الثابت الشمسي

📅 آخر تحديث: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 10 صور
الموسوعة الحرة
طيف الإشعاع الشمسي في أعلى الغلاف الجوي، على مقياس خطي ومرسوم مقابل العدد الموجي .

الثابت الشمسي (يرمز له بـ S☉ وفقًا لمعيار الاتحاد الفلكي الدولي ) [ 1 ] هو معادلة رياضية تُحسب متوسط ​​كمية الطاقة التي تتلقاها مساحة معينة تبعد وحدة فلكية واحدة عن الشمس . ببساطة، هو يقيس كمية الطاقة في الثانية لكل متر مربع التي تصل من الشمس على مسافة مدار الأرض. وبشكل أكثر تحديدًا، هو كثافة تدفق تقيس متوسط ​​الإشعاع الكهرومغناطيسي الشمسي ( إجمالي الإشعاع الشمسي ) لكل وحدة مساحة. ويُقاس على سطح عمودي على الأشعة، على بُعد وحدة فلكية واحدة من الشمس (تقريبًا المسافة بين الشمس والأرض).

يشمل الثابت الشمسي الإشعاع عبر كامل الطيف الكهرومغناطيسي . ويُقاس بواسطة الأقمار الصناعية بقيمة 1.361 كيلوواط لكل متر مربع (كيلوواط/م² ) عند الحد الأدنى للنشاط الشمسي (الفترة التي يكون فيها عدد البقع الشمسية في أدنى مستوياته خلال الدورة الشمسية التي تستغرق 11 عامًا) ، وبقيمة أعلى بنسبة 0.1% تقريبًا (حوالي 1.362 كيلوواط/م² ) عند الحد الأقصى للنشاط الشمسي . [ 2 ] 

إن "الثابت" الشمسي ليس ثابتًا فيزيائيًا بالمعنى العلمي الحديث لقاعدة بيانات CODATA ؛ أي أنه ليس كثابت بلانك أو سرعة الضوء اللذين يُعتبران ثابتين تمامًا في الفيزياء. الثابت الشمسي هو متوسط ​​قيمة متغيرة. خلال الأربعمائة عام الماضية، لم تتجاوز نسبة تغيره 0.2%. [ 3 ] قبل مليارات السنين، كانت قيمته أقل بكثير . وهذا أمر بالغ الأهمية لأن كمية ضوء الشمس التي نتلقاها تؤثر على العمليات الجوية والمحيطية.

يُستخدم هذا الثابت في حساب ضغط الإشعاع ، مما يساعد في حساب القوة المؤثرة على الشراع الشمسي .

حساب

يُقاس الإشعاع الشمسي بواسطة الأقمار الصناعية فوق الغلاف الجوي للأرض ، [ 4 ] ثم يُعدّل باستخدام قانون التربيع العكسي لاستنتاج مقدار الإشعاع الشمسي عند وحدة فلكية واحدة (au) لتقييم الثابت الشمسي. [ 5 ] القيمة المتوسطة التقريبية المذكورة، [ 2 ] 1.3608 ± 0.0005  كيلوواط/م² ، والتي تساوي 81.65 كيلوجول/م² في الدقيقة، تعادل تقريبًا 1.951 سعر حراري في الدقيقة لكل سنتيمتر مربع، أو 1.951 لانغلي في الدقيقة.

يُعدّ ناتج الطاقة الشمسية ثابتًا تقريبًا، ولكنه ليس كذلك تمامًا. كانت التغيرات في إجمالي الإشعاع الشمسي (TSI) طفيفة ويصعب رصدها بدقة باستخدام التقنيات المتاحة قبل عصر الأقمار الصناعية (±2% في عام 1954). يُقاس إجمالي ناتج الطاقة الشمسية حاليًا بأنه يتغير (خلال دورات البقع الشمسية الثلاث الأخيرة التي تبلغ مدة كل منها 11 عامًا ) بنسبة 0.1% تقريبًا؛ [ 6 ] انظر التغير الشمسي لمزيد من التفاصيل.

للكواكب الخارجية

ل=4πRsتأر2σتيsتأر4{\displaystyle L=4\pi R_{\rm {star}}^{2}\sigma T_{\rm {star}}^{4}}ل=4πو د2{\displaystyle L=4\pi f\ d^{2}} لذلك: 4πو د2=4πRsتأر2σتيsتأر4{\displaystyle 4\pi f\ d^{2}=4\pi R_{\rm {star}}^{2}\sigma T_{\rm {star}}^{4}}و=Rsتأر2σتيsتأر4د2{\displaystyle f={\frac {R_{\rm {star}}^{2}\sigma T_{\rm {star}}^{4}}{d^{2}}}} أينσ{\displaystyle \sigma }هو ثابت ستيفان-بولتزمان (≈5.67 × 10 −8  W⋅m −2 ⋅K −4 ) و f هي إشعاع النجم عند الكوكب الخارجي على مسافة d.

