1、第三章 太阳和太阳能n3.1 太阳的基本物理参数及结构n3.2 地球的经度和纬度n3.3 太阳高度角和方位角n3.4 太阳常数与太阳光谱n3.5 太阳的来源n3.6 太阳能量的传递与辐射n3.7 太阳能储存方式n3.8 我国太阳能资源太阳n太阳是银河系中的一颗普通恒星，位于银道面之北的猎户座旋臂上，距银心约2.3光年，它以每秒250公里的速度绕银心转动，公转一周约需2.5亿年。太阳也在自转，其周期在日面赤道带约25天；两极区约为35天。通过对太阳光谱的分析，得知太阳的化学成分与地球几乎相同，只是比例有所差异。太阳上最丰富的元素是氢，其次是氦，还有碳、氮、氧和各种金属。n地球上除原子能和火山、地
2、震以外，太阳能是一切能量的总源泉。科学家们设想在地球大气层外放一个测量太阳总辐射能量的仪器，在每平方厘米的面积上，每分钟接收的太阳总辐射能量为8.24焦。这个数值叫太阳常数。太阳在每分钟发出的总能量，约为每分钟2.2731028焦。而地球上仅接收到这些能量的22亿分之一。3.1 太阳基本物理参数及结构n一、太阳基本物理参数1、直径：1 392 000公里（地球直径的109倍）半径：696000（696295、696265千米）2、体积：1.412 1027 立方米（地球的130万倍）球的体积：4/3R3（R是半径）3、平均密度：1.409克/立方厘米（地球的四分之一）4、质量：1.989103
3、0 千克（地球的332 946倍）5、距离太阳最近的是恒星是比邻星。比邻星（毗邻星，Proxima Centauri)是半人马座三合星的第三颗星，依拜耳命名法也称为半人马座星C。它是离太阳最近的一颗恒星（4.22光年）。从它发出的光大约花4.22年才能到达地球。6、宇宙年（cosmic year）：整个太阳系绕银河系中心运动，速度约为250千米/秒，转一周经历2.252.5亿年，称之为1个宇宙年。宇宙年：225百万年（2.25*108年）7、自转会合周期：赤道26.9天，极区31.1天（31.3d）8、温度：约6000K(表面)，1560万K(核心)，5百万K（日冕）9、日地平均距离1.5*1
4、011m(1.5亿千米)，近日点1.471亿千米，远日点1.521亿千米，平均1.49598020亿千米。10、太阳常数 f 1.97 卡厘米2分-1 n太阳常数(solar constant)，表征的是到达大气顶(大气层上界)的总太阳能量(即包含整个太阳光谱)值。n定义定义：在日地平均距离(一天文单位）处，与太阳光束方向垂直的单位面积上，单位时间内所接受到的太阳总辐射能。所使用的单位为W/m2，或卡/平方厘米/分钟（cal/cm2/min)。n1卡=4.185851820846焦耳1焦耳=0.23889999999997卡 总辐射功率：3.831026 焦耳/秒8.24J/(cm2.min)
5、思考：太阳常数与实际到达地表的太阳辐思考：太阳常数与实际到达地表的太阳辐射强度哪个更大？为什么？射强度哪个更大？为什么？不考虑地球大气的作用，不考虑地球大气的作用，1小时到达地小时到达地球表面的太阳辐射能量有多少焦耳？相球表面的太阳辐射能量有多少焦耳？相当于多少度电？当于多少度电？8.24x3.14x(6.371x108)2x60约约6.37x1021焦焦探究与计算：探究与计算：约约1.751015（度）（度）8.24J/(cm2.min)探究与计算：探究与计算：太阳辐射一小时到达地表的能量相当于我太阳辐射一小时到达地表的能量相当于我国国20192019年发电总量的年发电总量的6363倍；相当
