معلومات عن الطاقة الشمسية

معلومات عن الطاقة الشمسية - معلومات الطاقة الشمسية - الطاقة الشمسية معلومات 

الطاقة الشمسية الإشعاعية الحرارية ( التشميس )

أهمية الطاقة الشمسية الإشعاعية الحرارية :

لا يخفى على أحد ما للطاقة الشمسية الإشعاعية من أهمية عظيمة مباشرة وغير مباشرة في مختلف العمليات الحيوية والفيزيائية المولدة لكافة أنواع الحياة على سطح الأرض والعمليات التي تحافظ على استمرارها. ولولاها لتجمد سطح الأرض وانعدمت الحياة عليه وأصبح كوكباً بارداًَ ميتاً.

ولا شك في أن من أهم هذه العمليات تلك التي تحول هذه الطاقة إلى منتجات بيولوجية مفيدة متمثلة في المحاصيل الغذائية والوقود. فسلاسل الغذاء، مهما كانت طويلة ومعقدة تعود في جذورها إلى امتصاص خلايا النبات الخضراء الطاقة الشمسية الإشعاعية واستخدامها في بناء أنسجتها خلال عملية التمثيل الضوئي، وما الوقود المستحاث ( الأحفوري ) من فحم وبترول، وحطب إلا طاقة شمسية إشعاعية مخزونة تتحرر خلال عمليات الاحتراق.

أما من وجهة النظر المناخية، فالطاقة الشمسية الإشعاعية هي المولد الرئيسي لعناصر الطقس والمناخ كافة فلولاها ما تسخن سطح الأرض ولا الهواء، ولتوقف تدفق الرياح وتبخر المياه وهطول الأمطار، وتوقف جريان المياه في الأنهار. إنها القوة المحركة لنظام دورة الغلاف الجوي ومياه البحار والمحيطات، وبالتالي فإنها المحرك لعمليات نقل بخار الماء والطاقة الحرارية وتبادلها بين المناطق والأقاليم على سطح الأرض. ولذلك فإنها بما يعتريها من تحولات وتباينات مكانية وزمنية تعمل بشكل مباشر على تكوين حالات الطقس والمناخ المتنوعة على سطح الأرض.

تعد الشمس بحق المصدر الوحيد للطاقة الحرارية الواصلة إلى سطح الأرض. ولا شك في أن النجوم والقمر والكواكب الأخرى تطلق طاقة حرارية إشعاعية, وكذلك تفعل الأرض, إذ تنطلق طاقة حرارية من باطنها تعرف بالحرارة الأرضية ( geothermal )، ولكن أشكال هذه الطاقة جميعها ضئيلة جداً ومهملة تماماً إذا ما وازنّاها بما يصل سطح الأرض من طاقة شمسية إشعاعية. ويعود ذلك أولاً إلى البعد الشاسع الفاصل بين الأرض والنجوم الأخرى التي نراها تسطع في السماء, إذ يقع أقرب نجم إلى الأرض بعد الشمس، ذلك المعروف بمجموعة ( اُلفاسينتاري alpha centori ) المكونة من ثلاثة نجوم تدور حول بعضها البعض, على بعد يناهز 3,4 سنة ضوئية منها (1), أي ما يعادل 40.7×¹²10 كم, وهذا ما يزيد عن 260.000 ضعف المسافة بين الأرض والشمس, ويقل التدفق الحراري الأرضي عن 10^-5 من الطاقة الشمسية الواصلة إلى سطح الأرض، ويقل ما يشعه القمر عندما يكون بدراً كثيراً عن ذلك.

الشمس :

أوردت العديد من الدراسات ( 2، 3، 4، 5، 6، 7، 8 ، 9 ) معلومات مستفيضة حول بنية الشمس وتركيبها، استقتها من قياسات ومشاهدات قامت بها التوابع الاصطناعية مثل " سكاي لاب " ( مخبر السماء sky lab  ) و( نمبوس nimbus7 ) و(هابيل  ( habelوغيرها من التوابع والدراسات التي قامت بها وكالة الفضاء الوطنية الأمريكية (Nasa  ) حول الشمس. وبينت, أن الشمس نجم متوسط الحجم, مكون من كرة هائلة ملتهبة تبلغ درجة حرارة سطحها حوالي 6000 ْ مئوية ( 6300^ه كالفانية) ويبلغ طول قرص قطرها المرئي 1391׳10 كم , أي ما يعادل 110 ضعف طول قطر الأرض تقريباً، وتزيد كتلتها عن 1998ײ⁴10 طن, أي ما يعادل 333׳10 كتلة الأرض البالغة 6ײ¹10 طن.

