НЕБЕСНЫЕ ОБЪЕКТЫ КАК ИСТОЧНИК СВЕТОВОЙ ЭНЕРГИИ Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Статья поступила в редакцию 01.06.13. Ред. рег. № 1671

The article has entered in publishing office 01.06.13. Ed. reg. No. 1671

УДК 628.9.02

НЕБЕСНЫЕ ОБЪЕКТЫ КАК ИСТОЧНИК СВЕТОВОЙ ЭНЕРГИИ И.М. Кирпичникова, А.А. Возмилова

Южно-Уральский государственный университет

454080 Челябинск, пр. Ленина, д. 76 Тел./факс: (351)267-98-94; e-mail: [email protected]

Заключение совета рецензентов: 05.06.13 Заключение совета экспертов: 08.06.13 Принято к публикации: 10.06.13

Рассматриваются небесные объекты с точки зрения возможности использования их для получения дополнительной световой энергии. Исследованы характеристики Луны как самого яркого небесного объекта, проведено их сравнение с солнечным излучением, а также наиболее ярких звезд, северного сияния, белых ночей и рассчитаны значения освещенности, получаемой от этих объектов.

Ключевые слова: небесные объекты, Луна, звезды, полярное сияние, белые ночи, освещенность.

CELESTIAL OBJECTS AS A SOURCE OF LIGHT ENERGY I.M. Kirpichnikova, A.A. Vozmilova

South Urals State University 76 Lenin ave., Chelyabinsk, 454080, Russia Tel./fax: (351)267-98-94; e-mail: [email protected]

Referred: 05.06.13 Expertise: 08.06.13 Accepted: 10.06.13

Celestial objects are considered from the point of view of the possibility of using them for additional light energy. The characteristics of the Moon as the brightest celestial object are explored, and compared with solar radiation, as well as the brightest stars, aurora Polaris, white nights and calculated illumination values of light received from these objects.

Keywords: celestial objects, the Moon, stars, aurora Polaris, white nights, illumination.

Сведения об авторе: магистрант кафедры электротехники и возобновляемых источников энергии Южно-Уральского государственного университета.

Основной круг научных интересов: возобновляемая энергетика. Публикации: 7.

Анна Александровна Возмилова

Всем известны солнечные модули для преобразования энергии солнечных лучей в электрическую. Их применение в мире растет с каждым годом. Это и понятно: Солнце непрерывно излучает в мировое пространство огромное количество энергии, равное 3,94^026 Вт. До Земли доходит лишь часть этой энергии, равная 1,8^1017 Вт.

Ученые всего мира постоянно работают над повышением КПД модулей, поскольку именно этот параметр является основной энергетической характеристикой устройств. Однако каким бы высоким ни был коэффициент преобразования солнечной энергии в электрическую, у солнечных модулей имеется

один существенный недостаток: их применение ограничено лишь светлым временем суток.

В то же время Земля окружена и другими источниками энергии со всех сторон Вселенной: излучение звезд и планет, космические лучи в разных частях диапазона электромагнитного спектра, которые проявляются в темное время суток, и другие.

На первый взгляд, уровень освещенности от них небольшой и, конечно, не может заменить солнечное излучение. Однако стоит рассмотреть вопрос об энергетическом потенциале различных небесных тел с точки зрения преобразования их свечения в электрическую энергию.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 06/1 (127) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

Луна

Луна является основным ночным «светилом». Лунный свет по своей природе состоит в основном из отраженного солнечного света и некоторой доли звездного света (рис. 1). При этом солнечных лучей отражается только 13,6%.

Рис. 2. Фазы Луны Fig. 2. Phases of the Moon

Поскольку лунный свет практически полностью представляет собой отраженный солнечный свет, можно предположить, что спектр лунного света будет таким же, как у солнечного света. Однако это не так. По данным Д. Риддл [1], представленным на рис. 3 и 4, видно, что в лунном свете по сравнению с солнечным светом меньше синего и больше красного. Лунный свет достигает максимума в красной части спектра (643 нм). Длина волны лунного излучения составляет 380-760 нм.