6、于同时燃烧倍；相当于同时燃烧1.861.8610101414升汽油释放的能量。升汽油释放的能量。每台南方每台南方125125摩托每百公里油耗约为摩托每百公里油耗约为3 3升，升，计算一小时到达地表的太阳辐射能量能同时供计算一小时到达地表的太阳辐射能量能同时供多少台南方多少台南方125125摩托跑摩托跑100100公里？公里？1.861014/36.21013台台11、太阳活动周期，或称为太阳磁活动周期，是太阳黑子数及其他现象的准周期变化，大约11年为一个周期。它会引起空气中、地面上一些物质的变化，甚至可能改变气候。通过计算可见的太阳黑子出现的频率和位置，这个周期可以被观测出。太阳黑子从最多或最
7、少的年份到下一次最多或最少的年份，大约相隔11年。也就是说，太阳黑子有平均11年的活动周期，这也是整个太阳的活动周期。天文学家把太阳黑子最多的年份称之为“太阳活动高峰年”，把太阳黑子最少的年份称之为“太阳活动低峰年”。太阳活动周期：11.04年 太阳年龄：约4.57109年（50亿年）12、星等：星空中繁星满布，有明亮的也有暗淡的。为了方便形容他们的光度，天文学家创立了星等(magnitude)用来表示星体光度。要留意，星等的数值越大，代表这颗星的亮度越暗。相反星等的数值越小，代表这颗星越亮。有些光亮的星，它的星等甚至是负数，如全天最亮的恒星-天狼星，它的亮度是-1.45等。人的眼睛在黑暗的地
8、方，可以看到最暗的星是6等左右。目视星等26.74等，绝对目视星等4.83等，热星等-26.82等，绝对热星等4.75等。13、太阳表面重力加速度2.74102米秒2(为地球表面重力加速度的27.9倍)太阳表面脱离速度618公里秒 地球附近太阳风的速度：450公里秒 太阳运动速度(方向18h07m，+30)19.7公里秒 n太阳：表面重力加速度 2.74102米/秒2(为地球表面重力加速度的27.9倍)n月球：赤道重力加速度1.62 m/s2(地球的1/6)n水星：表面(赤道)3.701米/秒2，逃逸速度：4.435千米/秒 n金星：表面引力加速度：8.78m/s2 n地球：赤道表面重力加速度
9、 9.7801m/s2（0.99732g）n火星：赤道地表重力加速度：3.72m/sec2 n木星：表面重力加速度：23.12米每二次方秒 n土星：赤道引力(地球=1)1.08，逃逸速度(公里/秒)35.6 n天王星：赤道表面重力加速度：8.69m/s2;（0.886 g）n海王星：表面重力加速度比地球的略大，在两极为1180cm/s2，在赤道上约为1100cm/s2 二、太阳的结构n太阳是一个炽热的大气球。可以分为里三层和外三层。里三层（由内向外）：核反应区、辐射区、对流区。外三层（由里到外）：光球层、色球层、日冕层。n太阳的内部主要可以分为三层：核心区、辐射区和对流区。n核心区域：半径是太
10、阳半径的1/4，约为整个太阳质量的一半以上。太阳核心的温度极高，达到1500万，压力也极大，相当于2500亿个大气压，使得由氢聚变为氦的热核反应得以发生，从而释放出极大的能量。这些能量再通过辐射层和对流层中物质的传递，才得以传送到达太阳光球的底部，并通过光球向外辐射出去。太阳中心区的物质密度非常高。每立方厘米可达160克。太阳在自身强大重力吸引下，太阳中心区处于高密度、高温和高压状态，是太阳巨大能量的发祥地。太阳中心区产生的能量的传递主要靠辐射形式。n核心区的气体被极度压缩至水密度的150倍。在这里发生着核聚变，每秒钟有七亿吨的氢被转化成氦。在这过程中，约有五百万吨的净能量被释放（大概相当于3
11、8600亿亿兆焦耳，3.86后面26个0）。聚变产生的能量通过对流和辐射过程向外传送。核心产生的能量需要通过几百万年才能到达表面。n太阳中心区之外就是辐射层，辐射层的范围是从热核中心区顶部的0.25个太阳半径向外到0.71个太阳半径，这里的温度、密度和压力都是从内向外递减。从体积来说，辐射层占整个太阳体积的绝大部分。这一层的气体也处在高温高压状态下(但低于核心区),粒子间的频繁碰撞,使得在核心区产生的能量经过很久(几百万年)才能穿过这一层到达对流区。太阳内部能量向外传播除辐射，还有对流过程。n从太阳0.71个太阳半径向外到达太阳大气层的底部，这一区间叫对流层。这一层气体性质变化很大，很不稳定，