القياسات التاريخية

في عام 1838، قدم كلود بوييه أول تقدير للثابت الشمسي. وباستخدام مقياس إشعاع شمسي بسيط للغاية قام بتطويره، حصل على قيمة 1.228  كيلوواط/م² ، [ 7 ] وهي قيمة قريبة من التقدير الحالي.

في عام 1875، استأنف جول فيول عمل بوييه وقدم تقديرًا أكبر إلى حد ما يبلغ 1.7  كيلوواط/م 2 استنادًا جزئيًا إلى قياس أجراه من مون بلان في فرنسا.

في عام 1884، حاول صموئيل بيربونت لانغلي تقدير الثابت الشمسي من جبل ويتني في كاليفورنيا. ومن خلال أخذ قراءات في أوقات مختلفة من اليوم، حاول تصحيح تأثيرات الامتصاص الجوي. ومع ذلك، كانت القيمة النهائية التي اقترحها، 2.903  كيلوواط/م² ، أكبر بكثير من القيمة الحقيقية.

تشارلز غريلي

بين عامي 1902 و1957، أظهرت قياسات أجراها تشارلز غريلي أبوت وآخرون في مواقع مختلفة على ارتفاعات عالية قيمًا تتراوح بين 1.322 و1.465  كيلوواط/م² . وأوضح أبوت أن أحد تصحيحات لانغلي طُبِّق بشكل خاطئ. تراوحت نتائج أبوت بين 1.89 و2.22 سعر حراري (1.318 إلى 1.548 كيلوواط/م² ) ، وهو تباين بدا أنه ناتج عن الشمس وليس عن الغلاف الجوي للأرض. [ 8 ]  

في عام 1954، تم تقييم الثابت الشمسي على أنه 2.00 كالوري/دقيقة/سم 2 ± 2%. [ 9 ] النتائج الحالية أقل بنحو 2.5%.

جهاز قياس الطاقة الشمسية من لانغلي يعود تاريخه إلى عام 1903، ويحتوي على قيمة خاطئة للثابت الشمسي تبلغ 2.54 سعر حراري/دقيقة/سنتيمتر مربع.

العلاقة بالقياسات الأخرى

الإشعاع الشمسي

يتذبذب الإشعاع الشمسي المباشر الفعلي في أعلى الغلاف الجوي بنحو 6.9% خلال العام (من 1.412  كيلوواط/م² في أوائل يناير إلى 1.321  كيلوواط/م² في أوائل يوليو) نتيجة لتغير بُعد الأرض عن الشمس، وعادةً ما يكون هذا التذبذب أقل بكثير من 0.1% من يوم لآخر. ويفترض هذا أن الأرض دائرية تمامًا وثابتة على بُعدها من الشمس. ولكن، كما نعلم، تتحرك الأرض خلال العام، وهو ما يتجلى في وجود الفصول. وبالتالي، بالنسبة للأرض بأكملها ( التي تبلغ مساحتها 127,400,000  كم² )، تبلغ القدرة 1.730 × 10¹⁷ واط ( أو 173,000 تيراواط )، [ 10 ] زائد أو ناقص 3.5% (نصف النطاق السنوي البالغ 6.9% تقريبًا). لا يبقى الثابت الشمسي ثابتًا على مدى فترات زمنية طويلة (انظر: التغيرات الشمسية )، ولكنه يتغير خلال عام واحد بنسبة أقل بكثير من الإشعاع الشمسي المقاس عند قمة الغلاف الجوي. ويعود ذلك إلى أن الثابت الشمسي يُحسب عند مسافة ثابتة تبلغ وحدة فلكية واحدة ، بينما يتأثر الإشعاع الشمسي بانحراف مدار الأرض. وتتراوح المسافة بين الأرض والشمس سنويًا بين 147.1 × 10⁶ كيلومتر عند الحضيض و152.1 × 10⁶ كيلومتر عند الأوج . إضافةً إلى ذلك، تؤثر عدة دورات طويلة الأمد (من عشرات إلى مئات آلاف السنين) من التغيرات الطفيفة في مدار الأرض ( دورات ميلانكوفيتش ) على الإشعاع الشمسي والإشعاع الشمسي الساقط (ولكن ليس على الثابت الشمسي).  

