсказанных реакций на Солнце, но не реакции pp. Что делает pp-реакцию сложной, так это то, что нейтрино имеют очень низкую энергию, примерно такую же, как энергия различных радиоактивных распадов, которые происходят на Земле, что позволяет наземному детектору легко спутать распад с нейтринным событием. «Обнаружить нейтрино такого типа практически невозможно. Вам потребуется очень низкий уровень фона и много терпения », — говорит Биллер.

Детектор Borexino в Национальной лаборатории Гран-Сассо, на 1400 метров ниже итальянских Апеннин, состоит из сферического прозрачного сосуда, заполненного 300 тоннами высокочистого псевдокумола, похожей на бензол жидкости. Нейтрино легко проходят через вышележащую породу, но иногда можно столкнуться с ядром в этой «сцинтилляционной» жидкости, создавая вспышку света, которую обнаруживает массив детекторов, расположенных по всей сфере. Такие детекторы всегда располагаются глубоко под землей, чтобы защитить их от космических лучей, и окружены буферными слоями жидкости, чтобы отразить радиоактивный распад в породах.

Несмотря на эти усилия, для обнаружения pp-нейтрино коллаборации Borexino пришлось пройти особенно длительную кампанию очистки, чтобы снизить уровни радиоактивных примесей в сцинтилляционной жидкости, особенно криптона-85, побочного продукта ядерных испытаний и переработки, который теперь проникает в атмосферу. и дает сигнал распада, очень похожий на сигнал от прихода рр-нейтрино. «Любая крошечная утечка воздуха и криптон-85 попадут внутрь», — говорит Покар. По словам Биллера, исследователи «действительно продвинулись вперед, достигнув смехотворно низкого уровня радиоактивного загрязнения».”

Затем последовали полтора года сбора данных и год анализа, «чтобы показать, что это не было фоном или детекторным эффектом», — говорит Покар. После кропотливого удаления нескольких источников фоновых сигналов команда осталась с потоком нейтрино в 66 миллиардов на квадратный сантиметр в секунду, что близко к предсказанию стандартной солнечной модели в 60 миллиардов, сообщают они сегодня онлайн в Nature .

«Они проделали великолепную работу — невероятно впечатляюще», — говорит Биллер.«Они отрывают ветви, чтобы добраться до ствола основного процесса».

Наша Звезда, Солнце | StarDate Online

По человеческим меркам Солнце вечно. Он поднимается на востоке каждое утро, садится на западе каждый вечер и ярко сияет, пересекая небо. Однако, как и все звезды, Солнце постоянно меняется. Некоторые изменения происходят в течение дней или даже минут, для других требуются десятилетия, а для третьих — миллионы или миллиарды лет.

Солнце родилось около 4,6 миллиарда лет назад в результате гравитационного коллапса огромного облака газа и пыли. Материал в центре облака был сжат так сильно, что стал достаточно горячим, чтобы зажечь ядерный синтез.

Сегодня Солнце продолжает синтезировать атомы водорода, чтобы в ядре образовался гелий. Каждую секунду он сжигает около 600 миллионов тонн водорода, в результате чего получается 596 миллионов тонн гелия. Оставшиеся четыре миллиона тонн водорода преобразуются в энергию, заставляющую сиять Солнце.Большая часть этой энергии находится в форме гамма-лучей и рентгеновских лучей. Поскольку энергия продвигается к поверхности — процесс, который занимает столетия — она поглощается другими атомами, а затем повторно излучается на других длинах волн. Когда он достигает поверхности, откуда он может уйти в космос, большая часть энергии находится в виде видимого света.

Движение горячего газа под поверхностью Солнца создает мощное магнитное поле. Поле окружает Солнце магнитными силовыми линиями. Эти линии переплетаются, образуя относительно холодные темные магнитные бури на поверхности Солнца, известные как солнечные пятна.Иногда запутанные линии «лопаются», вызывая огромные энергетические взрывы, известные как солнечные вспышки. Магнитные эффекты также вытягивают большие потоки горячего газа с поверхности Солнца, и они нагревают тонкую внешнюю атмосферу Солнца до температуры более одного миллиона градусов.

Число солнечных пятен и вспышек достигает пика каждые 11 лет, когда магнитное поле Солнца переворачивается. Для завершения полного цикла требуется два «переворота».

Солнце будет сжигать водород еще несколько миллиардов лет.По мере того, как он истощает запас водорода, его ядро сжимается, а температура поднимается достаточно высоко, чтобы вместо этого он мог сжигать гелий. Поверхность Солнца раздувается, как воздушный шар, становясь все холоднее, ярче и краснее, образуя красного гиганта.