Рис. 1. Поверхность Луны, освещенная Солнцем Fig. 1. The surface of the moon illuminated by the Sun

Лунный цикл составляет 29,5 дня и является основой нашего календарного месяца. Фазы Луны изменяются в зависимости от положения Луны, Земли и Солнца, но при этом фазы не зависят от падения тени Земли на Луну (этот эффект называется лунным затмением). На рис. 2 показаны фазы Луны и примерные дни лунного цикла в районе экватора.

Рис. 4. Спектральное распределение лунного света Fig. 4. Spectral distribution of the moonlight

Рис. 3. Спектральные характеристики лунного света Fig. 3. Spectral characteristics of the moonlight

Рис. 5. Интенсивность лунного света Fig. 5. The intensity of the moonlight

От фазы Луны и состояния неба зависит интенсивность лунного света. На рис. 5 показана освещенность при полной луне в тропических широтах, максимальное значение которой может составлять 1 лк. Для всех остальных географических широт даже в самых благоприятных условиях, когда полная Луна стоит в небе высоко, а воздух очень прозрачен, освещенность доходит до 0,25 люкса, обычно же освещение в полнолуние составляет лишь около 0,1 люкса. В туманную или пасмурную погоду оно оказывается в несколько раз меньше этой величины.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 06/1 (127) 2013 я л © Научно-технический центр «TATA», 2013 ^ '

Рис. 6. Зависимость освещенности от фазы Луны Fig. 6. Dependence of the illumination from the moon phase

Смена фаз Луны происходит с частотой один раз в месяц. С удалением от точки полнолуния в обе стороны сила лунного освещения быстро снижается. Уже через три дня после полнолуния она уменьшается в 2 раза, через четыре дня - в 3 раза, а через семь дней, когда на небе останется половина диска и Луна приобретет форму полукруга, сила света уменьшится в 10 раз (рис. 6).

Происходит это потому, что с удалением от полнолуния убывает не только площадь светлой части диска, но и ее яркость. Как видно из рис. 6, кривая изменения лунного света до полнолуния и после него

не совсем симметрична, т.е. «молодая» Луна дает на 20% больше света, чем «старая» той же формы. Эта разница объясняется тем, что левая половина Луны содержит наиболее крупные пятна, поэтому убывающая Луна дает меньше света. Луна проходит на небе такой же видимый путь, как и Солнце в то или иное время года. Ее лучи падают на земную поверхность и различные предметы под такими же углами и не только в форме прямых лучей, но и в виде рассеянного света от небесного свода, озаренного светилом. Но при этом свет полной Луны в 465000 раз слабее солнечного.

Звезды

Если рассматривать каждую звезду в отдельности, то она дает ничтожное количество света. Но звезд на небе много, и все вместе они дают вполне ощутимое общее освещение.

Все звезды разделены на шесть величин, которые называются звездные величины объектов т. Самые яркие относятся к звездам первой величины, самые тусклые - к звездам шестой величины, а остальные равномерно распределены по промежуточным величинам. Эти величины подобраны так, что типичная звезда первой величины приблизительно в 2,5 раза ярче звезды второй величины, звезда второй величины - в 2,5 раза светлее, чем звезда третьей величины, и т. д. В табл. 1 показаны звездные величины наиболее ярких звезд нашей Галактики.

Самые яркие звезды Brightest starts

Таблица 1 Table 1

Объект Сириус Канопус аЦентавра Арктур Вега Капелла Ригель Процион

Созвездие Большой пес Киль Центавр Волопас Лира Возничий Орион Малый пес

m -1,47 -0,72 -0,27 -0,04 +0,03 +0,08 +0,12 +0,38

Объект Ахернар Бетельгейзе Альтаир Альдебаран Антарес Поллукс Денеб Регул

Созвездие Эридан Орион Орел Телец Скорпион Близнецы Лебедь Лев

m +0,46 +0,50 +0,75 +0,85 +1,09 +1,15 +1,25 +1,35

Значения т показывают яркость звезды относительно нулевой звездной величины, которую имеет блеск Веги. Звездная величина самых ярких объектов отрицательна. Так, блеск Луны в полной фазе достигает -12,7т, а блеск Солнца (самой яркой звезды) равен -26,7т [2].

