A napállandó mérése
Zsigó Zsolt
2003/04/11 12:27
1754 megtekintés
A cikk már legalább egy éve nem frissült, az akkor még aktuális információk lehet, hogy mára elavultak.
A Nap éghajlatunkra gyakorolt hatásának megismeréséhez szükségünk van a napállandó mérésére, annak változásainak ismeretére. Pontos méréseket a világűrből, műholdakról tudunk végezni, így elkerülhetjük a földi légkör mérést befolyásoló hatásait. Azonban egyszerű eszközökkel otthon, vagy az iskolában is meglepően pontos mérések végezhetők.

A kezdetek

Az elmúlt évszázadban nagyon sok mérést végeztek a napállandó meghatározására. Ezek a mérések egyre pontosabbak lettek. Már 1838-ban Claude Servais Mathias Pouillet francia fizikus egy vízzel telt edényben nyelette el a Nap sugárzását és mérte közben a hőmérséklet növekedését. Az általa mért napállandó értéke már elég jól közelíti a mai értéket.

1883-ban Samuel Pierpoint Langley USA-beli asztrofizikus az általa feltalált eszközzel (bolométerrel) határozta meg a napállandót. A bolométer kicsiny sugárzási energia mérésére alkalmas műszer. A benne levő tiszta fém elektromos ellenállása a hőmérséklet hatására változik.

Hosszú ideig a tudósok azt hitték, hogy a napállandó értéke mindig ugyanakkora. 1978 óta pontos mérések bizonyítják, hogy a napállandó értéke az év során hónaponként változik. A Föld a Nap körül ellipszispályán kering, ezért a Nap Föld távolság folyamatosan változik, s ez eredményezi a napállandó változását.

A napsugárzás intenzitása a légkörön való áthaladáskor csökken, mivel a légkör alkotórészei részben elnyelik, részben visszaverik és megtörik a sugárzást. A légkör határáig párhuzamosnak tekinthető sugárnyalábok egy része a légkörben szórt sugárzássá alakul. A legjobb napállandó-méréseket az űrben végezték, ahol a Föld atmoszférájának zavaró hatásai kiküszöbölhetőek. Az utóbbi 25 évben nagyon sok mérőeszközt bocsátottak fel az űrbe, amelyek különböző módszerekkel egyre pontosabban mérték a napállandót.

A napállandó mérése az iskolában

A szertárban található, illetve könnyen elkészíthető eszközök segítségével állítsuk össze a képen látható kísérleti berendezést. Fényképezte: H.J. Wiehl

A kísérleti berendezés kellékei:

  • 2 alumínium kocka (egyik árnyékolt, másikra rásüt a Nap)
  • 2 hőmérő
  • 1 Voltmérő
  • 1 Ampermérő
  • 1 változtatható feszültségű áramforrás (max. 0.4 A egyenáram)
  • 10 Ohm /2W ellenállás
  • árnyékoló lemezek

A kísérlet alapelve

Két azonos testet (2 db, 4 cm oldalélű alumínium kockát) hasonlítunk össze. Az egyiket a Nap melegíti, a másiknak a fűtéséről mi gondoskodunk egy ellenállás segítségével. A két kocka egyikére egy ernyő árnyékot vet, a másik kocka ki van téve a Nap sugarainak. A fűtést úgy kell beállítani, hogy mindkét test hőmérséklete azonos módon változzon (illetve ugyanakkora egyensúlyi hőmérsékletre álljon be). Fényképezte: Jarosievitz B.

A laboratóriumban található állványban úgy rögzítjük a berendezést, hogy el lehessen forgatni annak érdekében, hogy a kockára merőlegesen essenek be a napsugarak. Fényképezte: H.J. Wiehl

A két kocka felső lapját gyertya segítségével bekormozzuk, hogy az energia elnyelése minél nagyobb hatásfokkal történjen. Mindkét kocka belsejébe furatot készítünk, amelybe hőmérőt helyezünk. A hőátadást az alumínium kocka és a hőmérők között hővezető szilikon gyanta biztosítja.

Amikor mindkét Al kockában beállt a hőmérsékleti egyensúly (nem melegszenek tovább), és a hőmérsékletük is egyenlő, ebben a pillanatban feljegyezzük az ellenálláson átfolyó áramerősséget (I), és az ellenállás sarkain mérhető feszültséget (U). Az ellenállás fűtőteljesítménye: P = U * I

Ismerve a 4cm x 4cm Al kocka területét A = 1.6 x 10-3 m2 a felületegységre eső teljesítmény kiszámolható: Fényképezte: H.J. Wiehl

A légkör gyengíti a sugárzást

A Nap sugárzásának azonban csak egy része jutott el a mérőeszközünkre, ezért a mért értékből csak akkor tudunk a napállandóra következtetni, ha ismerjük a légkör sugárzásgyengítő hatását. Ezt egy X szorzótényezővel vesszük figyelembe (X <1). Ez az X érték függ a pillanatnyi időjárási viszonyoktól, valamint attól, hogy a Nap sugarainak milyen hosszú utat kellett megtenniük a légkörben. Ez utóbbi pedig attól függ, hogy milyen "magasan" áll a Nap a mérés idején. Ezért meg kell határozni az azimutális szöget.

Ezek után feljegyezzük a kinti hőmérsékletet, valamint megnézzük, hogy a pillanatnyi időjárás a grafikonon feltüntetett időjárási viszonyok közül melyiknek van leginkább a közelében, és ennek alapján olvassuk le az X értéket. (A táblázat az APS Laboratory "Measuring the temperature of the sun" cikkéből származik).

A számolt napállandót megkapjuk ha behelyettesítünk a következő képletbe : Általában az alábbi napállandó értéke elfogadott So = 1388 W / m2. A becsült relatív eltérés:

Irodalom

  • Measuring The Temperature Of The Sun (APS Laboratory),
  • Measuring the Solar Constant (Solar Physics And Terrestrial Effects - Activity3, Space Environment Center)
  • Measuring Solar Radiation Incident on Earth (National Aeronautics and Space Adminstration, Np-2002-5-288-HQ)
  • A technika krónikája (Officina Nova)

Csatlakozz hozzánk!

Ajánljuk

European Schoolnet Academy Ingyenes online tanfolyamok tanároknak
School Education Gateway Ingyenes tanfolyamok és sok más tanárok számára
ENABLE pilot Program iskoláknak a bullying ellen
eBiztonság Minősítés Minősítési rendszer oktatási intézményeknek