تتلقى الأرض كمية إجمالية من الإشعاع تُحددها مساحة مقطعها العرضي (π·RE² ) ، ولكن مع دورانها، تتوزع هذه الطاقة على كامل مساحة سطحها (4·π·RE² ) . وبالتالي ، فإن متوسط ​​الإشعاع الشمسي الوارد، مع الأخذ في الاعتبار زاوية سقوط الأشعة، وحقيقة أن نصف الكوكب لا يتلقى أي إشعاع شمسي في أي لحظة، يُعادل ربع الثابت الشمسي (حوالي 340  واط/م² ) . وتُقلل كمية الإشعاع التي تصل إلى سطح الأرض ( كإشعاع شمسي مباشر ) بفعل التوهين الجوي، الذي يتغير باستمرار. في أي لحظة معينة، تعتمد كمية الإشعاع الشمسي التي يتلقاها موقع ما على سطح الأرض على حالة الغلاف الجوي، وخط عرض ذلك الموقع ، ووقت اليوم.

الحجم الظاهري

يشمل الثابت الشمسي جميع أطوال موجات الإشعاع الكهرومغناطيسي الشمسي، وليس الضوء المرئي فقط (انظر الطيف الكهرومغناطيسي ). وهو يرتبط ارتباطًا طرديًا بالقدر الظاهري للشمس الذي يبلغ -26.8. يُعدّ كلٌّ من الثابت الشمسي والقدر الظاهري للشمس طريقتين لوصف سطوع الشمس الظاهري، مع العلم أن القدر الظاهري يعتمد على الإشعاع المرئي للشمس فقط.

إجمالي إشعاع الشمس

يبلغ القطر الزاوي للأرض كما يُرى من الشمس حوالي 1/11700 راديان (حوالي 18 ثانية قوسية )، مما يعني أن الزاوية المجسمة للأرض كما تُرى من الشمس تُقارب 1/175 مليون ستراديان . وبالتالي، تُصدر الشمس حوالي 2.2 مليار ضعف كمية الإشعاع التي تستقبلها الأرض، أي ما يُعادل حوالي 3.846 × 10²⁶ واط .

التغيرات السابقة في الإشعاع الشمسي

بدأت عمليات الرصد الفضائية للإشعاع الشمسي عام ١٩٧٨. تُظهر هذه القياسات أن الثابت الشمسي ليس ثابتًا، بل يتغير تبعًا لدورة البقع الشمسية التي تبلغ ١١ عامًا . عند الرجوع إلى فترات زمنية أقدم، لا بد من الاعتماد على إعادة بناء الإشعاع، باستخدام بيانات البقع الشمسية خلال الـ ٤٠٠ عام الماضية، أو النظائر المشعة الكونية للرجوع إلى ١٠٠٠٠ عام. تُظهر عمليات إعادة البناء هذه أن الإشعاع الشمسي يتغير بفترات دورية محددة، وهي: ١١ عامًا (دورة شواب)، ٨٨ عامًا (دورة غلايسبيرغ)، ٢٠٨ أعوام (دورة ديفريس)، و١٠٠٠ عام (دورة إيدي). [ ١١ ] [ ١٢ ] [ ١٣ ] [ ١٤ ] [ ١٥ ]

على مدى مليارات السنين، تتوسع الشمس تدريجياً، وتشعّ المزيد من الطاقة نتيجةً لزيادة مساحة سطحها. ويُعرف السؤال الذي لم يُحل بعد، حول كيفية تفسير الأدلة الجيولوجية الواضحة على وجود الماء السائل على الأرض قبل مليارات السنين، في وقت كانت فيه إضاءة الشمس لا تتجاوز 70% من قيمتها الحالية، باسم مفارقة الشمس الفتية الخافتة .

التغيرات الناتجة عن الظروف الجوية

لا تصل إلى سطح الأرض فعلياً سوى 75% من الطاقة الشمسية كحد أقصى، [ 16 ] إذ حتى في حالة السماء الصافية، ينعكس جزء منها ويمتصه الغلاف الجوي. وتقلل السحب الرقيقة هذه النسبة إلى 50%، بينما تقللها السحب الرقيقة القوية إلى 40%. وبالتالي، تتراوح الطاقة الشمسية الواصلة إلى سطح الأرض عندما تكون الشمس عمودية تماماً بين 550  واط/م² في وجود السحب الرقيقة و1025  واط/م² في حالة السماء الصافية.

القيمة الاسمية

يُستخدم الثابت الشمسي في علم الكواكب الخارجية كوحدة قياس معتادة لإشعاع الكواكب الخارجية، نظرًا لسهولة فهم المقارنة المباشرة مع الأرض. ولتوحيد عملية التحويل إلى وحدات النظام الدولي للوحدات (SI) ، ينص قرار الاتحاد الفلكي الدولي لعام 2015، القرار B3، على استخدام القيم الاسمية للعديد من الكميات الشمسية والكوكبية، بما في ذلك قيمة إجمالي الإشعاع الشمسي الاسمي ، والذي يُعرّفه القرار بأنه بالضبط1361  واط⋅م -2 . [ 1 ] هذه القيمة مستقلة عن القيمة الفعلية للإشعاع الشمسي الكلي، والذي يتغير مع الدورة الشمسية.