Ярких звезд на небе мало. Например, звезд первой величины насчитывается не более двух десятков, звезд второй величины - около 50, звезд третьей величины - 134, а звезд шестой величины - около 4800. Однако в небе существует еще огромное количество звезд, невидимых глазом, и именно они играют главную роль в общем свечении неба. Миллионы

таких слабейших светил плотно распределены по каждому участку неба. Их блеск сливается в равномерное сияние, которое входит в общую яркость ночного неба. Вот поэтому небесный свод нигде не бывает совсем черным.

Звезда излучает свет равномерно по всем направлениям, поэтому ее можно считать точечным источником света. Полный световой поток, излучаемый звездой, создает освещенность. Несмотря на такое большое количество звезд, уровень освещенности от них (за исключением Солнца) составляет всего 0,001-0,0001 лк.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 06/1 (127) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

Полярное сияние

Еще одним не изученным до конца источником света из космоса являются полярные (северные) сияния.

Полярное сияние - это свечение (люминесценция) верхних слоев атмосферы планеты, возникающее вследствие их взаимодействия с заряженными частицами солнечного ветра. При столкновении высокоэнергетических частиц солнечного ветра с верхней атмосферой происходит ионизация и возбуждение атомов и молекул газов, входящих в ее состав. Излучение возбужденных атомов и наблюдается как северное сияние.

Интенсивность свечения полярных сияний выражается в баллах по принятой международной шкале (табл. 2).

Таблица 2

Баллы интенсивности полярного сияния

Table 2

Points of intensity of the aurora Polaris

снегом местности. Такие естественные источники начинают работать с 22.00, а на искусственном источнике продолжают гореть только вывески кафе, магазинов и других заведений [5].

Интенсивность свечения, балл Соответствие освещенности небесных объектов

I Млечный путь

II Лунная освещенность тонких перистых облаков

III Лунная освещенность кучевых облаков

IV Полная луна

Объективным методом определения интенсивности свечения полярного сияния является измерение суммарной освещенности с помощью фотоэлементов. Установлено, что соотношение интенсивности самых ярких к самым слабым полярным сияниям составляет 1000:1. Яркость может быть довольно постоянной во времени или же пульсировать с периодом менее минуты.

На рис. 7 показаны линии (изохазмы) Земли, соответствующие среднему годовому количеству полярных сияний. Как видно из рисунка, наибольшее количество полярных сияний наблюдается в северных районах России и Канады. В центральных районах США их количество составляет в среднем около 5 в год [3].

Период полярного сияния обычно продолжается с сентября по апрель. Длительность полярных сияний составляет от десятков минут до нескольких суток. Этот факт говорит о том, что в северных широтах планеты в этот период можно также использовать данное природное явление как дополнительный источник для получения световой энергии [4].

Мощность северного сияния сравнима с ночным освещением улиц. Поэтому, например, несколько финских деревень отказались от уличного освещения. Вместо фонарей в населенных пунктах в сопке Юлляс в Лапландии используется северное сияние. Дополнительное освещение создается ярко-белым

Рис. 7. Распространение полярных сияний в северном полушарии Fig. 7. Distribution of the aurora Polaris in the Northern Hemisphere

Такое же явление наблюдается и в Санкт-Петербурге. Уличное освещение в первой половине лета, как правило, не включается.

Белые ночи

Рис. 8. Появление сумерек над северным полушарием Fig. 8. The appearance of twilight over the Northern Hemisphere

Белые ночи - это, по сути, сумерки, растянувшиеся на всю ночь. Сумерки имеют три градации (гражданские, навигационные и астрономические). Гражданские начинаются сразу после захода Солнца и продолжаются до тех пор, пока оно не опустится ниже горизонта на 6 градусов. В этот период еще

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 06/1 (127) 2013 л ^ © Научно-технический центр «TATA», 2013

достаточно светло, и звезд на небе практически не видно. Далее следуют навигационные сумерки. Названы они так потому, что при свечении в этот период можно было определять координаты судов, т.к. звезды в этот интервал времени хорошо видны на небосводе. При погружении Солнца за горизонт на 12 градусов наступают астрономические сумерки. В это время при ясной погоде отлично видны все звезды, но на небе еще остается подсветка. Полноценная астрономическая ночь начинается тогда, когда Солнце опускается на 18 градусов ниже горизонта. Перед восходом сумерки сменяют друг друга в обратном порядке: астрономические, навигационные, гражданские (рис. 8).