В конце концов, когда Солнце сжигает гелий, чтобы сформировать более тяжелые элементы, оно достигнет критической точки, когда синтез не сможет высвободить достаточно энергии для образования новых элементов, поэтому синтез закончится.

После этого Солнце сбросит свои внешние слои, окружив себя разноцветным пузырем газа, называемым планетарной туманностью.По мере того как туманность рассеивается, распределяя углерод, кислород и другие элементы в галактике, останется только коллапсировавшее ядро Солнца — плотный шар не больше Земли, содержащий около 60 процентов первоначальной массы Солнца. Этот мертвый остаток называется белым карликом. В течение многих миллиардов лет Солнце в виде белого карлика остынет и исчезнет из поля зрения, оставив после себя темный космический тлеющий уголек.

Что такое солнечные пятна?

Солнечные пятна — это области на видимой поверхности Солнца или «фотосфере», где газы были захвачены магнитными полями.Более горячий материал, вырывающийся из недр Солнца, не может проникнуть через сильные магнитные поля (примерно в 10 000 раз сильнее земных) и, таким образом, не может достичь поверхности. Эти магнитные области холоднее (около 6700 градусов по Фаренгейту (3750 C)), чем остальная часть фотосферы, поэтому светятся они не так ярко. Солнечные пятна на самом деле довольно яркие, но выглядят как темные пятна на гораздо более ярком фоне.

Солнечные пятна имеют сложную структуру, обусловленную геометрией магнитных полей.Самая темная область в центре, «тень», — это место, где магнитное поле наиболее сильное. У края пятна поле ослабевает, поэтому эта «полутень» немного ярче и показывает радиальные полосы. Иногда «световые мосты» пересекают тень, как искры, прыгающие через промежуток в свече зажигания.

Количество солнечных пятен, видимых на поверхности Солнца, варьируется от максимального до минимального и обратно в течение среднего периода в 11 лет, называемого циклом солнечных пятен. Самый последний солнечный максимум произошел в 2014 году и был одним из самых слабых за всю историю наблюдений.Самый последний минимум произошел в 2019 году. Ученые предсказывают, что следующий пик будет между 2023 и 2026 годами и может быть даже слабее предыдущего.

Экологическая осведомленность: знание своего мира

Жизнь на Земле возможна, потому что энергия течет в одном направлении через экосистемы, а материя бесконечно вращается. Вода и элементы, такие как углерод, азот, фосфор и сера, являются примерами веществ, которые циркулируют в экосистемах.

Первоначальным источником почти всей энергии в экосистеме является Солнце. Вся энергия, выделяемая солнцем, не достигает Земли. Одна миллиардная часть всей энергии, выделяемой Солнцем, фактически достигает Земли. Из всей энергии, которая достигает Земли, чуть менее 34 процентов отражается обратно в космос облаками. Сама Земля отражает еще 66 процентов обратно в космос. Менее одного процента всей энергии, которая достигает Земли, используется растениями для фотосинтеза. Растения часто называют производителями из-за их способности самостоятельно готовить пищу из солнечной энергии.

Когда ученые обсуждают энергию, они часто ссылаются на законы термодинамики. Первый закон термодинамики гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена. Второй закон гласит, что энергия постоянно преобразуется из высококачественной в низкокачественную. Энергия высокого качества способна выполнять большой объем работы, тогда как энергия низкого качества способна выполнять меньше работы. Ученые знают, что качество энергии всегда меняется с высокого на низкое во время работы. Во время изменения часть энергии теряется в виде тепла, которое не может работать. Количество энергии, теряемой в виде тепла, часто достигает 90 процентов от общей энергии.

Собирая все это вместе в примере, если бы 1 000 000 единиц солнечной энергии достигли Земли, один процент или 10 000 единиц были бы доступны для использования растениями. Из этих 10 000 единиц растения потеряют 90 процентов, или 9 000 единиц, в виде тепла.

Если затем животное съело растения, оно получило бы только 1000 единиц энергии. Эти животные называются первичными потребителями , потому что они не могут производить себе пищу. Коровы и овцы являются примерами основных потребителей. Если другое животное съест корову или овцу, оно получит только 100 единиц энергии, поскольку корова или овца потеряют 900 единиц в виде тепла. Животные, которые едят других животных, называются вторичными потребителями. Ученые считают, что четыре или пять из этих преобразований энергии наиболее вероятны до того, как количество переданной энергии станет слишком маленьким для поддержания жизни.

Автор: доктор Николас Смит-Себасто

Как Солнце производит энергию?

Есть причина, по которой Земля является единственным местом в Солнечной системе, где жизнь, как известно, может жить и процветать. Конечно, ученые считают, что могут существовать микробные или даже водные формы жизни, живущие под ледяными поверхностями Европы и Энцелада или в метановых озерах на Титане. Но на данный момент Земля остается единственным известным нам местом, где есть все необходимые условия для существования жизни.