تتمركز الشمس في وسط المجموعة الشمسية، وتبعد عن الأرض بحوالي 149.6×⁶10 كم وسطياَ (1) أو ما يعادل واحدة فلكية "Astronomical Unit " (25ص 3 ). ويظهر قرصها المرئي من سطح الأرض محصوراً في زاوية صغيرة جداً تتراوح بين30 َ – 32 َ. وتدور حول محورها دورة واحدة كل أربع أسابيع تقريباً، لكنها لا تدور كما تدور الأجسام الصلبة إذ تتفاوت دورتها حول محورها بين 27 يوم عند خط استوائها و30 يوم عند قطبيها.

 بنية الشمس:

بينت الدراسات، استناداً إلى التباينات في الكثافة والضغط ودرجة الحرارة السائدة خلال الشمس، إن الشمس تتكون من عدة طبقات متميزة عن بعضها البعض، كما هو موضح في الشكل ( 1 ) ، وهي:

1ـ النواة ( core ):

يقدر طول نصف قطر نواة الشمس بحوالي 23%-28.8% (159.95 ׳10-200׳10 كم ) من نصف قطرها الكلي وتحتوي على ما يزيد عن40% من كتلتها و15% من حجمها، وتزيد كثافتها عن 10^ه- 1.35×10^ه كغ/ م ،ويتولد خلالها ما يزيد عن 90% من الطاقة الشمسية الحرارية الناتجة عن التفاعلات الذرية التي تندمج خلالها ذرات الهدرجين ( H ) متحولة إلى هليوم ( He )  وطاقة. ويعتقد أن معظم الأشعة فيها مكوناً من الأشعة السينية ( X ) ومن أشعة غاما ( γ ) ، وتقدر درجة حرارتها في مركزها بين 15×⁶10-20×⁶10 درجة كالفانية، وبنحو 7×⁶10-8×⁶10 درجة كلفانية عند أطرافها، ويقدر الضغط فيها بين⁶10- 22 ×⁶10 بار.

2 ـ الغلاف الإشعاعي (Radiative Zone):

 تحتل سماكة هذا الغلاف حوالي47% ( 326.9 ׳10 كم ) من نصف قطر الشمس. وتقل الكثافة خلاله تدريجياً حتى تبلغ عند أطرافه حوالي 70-120كغ/ م3. وتصل درجة حرارته إلى حوالي ⁶10 درجة كالفانية. وخلاله تشع الطاقة الشمسية نحو سطح الأرض.

3 ـ الغلاف الحملاني (Convective Zone):

تشغل سماكة هذا الغلاف حوالي 30% (208.7 ׳10 كم ) من نصف قطر الشمس وتتناقص كثافته إلى حوالي 10^-4كغ/ م3 ويصل الضغط فيه إلى أقل من 10^-2 بار عند حده الخارجي، تسود خلاله تيارات حملا نية حرارية تنقل الطاقة الشمسية إلى سطح الشمس.

4 ـ الغلاف المرئي "فوتوسفير" (Photosphere  ):

يشكل غلاف فوتوسفير الحد الخارجي للغلاف الحملاني، وفي الوقت نفسه يشكل سطح الشمس المرئي ذو اللون الفضي اللامع. ويعرف أحياناً بالغلاف الضوئي (light Sphere of)، وتبلغ سماكته عدة كيلو مترات، وهو المصدر الرئيسي للطاقة الشمسية الإشعاعية الواصلة إلى سطح الأرض, وتناهز درجة حرارته 6000 ْ كالفانية وتقل كثافته عند الحد الخارجي عن 10 كغ/ م3.