12、形成明显的上下对流运动。这是太阳内部结构的最外层。能量在对流区的传递要比辐射区快的多.这一层中的大量气体以对流的方式向外输送能量.(有点像烧开水,被加热的部分向上升,冷却了的部分向下降.)对流产生的气泡一样的结构就是我们在太阳大气的光球层中看到的米粒组织。n光球层位于对流层之外，属太阳大气层中的最低层或最里层，光球层的厚度约500公里，与约70万公里的太阳半径相比，好似人的皮肤和肌肉之比。我们说太阳表现的平均温度约6000摄氏度，指的就是这一层。n光球之外便是色球。平时由于地球大气把强烈的光球可见散射开，色球便被淹没在蓝天之中。只有在日全食的时候才有机会直接饱览色球红艳的姿容。太阳色球是充满磁
13、场的等离子体层，厚约2500公里。其温度从里向外增加，与光球顶衔接的部分约4500摄氏度，到外层达几万摄氏度。密度则随高度增加而减低。整个色球层的结构不均匀，由于磁场的不稳定性，太阳高层大气经常产生爆发活动，产生耀斑现象。n日冕是太阳大气的最外层。日冕中的物质也是等离子体，它的密度比色球层更低，而它的温度反比色球层高，可达上百万摄氏度。日全食时在日面周围看到放射状的非常明亮的银白色光芒即是日冕。太阳的外层结构：光球层、色球层、日冕层n在色球上人们还能够看到许多腾起的火焰，这就是天文上所谓的“日珥”。日珥是迅速变化着的活动现象，一次完整的日珥过程一般为几十分钟。同时，日珥的形状也可说是千姿百态，
14、有的如浮云烟雾，有的似飞瀑喷泉，有的好似一弯拱桥，也有的酷似团团草丛，真是不胜枚举。天文学家根据形态变化规模的大小和变化速度的快慢将日珥分成宁静日珥、活动日珥和爆发日珥三大类。最为壮观的要属爆发日珥，本来宁静或活动的日珥，有时会突然怒火冲天，把气体物质拼命往上抛射，然后回转着返回太阳表面，形成一个环状，所以又称环状日珥。n太阳耀斑是一种最剧烈的太阳活动。一般认为发生在色球层中，所以也叫“色球爆发”。其主要观测特征是，日面上（常在黑子群上空）突然出现迅速发展的亮斑闪耀，其寿命仅在几分钟到几十分钟之间，亮度上升迅速，下降较慢。特别是在太阳活动峰年，耀斑出现频繁且强度变强。别看它只是一个亮点，一旦出
15、现，简直是一次惊天动地的大爆发。这一增亮释放的能量相当于10万至100万次强火山爆发的总能量，或相当于上百亿枚百吨级氢弹的爆炸；而一次较大的耀斑爆发，在一二十分钟内可释放1025焦耳的巨大能量，除了日面局部突然增亮的现象外，耀斑更主要表现在从射电波段直到X射线的辐射通量的突然增强；耀斑所发射的辐射种类繁多，除可见光外，有紫外线、X射线和伽玛射线，有红外线和射电辐射，还有冲击波和高能粒子流，甚至有能量特高的宇宙射线。n耀斑对地球空间环境造成很大影响。太阳色球层中一声爆炸，地球大气层即刻出现缭绕余音。耀斑爆发时，发出大量的高能粒子到达地球轨道附近时，将会严重危及宇宙飞行器内的宇航员和仪器的安全。当
16、耀斑辐射来到地球附近时，与大气分子发生剧烈碰撞，破坏电离层，使它失去反射无线电电波的功能。无线电通信尤其是短波通信，以及电视台、电台广播，会受到干扰甚至中断。耀斑发射的高能带电粒子流与地球高层大气作用，产生极光，并干扰地球磁场而引起磁暴。此外，耀斑对气象和水文等方面也有着不同程度的直接或间接影响。正因为如此，人们对耀斑爆发的探测和预报的关切程度与日俱增，正在努力揭开耀斑迷宫的奥秘。n传说，第二次世界大战时，有一天，德国前线战事吃紧，后方德军司令部报务员布鲁克正在繁忙地操纵无线电台，传达命令。突然，耳机里的声音没有了。他检查机器，电台完整无损；拨动旋钮，改变频率，仍然无济于事。结果，前线像群龙无