Одна из причин этого в том, что Земля находится в пределах обитаемой зоны нашего Солнца (также известной как «Зона Златовласки»). Это означает, что он находится в нужном месте (ни слишком близко, ни слишком далеко), чтобы получать обильную энергию Солнца, которая включает свет и тепло, которые необходимы для химических реакций. Но как именно наше Солнце производит эту энергию? Какие шаги необходимо предпринять и как это добраться до нас здесь, на планете Земля?

Простой ответ заключается в том, что Солнце, как и все звезды, способно создавать энергию, потому что это, по сути, массивная реакция синтеза.Ученые считают, что это началось, когда огромное облако газа и частиц (то есть туманность) рухнуло под действием собственной силы тяжести — это известно как теория туманностей. Это не только создало большой световой шар в центре нашей Солнечной системы, но и запустило процесс, в результате которого водород, собранный в центре, начал плавиться с образованием солнечной энергии.

Технически известный как ядерный синтез, этот процесс выделяет невероятное количество энергии в виде света и тепла. Но чтобы получить эту энергию от центра нашего Солнца до планеты Земля и дальше, необходимо выполнить несколько важных шагов.В конце концов, все сводится к слоям Солнца и той роли, которую каждый из них играет в обеспечении того, чтобы солнечная энергия попадала туда, где она может помочь в создании и поддержании жизни.

Ядро:
Ядро Солнца — это область, которая простирается от центра примерно до 20–25% радиуса Солнца. Именно здесь, в ядре, энергия вырабатывается атомами водорода (H), превращающимися в молекулы гелия (He). Это возможно благодаря экстремальному давлению и температуре внутри активной зоны, которые, по оценкам, эквивалентны 250 миллиардам атмосфер (25.33 трлн кПа) и 15,7 млн кельвинов соответственно.

Конечный результат — слияние четырех протонов (молекул водорода) в одну альфа-частицу — двух протонов и двух нейтронов, связанных вместе в частицу, идентичную ядру гелия. В результате этого процесса высвобождаются два позитрона, а также два нейтрино (которые превращают два протона в нейтроны) и энергия.

Ядро — единственная часть Солнца, которая выделяет значительное количество тепла за счет синтеза.Фактически, 99% энергии, производимой Солнцем, происходит в пределах 24% радиуса Солнца. На 30% радиуса синтез практически полностью прекратился. Остальная часть Солнца нагревается энергией, которая передается от ядра через последовательные слои, в конечном итоге достигая солнечной фотосферы и улетая в космос в виде солнечного света или кинетической энергии частиц.

Солнце выделяет энергию со скоростью преобразования массы в энергию 4,26 миллиона метрических тонн в секунду, что дает эквивалент 38 460 септиллионов ватт (3.846 × 10 ²⁶ Вт) в секунду. Для сравнения: это эквивалентно примерно 9,192 × 10 ¹⁰ мегатонн в тротиловом эквиваленте в секунду, или 1,820,000,000 Царь-бомбы — самой мощной термоядерной бомбы из когда-либо созданных!

Внутреннее строение Солнца. Предоставлено: Wikipedia Commons / kelvinsong

Радиационная зона:
Это зона непосредственно рядом с ядром, которая простирается примерно до 0,7 солнечного радиуса. В этом слое нет тепловой конвекции, но солнечный материал в этом слое горячий и достаточно плотный, чтобы тепловое излучение — это все, что нужно для передачи интенсивного тепла, генерируемого в ядре, наружу.По сути, это включает ионы водорода и гелия, излучающие фотоны, которые проходят небольшое расстояние, прежде чем повторно поглощаются другими ионами.

Температура в этом слое падает с 7 миллионов кельвинов ближе к ядру до 2 миллионов на границе с конвективной зоной. Плотность также падает в этом слое стократно с 0,25 радиуса Солнца до вершины радиационной зоны, от 20 г / см3 у ближайшего к сердцевине ядра до всего 0,2 г / см3 у верхней границы.

Конвективная зона:
Это внешний слой Солнца, на который приходится все, что превышает 70% внутреннего радиуса Солнца (или от поверхности до прибл.200000 км ниже). Здесь температура ниже, чем в радиационной зоне, и более тяжелые атомы ионизируются не полностью. В результате лучистый перенос тепла менее эффективен, а плотность плазмы достаточно мала для развития конвективных токов.

Из-за этого восходящие тепловые ячейки переносят большую часть тепла наружу к фотосфере Солнца. Как только эти клетки поднимаются до уровня чуть ниже фотосферной поверхности, их материал охлаждается, в результате чего их плотность увеличивается. Это заставляет их снова опускаться к основанию конвективной зоны — где они собирают больше тепла, и конвективный цикл продолжается.