يظهر الفتوسفير مبرغلاًً ، تغطية خلايا حرارية حبيبية لامعة (Granules) غير منتظمة تمثل قمم التيارات والفورانات الحملانية الجارية خلال الغلاف الحملاني، تتراوح أقطارها بين 1000-3000 كم، ولا تزيد مدة بقاء كل منها عن بضع دقائق. وعلى الرغم من تشكل الفوتوسفير من غازات ضئيلة الكثافة فإن حده الخارجي محدد بوضوح، فالغازات المكونة له شديد التأين تمكنه من التصرف كجسم كتيم للأشعة قادر على امتصاص وإطلاق الأشعة الشمسية باستمرار.

وتعد البقع الشمسية (Sunspots ) من المظاهر الهامة التي تعتري سطح الفوتوسفير، وتعرف أيضاً بالكلف الشمسي وتعرف أحياناً بالمسامات (Pores ). وهي بقع داكنة اللون نسبياً، لانخفاض درجة حرارتها عما حولها بحوالي 1000 ^ه -1500 ^ه مئوية، إذ تقدر درجة حرارتها بين4000 ْ- 4500 ْ كالفانية. ولا تتعدى مساحتها مساحة الخلايا الحملانية، لكن تتراوح أطوال أقطار الكبيرة منها بين ⁴10- ⁵10 كم ، ويمكن مشاهدتها عند الغروب بالعين المجردة. ويحيط بالبقع الشمسية خلايا حرارية (Faculae ) لها نفس أبعادها لكنها أشد حرارة منها ولمعاناً ويشتد خلالها الإشعاع الشمسي ويتعاظم ليعوض النقص في الإشعاع الحاصل عند تكاثر البقع الشمسية.

تدوم البقع الشمسية عدة أيام، وتختلف أعدادها وفقاً لدورات زمنية منتظمة تتكرر كل 11 سنة وسطياً وبعضها يصل إلى 22 و89 وحتى 178 سنة. تتميز البقع الشمسية بقوة حقولها المغناطيسية, وبكونها مراكز للأقاليم المضطربة والناشطة على سطح الشمس. وتؤدي حتماً إلى اضطراب في الغلاف المغناطيسي الأرضي.

5 ـ (Reversing Layer ):

تمثل هذه الطبقة الطبقة الأولى من الغلاف الجوي الشمسي,  تتكون من غازات شفافة, تبلغ سماكتها حوالي 560 كم فوق الفوتوسفير, وتقل درجة حرارتها إلى حوالي 4200 ْ كالفانية، ولا تلاحظ إلا في أوقات كسوف الشمس الكلي أو باستخدام أدوات تحجب قرص الشمس.

يلاحظ خلال الطبقة الانقلابية خطوط غامقة اللون, تعرف بخطوط فرون هوفر ( Fraunhofer Lines) نسبة للعالم الألماني جوزيف فرون هوفر الذي اكتشفها. وتشكل هذه الطبقة نطاقاً انتقالياً بين الفوتوسفير وغلاف كروموسفير التالي.

6 ـ طبقة كروموسفير( Chromosphere):

تظهر طبقة كروموسفير فوق الطبقة الانقلابية على شكل هالة تحيط بالشمس تعرف أحياناً بالطبقة الملونة (Colorsphere ) تناهز سماكتها 1000 كم, متكونة من غازات ضئيلة الكثافة من شوارد الهدرجين والكالسيوم (Ca  ), وتتزايد درجة حرارتها تدريجياً باتجاه الخارج من 5000 ْ كالفانية عند قاعدتها إلى حوالي 20.000 ْ  كالفانية عند قمتها. وتمثل كروموسفير الطبقة الثانية من الغلاف الجوي الشمسي. ولا يمكن مشاهدتها إلا في أوقات الخسوف الشمسي فقط.

 وبين الوقت والآخر تثور خلال كروموسفير فورانات أو إندلاعات شمسية (  Flares) تصل ارتفاعها آلاف الكيلومترات. و عادة يزيد عددها عن 100 إندلاع يومياً، تتخللها عدة إندلاعات عظيمة (Prominences ) تحدث سنوياً. تعد هذه الإندلاعات مصدراً لتدفقات شديدة من الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية ومختلف أطياف الأشعة، يصاحبها فيض عظيم من البلازما الشمسية المشحونة بطاقة كهربائية كبيرة، ويذكر أنه في يوم 12 أيار / مايو من عام 1980 حدث اندلاع عظيم دام حوالي 40 دقيقة غطى مساحة تقدر بنحو 2.5×10 ⁹ كم2 من سطح الشمس (7).