17、首似的陷入一片混乱，战役以失败而告终。布鲁克因此受到军事法庭判处死刑。他仰天呼喊“冤枉！冤枉！”后来查清，这次无线电中断，“罪魁祸首”是耀斑。布鲁克的死，实在冤枉。n光斑（谱斑）太阳光球层上比周围更明亮的斑状组织。用天文望远镜对它观测时，常常可以发现：在光球层的表面有的明亮有的深暗。这种明暗斑点是由于这里的温度高低不同而形成的，比较深暗的斑点叫做“太阳黑子”，比较明亮的斑点叫做“光斑”。光斑常在太阳表面的边缘“表演”，却很少在太阳表面的中心区露面。因为太阳表面中心区的辐射属于光球层的较深气层，而边缘的光主要来源光球层较高部位，所以，光斑比太阳表面高些，可以算得上是光球层上的“高原”。光斑也是太
18、阳上一种强烈风暴，天文学家把它戏称为“高原风暴”。不过，与乌云翻滚，大雨滂沱，狂风卷地百草折的地面风暴相比，“高原风暴”的性格要温和得多。光斑的亮度只比宁静光球层略强一些，一般只大10%；温度比宁静光球层高300。许多光斑与太阳黑子还结下不解之缘，常常环绕在太阳黑子周围“表演”。少部分光斑与太阳黑子无关，活跃在70高纬区域，面积比较小，光斑平均寿命约为15天，较大的光斑寿命可达三个月。光斑不仅出现在光球层上，色球层上也有它活动的场所。当它在色球层上“表演”时，活动的位置与在光球层上露面时大致吻合。不过，出现在色球层上的不叫“光斑”，而叫“谱斑”。实际上，光斑与谱斑是同一个整体，只是因为它们的“
19、住所”高度不同而已，这就好比是一幢楼房，光斑住在楼下，谱斑住在楼上。n米粒组织 米粒组织是太阳光球层上的一种日面结构。呈多角形小颗粒形状，得用天文望远镜才能观测到。米粒组织的温度比米粒间区域的温度约高300，因此，显得比较明亮易见。虽说它们是小颗粒，实际的直径也有1000公里-2000公里。明亮的米粒组织很可能是从对流层上升到光球的热气团，不随时间变化且均匀分布，且呈现激烈的起伏运动。米粒组织上升到一定的高度时，很快就会变冷，并马上沿着上升热气流之间的空隙处下降；寿命也非常短暂，来去匆匆，从产生到消失，几乎比地球大气层中的云消烟散还要快，平均寿命只有几分钟，此外，近年来发现的超米粒组织，其尺度
20、达3万公里左右，寿命约为20小时。有趣的是，在老的米粒组织消逝的同时，新的米粒组织又在原来位置上很快地出现，这种连续现象就像我们日常所见到的沸腾米粥上不断地上下翻腾的热气泡。三、太阳的成分n主要成分：氢和氦。氢占71.3%，氦占27%n太阳的一生是从星云开始的，最后一直到红巨星、白矮星，成为太阳的死骸，这一过程大约要经过100亿年，也就是说再过50亿年将是太阳的死期，而我们人类生活的地球将在太阳变成膨胀的红巨星时被其吞掉。如果我们人类能生存到那个时代的话，就只能飞到其他星球上去生活了。3.2 地球的经度和纬度n纬线：赤道的南北两边画出许多和赤道平行的圆圈，就是纬圈，构成这些圆圈的线段，叫做纬线
21、。纬度共有90度。圈子越小，度数越大。n经线：从北极到南极，可以画出许多南北防线的与地球赤道垂直的大圆圈，叫做经圈。构成这些圆圈的线段，叫做经线。0度处的经线，叫做本初子午线。n24节气：考虑了季节、气候、物候等自然现象的变化。3.3 太阳高度角和方位角n太阳的高度角是指太阳直射到地面的光线与地(水)平面的夹角，即是指太阳光的入射方向和地平面之间的夹角。太阳高度角是反映地球表面获得太阳能强弱的重要因素，日出日落时，高度角为零度，正午时高度角为最大。人们感觉早晚与中午的阳光强度有很大差异，原因就在于太阳高度角的不同。人们在地球上观察太阳相对于地球的位置时，实际上是太阳相对地球的地平面而言的。通常
22、用高度角和方位角高度角和方位角两个角度来确定。同一时刻，在地球上不同的位置，高度角和方位角是不相同的；同一位置，不同的时候，高度角和方位角也是不相同的。n太阳方位角就是说太阳所在的方位，是指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，可近似地看作是竖立在地面上的直线在阳光下的阴影与正南方的夹角。方位角以正南方向为零，由南向东向北为负角度，由南向西向北为正角度，如太阳在正东方时，方位角为-90。，在正西方时方位角为90。实际上太阳并不总是东升西落，只有在春、秋分两天，太阳是从正东方升起，正西方落下。在夏至时，太阳从东北方升起，在正午(太阳中心正好在子午线上的时间，即太阳方位角由负值变为正值的瞬间
