Сончева патека

Сончевата патека, понекогаш наречена и дневен лак, се однесува на дневната и годишновременската патека слична на лак по која се чини дека Сонцето ја следи низ небото додека Земјата се врти и кружи околу Сонцето. Патеката на Сонцето влијае на должината на искусениот ден и количината на дневна светлина добиена по одредена географска ширина во дадено годишно време.

Сончева патека на поларен график за која било местоположба на географската ширина на Ротердам.

Релативната положба на Сонцето е главен фактор во зголемувањето на топлината на зградите и во учиноците на системите за сончева енергија.^[1] Точното знаење за сончевата патека и климатските услови посебно за местоположбата е од суштинско значење за економските одлуки за областа на сончевите собирачи, ориентација, површинско уредување, летно засенчување и исплатлива употреба на сончеви следачи.^[2]^[3]

Агли

Сончевиот зенитен агол ― зенитниот агол на Сонцето, т.е. аголот помеѓу сончевите зраци и вертикалната насока. Тоа е дополнување на сончевата надморска височина или сончевата височина, што е висински агол или агол на височина помеѓу сончевите зраци и хоризонталната рамнина.^[4]^[5] На пладне, зенитниот агол е на минимум и е еднаков на географската ширина минус аголот на сончевата деклинација. Ова е основата со која старите морнари пловеле по океаните.^[6]

Аголот на сончевиот зенит обично е користен во комбинација со аголот на сончевиот азимут за да биде одредена положбата на Сонцето како што е забележано од дадена местоположба на површината на Земјата.

Ефект на осниот наклон на Земјата

Сончевите патеки на која било географска широчина и во секое време од годината можат да бидат утврдени од основната геометрија.^[7] Земјината оска на вртење се навалува за околу 23,5 степени, во однос на рамнината на кружењето на Земјата околу Сонцето. Како што Земјата кружи околу Сонцето, ова ја создава разликата во деклинацијата од 47° помеѓу сончевите патеки на сонцестојот, како и разликата помеѓу летото и зимата засебно за хемисферата.

На северната хемисфера, зимското сонце (ноември, декември, јануари) изгрева на југоисток, поминува низ небесниот меридијан под низок агол на југ (повеќе од 43° над јужниот хоризонт во тропските предели), а потоа заоѓа во југозапад. Цел ден е на јужната (екваторска) страна на куќата. Вертикален прозорец свртен кон југ (страната на екваторот) е ефикасен за зафаќање на сончевата топлинска енергија. За споредба, зимското сонце на јужната хемисфера (мај, јуни, јули) изгрева на североисток, издигнува под низок агол на север (повеќе од половина пат од хоризонтот во тропските предели), а потоа заоѓа на северозапад. Таму, прозорецот свртен кон север ќе пушти многу сончева топлинска енергија во куќата.

Во северната хемисфера во лето (мај, јуни, јули), Сонцето изгрева на североисток, врвови малку јужно од надземната точка (пониско на југ на поголема географска ширина), а потоа заоѓа на северозапад, додека на јужната хемисфера во лето (ноември, декември, јануари), Сонцето изгрева на југоисток, врви малку северно од надземната точка (пониско на север на поголема географска ширина), а потоа заоѓа на југозапад. Едноставен настрешница од екваторот, зависна од географската ширина, лесно може да се дизајнира за да блокира 100% од директната сончева добивка од влегување во вертикални прозорци свртени кон екваторот во најжешките денови од годината. Надворешните екрани со сенка што се спуштаат, внатрешните проѕирни или непроѕирни јоргани за прозорци, завеси, ролетни, подвижни решетки итн. може да се користат за часовна, дневна или сезонска контрола на сонце и пренос на топлина (без активна електрична климатизација).

Насекаде низ светот за време на рамнодениците (20/21 март и 22/23 септември), освен за половите, сонцето изгрева на исток и заоѓа на запад. На северната хемисфера, рамноденицата на сонцето достигнува врв во јужната половина (околу половина нагоре од хоризонтот на средната географска широчина) на небото, додека на јужната хемисфера, тоа сонце достигнува врв во северната половина од небото. Кога е свртен кон екваторот, се чини дека сонцето се движи од лево кон десно на северната хемисфера и од десно кон лево на јужната хемисфера.