7 ـ طبقة كورونا ( Corona):

تقع الكرونا فوق طبقة الكروموسفير, مشكلة الطبقة الخارجية للغلاف الجوي الشمسي. ولا يمكن مشاهدتها أيضاً إلا في أوقات كسوف الشمس الكامل. وتتكون من البلازما الشمسية أو ما يعرف بالرياح الشمسية (Solar Wind ). وهي أقل كثافة من الكروموسفير, تتألف من 91.3% بروتونات و8.7% ذرات هيليوم متأنية تصاحبها إلكترونات وأنواع مختلفة من الأشعة الشمسية. تتراوح درجة حرارتها بين 10 ⁶-2×10 ⁶ درجة كلفانية (7), تنطلق الرياح الشمسية بسرعة هائلة تزيد عن 500 كم/ثا, وتزيد عن ذلك في أوقات الإندلاعات الشمسية الحاصلة من طبقة كروموسفير. تنتشر الكرونا خلال مساحات شاسعة في الفضاء الكوني متعدية حدود المجموعة الشمسية. ويعرف الحد الذي تصل إليه بالحد الشمسي.

والحقيقة فإن الأرض تقع في الأجزاء الخارجية من الغلاف الجوي الشمسي, ولذلك يدخل الغلاف المغناطيسي الأرضي في صراع دائم مع الرياح الشمسية التي تضغط عليه باستمرار لكنه يتمكن من صدها ومنعها من الوصول إلى سطح الأرض.

تشكل الطاقة الحرارية وطرق انتقالها:

تتولد الطاقة الحرارية في بادئ الأمر, عندما تمتص الأشياء, مهما كان نوعها. الطاقة الشمسية الإشعاعية الواصلة إليها على شكل أمواج كهرومغناطيسية وتحولها إلى طاقة حرارية تخزنها في داخلها فتزيد درجة حرارتها ثم تعود وتطلقها مرة أخرى والأمر نفسه يحدث عندما نعرض أنفسنا إلى نار المدفاة, فعندما تمتص أجسامنا الأمواج الكهرومغناطيسية.

عمليات الإشعاع ونقل الطاقة الحرارية وتبادلها عند سطح الأرض:

عندما تصل الطاقة الشمسية الإشعاعية تحملها فوتونات أمواج الأشعة الكهرومغناطيسية من سطح الشمس عبر الفضاء إلى الأرض تدخل في عمليات عديدة من التحولات والتبدلات, تبدأ بامتصاص سطح الأرض والغلاف الجوي والأشياء والأجسام فيهما لهذه الطاقة, ومن ثم إشعاعها مرة أخرى لبعضها البعض وتتبادلها فيما بينها.

إذن عند دراسة عمليات الإشعاع الجاري على سطح الأرض وفي الغلاف الجوي, علينا إدراك وجود نوعين من الطاقة الإشعاعية وهما:

1-   الطاقة الشمسية الإشعاعية والتي تشكل المصدر الأساسي لكل الطاقة الواصلة إلينا بمختلف أشكالها.

2- الطاقة الأرضية الإشعاعية بما فيها طاقة الغلاف الجوي الإشعاعية والتي هي أصلاً طاقة مستمدة من الطاقة الشمسية الإشعاعية بالإضافة إلى الطاقة التي تشعها الأجسام والأشياء إلى بعضها البعض, وعلينا أن ندرك أيضاً أن العمليات المتحكمة بالعلاقة بين أنواع الطاقة الإشعاعية كثيرة ومعقدة ومتشابكة, لذلك علينا أن نوجه اهتمامنا إلى تلك العمليات المؤدية إلى تشكل ظواهر الطقس والمناخ على سطح الأرض وطرق تصرفها, والقوانين الضابطة لها والتي تمكن من قياسها كمياً, وقبل كل شيء علينا توضيح بعضا لمفاهيم المتعلقة بهذا الموضوع.