23、)时，太阳高度角的值是一年中最大的，然后从西北方落下。在冬至时，太阳从东南方升起，在正午时，太阳高度角的值是一年中最小的，然后从西南方落下。地面接收太阳光的强弱与太阳高度角密切相关。晴天，太阳光的强度与太阳高度角正弦成正比关系。n 太阳方位角决定了阳光的入射方向，决定了各个方向的山坡或不同朝向建筑物的采光状况。当太阳高度角很大时，太阳基本上位于天顶位置，这时太阳方位角的影响较小。n太阳高度角随纬度和时间而变化。到达地球大气上界的太阳辐射沿纬度分不不均匀，由低纬向高纬逐渐减小。n太阳高度角计算公式3.4 太阳常数和太阳光谱n太阳常数 f 1.97 卡厘米2分-1 n太阳常数(solar cons
24、tant)，表征的是到达大气顶(大气层上界)的总太阳能量(即包含整个太阳光谱)值。n定义定义：在日地平均距离(一天文单位）处，与太阳光束方向垂直的单位面积上，单位时间内所接受到的太阳总辐射能。所使用的单位为W/m2，或卡/平方厘米/分钟（cal/cm2/min)。n1卡=4.185851820846焦耳1焦耳=0.23889999999997卡 n总辐射功率：3.831026 焦耳/秒n当太阳高度角为90度，太阳辐射强度等于太阳常数。8.24J/(cm2.min)太阳光谱太阳光谱 solar spectrumsolar spectrum n定义：定义：q太阳辐射经色散分光后按波长大小排列的图案
25、。太阳光谱包括无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、射线等几个波谱范围。太阳光谱属于G2V光谱型，有效温度为5770 K。太阳电磁辐射中999%的能量集中在红外区、可见光区和紫外区。太阳光谱属于吸收光谱。短波辐射。太阳辐射光谱（图3-8），光谱分布。3.5 太阳能的来源n太阳能温度与射线分布n氢变为氦的核聚变n太阳能一般指太阳光的辐射能量。在太阳内部进行的由“氢”聚变成“氦”的原子核反应，不停地释放出巨大的能量，并不断向宇宙空间辐射能量，这种能量就是太阳能。3.6 太阳能量的传递和辐射n太阳能量的传递方式：辐射。n辐射有两种：电磁波辐射，微粒辐射。n太阳下地面变热是热辐射还是热传递？解答：
26、热，有三种传递方式：热辐射，热传导，对流。1.辐射：物体之间利用放射和吸收彼此的红外线，而不必有任何介质，就可以达成温度平衡。2.传导：物体之间直接接触，热能直接以原子振动，由高温处传递到低温处。3.对流：物体之间以流体为介质，利用流体的热胀冷缩和可以流动的特性，传递热能。显然，太阳能量传递到地球，是利用热辐射。热辐射是能量远距离传送递的主要方式，中间不需要任何介质。3.7 太阳能储存方式3.8 我国太阳能资源 就全球而言，美国西南部、非洲、澳大利就全球而言，美国西南部、非洲、澳大利亚、中国亚、中国西藏西藏、中东等地区的全年总辐射量或、中东等地区的全年总辐射量或日照总时数最大，为世界太阳能资源最丰富的日照总时数最大，为世界太阳能资源最丰富的地区。地区。我国是太阳能资源丰富的国家，全国总面我国是太阳能资源丰富的国家，全国总面积积2/3以上地区年日照时数大于以上地区年日照时数大于2000小时。我小时。我国西藏、青海、新疆、甘肃、内蒙古高原的总国西藏、青海、新疆、甘肃、内蒙古高原的总辐射量和日照时数均为全国最高，属世界太阳辐射量和日照时数均为全国最高，属世界太阳能资源丰富的地区之一，四川盆地、西湖地区、能资源丰富的地区之一，四川盆地、西湖地区、秦巴山地是太阳能资源低值区，我国东部、南秦巴山地是太阳能资源低值区，我国东部、南部、及东北为资源中等区。部、及东北为资源中等区。