Разликите на сончевата патека засебни за географската ширина по хемисфера, се клучни за ефективно дизајнирање на пасивна сончева зграда. Тие се суштински податоци за оптимален сезонски дизајн на прозорци и настрешници. Сончевите дизајнери мора да ги знаат прецизните агли на сончевата патека за секоја местоположба за која ја дизајнираат и како тие се споредуваат со барањата за сезонско греење и ладење засновани на местото.

Во Соединетите Држави, точните броеви на годишновременски сончеви патеки засебни за местоположбата на висина и азимут, се достапни од Националната океанска и атмосферска управа - „екваторската страна“ на зградата е јужно во северната хемисфера и север во јужната хемисфера, каде што е врвот на летната краткоденица Сончевата височина се јавува на 21 декември.

Сенка на вертикален стап на сончево пладне

На екваторот, пладневното Сонце ќе биде директно над главата, и на тој начин вертикален стап нема да фрла сенка на рамнодениците. На Северниот Повратник (околу 23,4°С), вертикален стап нема да фрла сенка на јунската краткоденица (лето на северната хемисфера), а остатокот од годината неговата пладневна сенка ќе покажува кон Северниот Пол. На Јужниот Повратник (околу 23,4°С), вертикален стап нема да фрла сенка на декемвриската долгоденица (лето на јужната хемисфера), а остатокот од годината неговата пладневна сенка ќе покажува кон Јужниот Пол. Северно од Северниот Повратник, пладневната сенка секогаш ќе биде насочена кон север, а јужно од Јужниот Повратник, пладневната сенка секогаш ќе биде насочена кон југ.

Времетраење на дневната светлина

Во поларниците (северно од Северниот Поларник и јужно од Јужниот Поларник), секоја година ќе се доживее барем еден ден кога Сонцето останува под хоризонтот 24 часа (на зимската краткоденица) и најмалку еден ден кога Сонцето останува над хоризонтот 24 часа (на летната краткоденица).

Во средните географски широчини, должината на денот, како и сончевата надморска височина и азимут, варираат од еден ден до друг и од сезона до сезона. Разликата помеѓу должината на долгиот летен ден и на краткиот зимски ден се зголемува како што се оддалечуваме од Екваторот.^[2]

Согледување 1

Сликите подолу ги прикажуваат следните гледишта од Земјата, означувајќи ги часовните положби на Сонцето во двата сонцестојни денови. Кога се поврзани, сонцата прават дводневни лакови, патеки по кои изгледа дека Сонцето ги следи небесната сфера во своето дневно движење. Подолгиот лак е секогаш патека на средината на летото, додека пократкиот лак сред зима. Двата лака се оддалечени 46,88° (2 × 23,44°), што ја покажува разликата во деклинацијата помеѓу сонцата во сонцестојот.

Покрај тоа, некои сонца „духови“ се видливи под хоризонтот, дури 18° надолу, при што се појавува самрак. Сликите може да бидат користени и за северната и за јужната земјина полутопка. Теоретски набљудувач би требало да стои во близина на дрвото на мал остров среде морето. Зелените стрелки ги претставуваат страните на светот.

На северната хемисфера, северот е лево. Сонцето изгрева на исток (далечна стрелка), кулминира на југ (десно) додека се движи надесно и заоѓа на запад (стрелка во близина). И положбите во пораст и зацврстување се поместуваат кон север во средината на летото и кон југ во средината на зимата.
Во јужната хемисфера, југ е лево. Сонцето изгрева на исток (стрелка во близина), кулминира на север (десно) додека се движи налево и заоѓа на запад (далечна стрелка). И положбите на покачување и поставување се поместуваат кон југ во средината на летото и кон север во средината на зимата.