الإشعاع:

يعرف الإشعاع بزنه "عملية نقل الطاقة بواسطة فوتونات الأمواج الكهرومغناطيسية دون الحاجة إلى وسيط أو تماس مع المصدر المشع", وهذه العملية التي تصلنا بواسطتها الطاقة الإشعاعية الشمسية, مع ذلك علينا أن نعلم أن سطع الأرض والغلاف الجوي وأجسامنا وكل الأشياء التي حولنا مهما كانت صغيرة أو كبيرة ومهما كان تركيبها الفيزيائي والكيميائي, ومهما كانت باردة تشع طاقة إشعاعية (Radiant Energy ) تتناسب طرداً مع درجة حرارتها شريطة أن لا تهبط درجة حرارتها إلى دون

-273.15 مئوية أما ما يعرف بالصفر المطلق, فكلما زادت درجة حرارتها عن هذه الدرجة كلما زادت طاقتها الإشعاعية.

هذه الحقيقة توصلنا إليها كل من العالمين جوزيف ستيفان(Josif Stefan, 1835-1893 م) ولودوبج بولتزمان (Ludwig Boltzman 1844-1906 م )في أواخر القرن التاسع عشر, وعرفت بقانون ستيفان بولتزمان نسبة لهما.

الاستشعار وامتصاص الطاقة الإشعاعية:

عندما تسقط أمواج الطاقة الإشعاعية الكهرومغناطيسية المنبعثة من الشمس على سطح الأرض وعلى غلافها الجوي وعلى كل الأشياء, تقوم هذه الأشياء يقوم هذه الأشياء بامتصاصها وتحميلها إلى طاقة داخلية Internal Energy)) (3ص 48-55), وخاصة طاقة حرارية تزيد من درجة حرارتها, فتعود وتشعها مرة أخرى على شكل أمواج كهرومغناطيسية إلى ما حولها.

إذن فإن الأشياء عندما تتعرض إلى الطاقة الشمسية الإشعاعية أو الطاقة الإشعاعية التي تشعها الأشياء من حولها وتمتصها فإنها تقوم بعملية (استشعاع) وعندما تقوم بإطلاقها فإنها تقوم بعملية (إشعاع), ويبدو واضحاً أنه كلما ازدادت قدرتها على الإستشعاع وكمية الطاقة الإشعاعية الممتصة كلما تسخنت الأشياء وازدادت قدرتها على الإشعاع, كما ويبدو واضحاً أيضاً أن الأشياء التي تمتص أو تستشع طاقة إشعاعية أكبر مما تشعه فإنها ستسخن, واذا شعت طاقة إشعاعية أكثر مما تستشع فإنها تبرد, وإذا كان مقدار ما تشعهمن طاقة إشعاعية مساوية لما تستشعه فإن درجة حرارتها تظل ثابتة وتكون هذه الأشياء في حالة توازن إشعاعي(  Radiation Equilbrium), وهذا ما يفسر لنا الحالة الطبيعية الإشعاعية لكل الأشياء حولنا بما فيها الشمس, فقد لاحظنا فيما تقدم أنه عندما يشع سطح الشمس (الفوتوسفير) طاقة إشعاعية فإنه في الوقت نفسه يمتص طاقة حرارية تتولد في نواتها معادلة لم يشعه, ومن خلال خبراتنا اليومية نلاحظ أيضاً أن جميع الأجسام والأشياء حولنا تحافظ على توازنها الإشعاعي مع محيطها المتواجد فيه, وفي حالة اكتساب بعضها طاقة إشعاعية إضافية فإنها تسعى إلى إشعاعها والعودة إلى حالة توازنها الإشعاعي, والأمثلة على ذلك كثيرة لا حصر لها.

الطاقة وتحولاتها:

لابد لنا من الإشارة إلى أن الطاقة الإشعاعية الشمسية الساقطة على سطح الأرض تتعرض لتحولات عديدة من الطاقة مثل الطاقة الحرارية ( Heat Energy ), الطاقة الكامنة ( Potential Energy ), الطاقة الحركية ( Energy  Kinetie), الطاقة الكيميائية ( Energy Chemical ) لكن تظل الطاقة الحرارية أهمها وأكثرها حضوراً بالنسبة للعمليات المؤدية إلى تكوين طقس الأرض ومناخها, بالإضافة إلى أن أشكال الطاقة الأخرى تبقى ضئيلة نسبياً وستتحول بعملية أو أخرى إلى طاقة حرارية, وفي نهاية المطاف إلى طاقة إشعاعية تشعها الأشياء والأجسام التي تمتصها