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 برشا، أندريه؛ وآخرون  (2016). "القيم الاسمية لبعض الكميات الشمسية والكوكبية: قرار الاتحاد الفلكي الدولي لعام 2015، القرار B3" . المجلة الفلكية . 152 (2) 41. arXiv : 1605.09788 . Bibcode : 2016AJ....152...41P . doi : 10.3847/0004-6256/152/2/41 .
  2. 1 2 كوب، ج.؛ لين، ج. ل. (2011). "قيمة جديدة أقل للإشعاع الشمسي الكلي: الأدلة والأهمية المناخية" . رسائل البحوث الجيوفيزيائية . 38 (1): غير متوفر. Bibcode : 2011GeoRL..38.1706K . doi : 10.1029/2010GL045777 .
  3. ↑ http://lasp.colorado.edu/home/sorce/data/tsi-data/ بيانات الإشعاع الشمسي الكلي، SORCE
  4. ↑ "رصد الأقمار الصناعية للإشعاع الشمسي الكلي" . acrim.com . مؤرشف من الأصل بتاريخ 16 يوليو 2011. تم الاطلاع عليه بتاريخ 2 أكتوبر 2010 .
  5. ↑ "تنبيه حالة الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي" .{{cite web}}: CS1 maint: deprecated archiveal service ( link )
  6. ↑ ويلسون، ريتشارد سي؛ إتش إس هدسون (1991). "لمعان الشمس خلال دورة شمسية كاملة". مجلة نيتشر . 351 (6321): 42-44 . رمز Bibcode : 1991Natur.351...42W . doi : 10.1038/351042a0 . S2CID 4273483 . 
  7. ↑ قياس الثابت الشمسي بواسطة كلود بوييه ، بقلم جيه إل دوفريسن، مجلة الأرصاد الجوية ، مؤرشفة في 2010-03-05 في آلة Wayback ، العدد 60، الصفحات 36-43، فبراير 2008.
  8. ↑ تتضمن جملة أو أكثر من الجمل السابقة نصًا من منشور أصبح الآن ملكًا عامًا : سامبسون، رالف ألين (1911). " الشمس ". في تشيشولم، هيو (محرر). الموسوعة البريطانية . المجلد 26 ( الطبعة الحادية عشرة). مطبعة جامعة كامبريدج. ص 87.     
  9. ↑ فرانسيس س. جونسون (ديسمبر 1954). "الثابت الشمسي" . مجلة الأرصاد الجوية . 11 (6): 431-439 . Bibcode : 1954JAtS...11..432J . doi : 10.1175/1520-0469(1954)011 < 0431:TSC > 2.0.CO ; 2 .
  10. ↑ آرتشر، د. (2012). الاحتباس الحراري: فهم التوقعات . جون وايلي وأولاده. ISBN 978-0-470-94341-0.
  11. ↑ وانغ وآخرون (2005). "نمذجة المجال المغناطيسي للشمس وإشعاعها منذ عام 1713" . المجلة الفيزيائية الفلكية . 625 (1): 522-538 . Bibcode : 2005ApJ...625..522W . doi : 10.1086/429689 . 
  12. ↑ شتاينهيلبر وآخرون (2009)، رسائل البحوث الجيوفيزيائية، المجلد 36، L19704، doi : 10.1051/0004-6361/200811446
  13. ↑ فييرا وآخرون (2011). "تطور الإشعاع الشمسي خلال الهولوسين". علم الفلك والفيزياء الفلكية . 531 : A6. arXiv : 1103.4958 . Bibcode : 2011A & A...531A...6V . doi : 10.1051/0004-6361/201015843 . S2CID 119190565 .  
  14. ↑ شتاينهيلبر وآخرون (2012). "9400 عام من الإشعاع الكوني والنشاط الشمسي من عينات الجليد وحلقات الأشجار" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم . 109 (16): 5967-5971 . Bibcode : 2012PNAS..109.5967S . doi : 10.1073 / pnas.1118965109 . PMC 3341045. PMID 22474348 .   
  15. ↑ فييرا، ل. إ. أ.؛ نورتون، أ.؛ كريتزشمار، م.؛ شميدت، ج. أ.؛ تشيونغ، م. س. م. (2012). "كيف يؤثر ميل مدار الأرض على الإشعاع الشمسي الوارد" (ملف PDF) . رسائل البحوث الجيوفيزيائية . 39 (16): L16104. رمز Bibcode : 2012GeoRL..3916104V . doi : 10.1029/2012GL052950 .
  16. ^ "هينويز" . www.astro.uni-jena.de .