Появление сумерек связано с географическим положением местности. В более низких (южных) широтах Солнце днем опускается под горизонт по крутой траектории и все три порога сумерек проходит всего за час-полтора. В высоких же широтах Солнце движется по пологой траектории и погружается под горизонт медленно. При этом в летний период даже к полуночи оно не успевает преодолеть зону сумерек и сразу начинает подниматься. Таким образом, полноценная астрономическая ночь наступить не успевает. Поэтому этот период получил название белых ночей.

В день летнего солнцестояния 21 июня положение Солнца в Северном полушарии максимально как в полдень, так и в полночь. Его высота составляет Н = 90° - (ф + е), где ф - географическая широта, а е = 23,5° - наклон земной оси.

В этот день на широтах севернее 66,5° Солнце вообще не заходит - здесь наблюдается полярный день. На широтах от 60,5° до 66,5° всю ночь продол-

жаются гражданские сумерки. На широтах от 54,5° до 60,5° - навигационные, а до 48,5° бывают дни, когда астрономические сумерки длятся всю ночь [6].

Белые ночи характерны для большой части территории России. Санкт-Петербург, самый северный в мире город с населением более миллиона человек, расположен на широте 59,9°. Белые ночи стали визитной карточкой этого города.

Помимо Санкт-Петербурга белые ночи наблюдаются на севере Тюменской области (Ханты-Мансийск, Салехард, Новый Уренгой, Сургут и др.), в Архангельске, Якутске. А в таких городах, как Мурманск, Норильск, Нарьян-Мар, Воркута, кроме белых ночей, которые продолжаются примерно шесть недель, наблюдаются и полярные дни. В этих городах белая ночь постепенно светлеет, пока Солнце не перестает заходить за горизонт и не наступает полярный день.

В светлые летние ночи в этих районах освещенность составляет всего 1-1,5 люкса. Продолжительность светлых сумерек обычно 25-26 дней. Очень светлые ночи в Санкт-Петербурге стоят с конца мая до середины июля.

Таким образом, если свести все возможные космические источники и их характеристики в одну таблицу, значение суммарной освещенности при ясном небе составит примерно 3,5 лк (табл. 3).

Если сравнить это значение с освещенностью от Солнца, то видно, что она в значительной степени уступает ему по энергетическим характеристикам. Однако если рассмотреть северные районы, где световое излучение небесных объектов максимальное, то излучение от Солнца там меньше по сравнению с другими районами планеты.

Значение суммарной освещенности от небесных объектов The total illumination from celestial objects

Таблица 3 Table 3

Источник света Освещенность, лк Время действия Место действия

Луна 0,1-1,0 Полнолуние 1 раз в месяц Повсеместно

Звезды (кроме Солнца) 0,001-0,0001 Постоянно Повсеместно

Полярное сияние 0,5-1,0 243 раза в год Северные районы

Белые ночи 1,1,5 40-45 дней в году Северные районы

Всего до 3,5

Использование двухсторонних солнечных модулей высокой чувствительности, которые бы работали и в дневное, и в ночное время с повышением их КПД даже на доли процентов, могло бы иметь свою область применения. Разработка таких модулей является предметом наших научных исследований.

Список литературы

1. Дана Риддл. Лунный свет - Краткий обзор спектра, интенсивности, фотопериода и его взаимосвязи с размножением кораллов и рыб

/Жйр://гее&еп1та1.ги/агис^/1Мех^р?8ЕСТЮК_ГО=255.

2. Сурдин В.Г. Звезды. М.: Физматлит, 2009.

3. http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_co1ier/1032/.

4. http://biofi1e.ru/geo/772.htm1.

5. http://podrobnosti.ua/ka1eidoscope/2012/12/09/875467.htm1.

6. Шаронов В.В. Таблицы для расчета природной освещенности видимости. М.: Изд-во АН СССР, 1945.

Г.-":

— TATA — < >

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 06/1 (127) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013