Иллюстрация структуры Солнца и красной звезды-гиганта с указанием их конвективных зон. Предоставлено: ESO

На поверхности Солнца температура падает примерно до 5700 К. Турбулентная конвекция этого слоя Солнца также вызывает эффект, который создает магнитные северный и южный полюса по всей поверхности Солнца.

Также на этом слое возникают солнечные пятна, которые выглядят как темные пятна по сравнению с окружающей областью. Эти пятна соответствуют концентрациям в поле магнитного потока, которые препятствуют конвекции и вызывают снижение температуры областей на поверхности по сравнению с окружающим материалом.

Фотосфера:
И, наконец, фотосфера, видимая поверхность Солнца. Именно здесь солнечный свет и тепло, которые излучаются и передаются на поверхность, распространяются в космос. Температуры в слое находятся в диапазоне от 4500 до 6000 К (4230–5730 ° C; 7646–10346 ° F). Поскольку верхняя часть фотосферы холоднее, чем нижняя часть, изображение Солнца в центре кажется ярче, чем на краю или на краю лимба солнечного диска, что называется потемнением краев.

Фотосфера имеет толщину от десятков до сотен километров, и это также область Солнца, где она становится непрозрачной для видимого света. Причины этого заключаются в уменьшении количества отрицательно заряженных ионов водорода (H ^—), которые легко поглощают видимый свет. И наоборот, видимый свет, который мы видим, возникает, когда электроны реагируют с атомами водорода с образованием ионов H ^—.

Энергия, излучаемая фотосферой, затем распространяется через космос и достигает атмосферы Земли и других планет Солнечной системы. Здесь, на Земле, верхний слой атмосферы (озоновый слой) фильтрует большую часть ультрафиолетового (УФ) излучения Солнца, но пропускает часть на поверхность. Полученная энергия поглощается воздухом и земной корой, нагревая нашу планету и обеспечивая организмы источником энергии.

Фотосфера Солнца, где видимый солнечный свет и тепло отправляются в космос. Предоставлено: NASA / SDO / AIA)

Солнце находится в центре биологических и химических процессов здесь, на Земле.Без этого жизненный цикл растений и животных закончился бы, циркадные ритмы всех земных существ были бы нарушены; и со временем вся жизнь на Земле прекратит свое существование. Важность Солнца была признана с доисторических времен, и многие культуры рассматривали его как божество (чаще всего как главное божество в своих пантеонах).

Но только в последние несколько столетий стали понятны процессы, приводящие в действие Солнце. Благодаря постоянным исследованиям физиков, астрономов и биологов мы теперь можем понять, как Солнце производит энергию и как оно передает ее в нашу Солнечную систему.

КСЕ Тесты с ответами Темы 1-10

Источник энергии Солнца и звёзд

Запасы солнечной энергии

Поиск источника энергии Солнца

Атомная энергия Солнца и звёзд

Уважаемые посетители!

20 секунд при 100 млн градусов

Ядерные реакции в звездах

Время достижения главной последовательности и время жизни на главной последовательности звезд различной массы

5.2. Потенциал солнечной энергии. Условия ее эффективного использования

5.2. Потенциал солнечной энергии. Условия её эффективного использования

Оценка потенциала солнечной энергии | Learn ArcGIS

Открытие проекта

Создание эффекта отмывки

Исследование контуров зданий

Создание слоя солнечного излучения

Преобразование единиц измерения

Присвоение символов слою солнечного излучения

Создание слоя уклонов

Создание слоя экспозиции

Удаление областей с большими уклонами

Удаление областей с низким солнечным излучением

Удаление областей, ориентированных на север

Объедение ячеек по зданиям

Подсказка:

Поиск подходящих зданий

Создание поля для солнечного излучения

Преобразование солнечной радиации в энергию

Назначение символов данным

Авторские права третьих лиц

Онлайн-тесты на oltest.ru: Концепции современного естествознания

Солнце | Науки о Земле

Слои Солнца

«Атмосфера» Солнца

Характеристики поверхности Солнца

Краткое содержание урока

Обзорные вопросы

Словарь

Пункты для рассмотрения

Сила Солнца

Как Солнце производит энергию?

Подземный эксперимент подтверждает, что движет солнцем | Наука

Наша Звезда, Солнце | StarDate Online

Что такое солнечные пятна?

Экологическая осведомленность: знание своего мира

Как Солнце производит энергию?

Емкость и пусковой ток аккумулятора – Пусковой ток аккумулятора. Какой должен быть и что если он большой?

Схема разрядки для никель кадмиевых аккумуляторов своими руками – Автомат для разрядки Ni-Cd аккумуляторов — Уголок радиолюбителя

Добавить комментарий Отменить ответ