Тепловые потоки небесных тел

В 1956 г. сотрудником Пулковской обсерватории Т.А. Шмаоновым была зарегистрирована конечная температура в открытом космическом пространстве Т₀ = 4±3 К. Наиболее распространенным в природе видом электромагнитного излучения является тепловое излучение. Близко по своим свойствам к чёрному телу относится реликтовое или космическое микроволновое фоновое излучение, заполняющее Вселенную [2].

Рисунок 1.1 Излучение Вселенной (температура 2,72548 ± 0,00057 К)

При отсутствии внешних тепловых потоков, падающих на поверхность КА, ее температура определяется степенью черноты поверхности и количеством тепла, подведенного от смежных элементов КА.

Если на космический аппарат в космосе не будет падать внешнее тепловое излучение от Солнца и Земли, то его температура со временем достигнет температуры излучения вселенной (2,72548 ± 0,00057 К).

Рисунок 1.2 Тепловой баланс Земли

Земля получает (рис. 1.2) лишь 1/2000000000 часть солнечной энергии, так, например, на 1 м2 площадки, перпендикулярной падению солнечных лучей за пределами земной атмосферы, падает 1,367 кВт солнечной энергии. Из нее 1% «жесткого» ультрафиолетового излучения поглощается молекулами газов на высоте свыше 100 км, еще 3 % «мягкого» ультрафиолетового излучения поглощается озоном О3 и 4 % теплового излучения – водяными парами в тропосфере. В приземные слои воздуха попадает 92% оптического солнечного излучения с длиной волн 290÷2400·10^-9 м, 45% излучения рассеивается молекулами воздуха и придает небу голубой цвет, 47% достигает поверхности Земли, но 7 % отражается ею обратно. Поверхность Земли поглощает 40% падающей на нее энергии солнечных лучей и еще 8% из предварительно рассеянных в атмосфере. Поскольку центральное сечение земного шара (S = πR²), на которое приходится тепловой поток от Солнца, в 4 раза меньше площади поверхности (S = 4πR²), откуда средний тепловой поток на единицу поверхности Земли в 4 раза меньше солнечной постоянной: 341 Вт/м² ≈ 1367/4 Вт/м², или 1,74·1017 Вт в расчёте на полную поверхность Земли.

Солнечная постоянная не является неизменной во времени величиной. Известно, что на её величину влияют два основных фактора: расстояние между Землей и Солнцем, изменяющееся в течение года по причине эллиптичности орбиты Земли (годичная вариация 6,9 % — от 1,412 кВт/м² в начале января до 1,321 кВт/м² в начале июля) и изменения солнечной активности.

Основной приток энергии к Земле обеспечивается солнечным излучением и составляет около 341 Вт/м² в среднем по всей поверхности планеты. Внутренние источники тепла (радиоактивный распад, стратификация по плотности) по сравнению с этой цифрой незначительны (около 0,08 Вт/м²). Из 341 Вт/м² солнечного излучения, попадающего на Землю, примерно 30 % (102 Вт/м²) сразу же отражается от поверхности Земли (23 Вт/м²) и облаков (79 Вт/м²), а 239 Вт/м² в сумме поглощается атмосферой (78 Вт/м²) и поверхностью Земли (161 Вт/м²). Поглощение в атмосфере обусловлено в основном облаками и аэрозолями.

Из 161 Вт/м² поглощаемой поверхностью Земли энергии 40 Вт/м² возвращается в космическое пространство в виде теплового излучения диапазона 3–45 мкм, ещё 97 Вт/м² передаются атмосфере за счёт различных тепловых процессов (80 Вт/м² — испарение воды, 17 Вт/м² — конвективный теплообмен). Кроме того, около 356 Вт/м² излучения Земли поглощается атмосферой, из которых 332 Вт/м² (161 – 40 – 97– 356 + 332 = 0) возвращается в виде обратного излучения атмосферы. Таким образом, полное тепловое излучение поверхности Земли составляет 396 Вт/м² (356+40), что соответствует средней тепловой температуре 288 К (15 °С).

Атмосфера излучает в космическое пространство 199 Вт/м², включая 78 Вт/м², полученные от излучения Солнца, 97 Вт/м², полученные от поверхности Земли, и разность между поглощаемым атмосферой излучением поверхности и обратным излучением атмосферы в объёме 23 Вт/м².

Внутренние источники тепла Земли менее значительны по мощности, чем внешние. Средняя плотность теплового потока по земному шару составляет 87±2 мВт/м² или (4,42±0,10)·1013 Вт в целом по Земле, то есть примерно в 5000 раз меньше, чем средняя солнечная радиация [2].

Рассмотрим внешние тепловые потоки, падающие на спутник, находящийся на ГСО. На него попадают прямые солнечные потоки мощностью 1367 Вт/м², потоки от атмосферы мощностью 199 Вт/м², поверхность земли возвращает 40 Вт/м², собственные тепловые потоки Земли составляют 87±2 мВт/м².

Экзосфера (высота около 500 км) обозначает границу атмосферы. Для спутника на низкой гелиосинхронной орбите на высоте 500 км от поверхности Земли значение внешних тепловых потоков следующие: падающее солнечное излучение составляет около 341 Вт/м², примерно 30 % солнечного излучения сразу же отражается от Земли и облаков и составляет 102 Вт/м², из поглощенной поверхностью Земли энергии попадает на спутник 40 Вт/м², 332 Вт/м² составляет обратное излучение атмосферы, собственные тепловые потоки Земли также составляют 87±2 мВт/м².

Выводы.

1. Отличие теплообмена между блоками и деталями спутника на орбите Земли от теплообмена на поверхности Земли заключается в разных механизмах теплообмена.

2. Температура в космическом пространстве примерно равно 3 К.

3. Были рассмотрены потоки излучения, падающие на спутник на геостационарной и на гелиосинхронной орбите (на высоте 500 км).