Следниве случаи се прикажани:

На апстрактната линија на Екваторот (0° ширина), максималната височина на Сонцето е голема во текот на целата година, но не прави совршен прав агол со земјата напладне секој ден. Всушност тоа се случува два дена во годината, за време на рамноденици. Должината се датумите кога Сонцето се наоѓа најдалеку од зенитот, но исто така во тие случаи е високо на небото, достигнувајќи височина од 66,56° или на север или на југ. Сите денови од годината, вклучувајќи ги и сонцестоите, имаат иста должина од 12 часа.
Денот на сонцестој се лакови гледано од 20° географска ширина. Сонцето кулминира на 46,56° надморска височина во зима и 93,44° надморска височина во лето. Во овој случај, аголот поголем од 90° значи дека кулминацијата се одвива на надморска височина од 86,56° во спротивна кардинална насока. На пример, во јужната хемисфера, Сонцето останува на север во текот на зимата, но може да достигне зенитот на југ во средината на летото. Летните денови се подолги од зимските денови, но разликата не е поголема од приближно два и пол часа. Дневната патека на Сонцето е стрмна на хоризонтот во текот на целата година, што резултира со самрак од само околу еден час и 20 минути наутро и навечер.
Денот на сонцестој се лакови гледано од 50° географска ширина. За време на зимската краткоденица, Сонцето не изгрева повеќе од 16,56° над хоризонтот напладне, но 63,44° во летната краткоденица над истата насока на хоризонтот. Разликата во должината на денот помеѓу летото и зимата, од овде на север, почнува да е впечатлива - нешто повеќе од 8 часа на зимската краткоденица, до повеќе од 16 часа за време на летната краткоденица. Слично е и разликата во насока на изгрејсонце и зајдисонце. На оваа географска ширина на полноќ (околу 1 часот по полноќ со летен законски час) летното сонце е 16,56° под хоризонтот, што значи дека „астрономскиот самрак“ продолжува цела ноќ. Овој феномен е познат како „сиви ноќи“, ноќи кога не се стемнува доволно за астрономите да го вршат своето набљудување на длабокото небо. Над 60° географска ширина, Сонцето би било уште поблиску до хоризонтот, само 6,56° оддалечено од него. Тогаш „граѓанскиот самрак“ продолжува речиси цела ноќ, само малку „наутички самрак“ околу месниот полноќ. Над 66,56° географска ширина, воопшто нема зајдисонце, феномен познат како полноќно сонце.
Лаковите на денот на сонцестојот, се гледани од 70° географска ширина. На месно пладне зимското Сонце кулминира на -3,44°, а летното Сонце на 43,44°. Поинаку кажано, во текот на зимата Сонцето не изгрева над хоризонтот, тоа е поларната ноќ. Сепак, ќе има силен самрак. На месен полноќ летното Сонце кулминира на 3,44°. Со други зборови, тоа не се зашло; тоа е поларен ден.
Лаковите на денот на сонцестојот, се гледани од двата пола (90° географска ширина). Во времето на летната или зимската краткоденица, Сонцето е 23,44° степени над или под хоризонтот, соодветно, без оглед на времето од денот. Додека Сонцето изгрева (во текот на летните месеци) тоа ќе кружи околу целото небо (во насока на стрелките на часовникот од Северниот пол и спротивно од стрелките на часовникот од јужниот пол), изгледа дека останува под истиот агол од хоризонтот, затоа концептот на ден или ноќта е бесмислена. Аголот на височина постепено ќе се менува на годишен циклус, при што Сонцето ќе ја достигне својата највисока точка на летната краткоденица и ќе изгрева или заоѓа на рамноденица, со продолжени периоди на самрак кои траат неколку дена по есенската рамноденица и пред пролетната рамноденица.

Лаковите на денот на сонцестојот како што се гледани од избраните географски широчини:

0° географска ширина (екватор)
20° географска ширина
50° географска ширина
70° географска ширина
90° географска широчина (било кој пол)

Согледување 2

Публикација од 2021 година,^[8] за сончевата геометрија најпрво ги пресметува x-, y- и z-компонентата на сончевиот вектор, кој е единечен вектор со опашката фиксирана на местоположбата на набљудувачот и нејзината глава постојано насочена кон Сонцето, и потоа ги користи компонентите за пресметување на аголот на сончевиот зенит и аголот на сончевиот азимут. Пресметаниот сончев вектор со чекор од 1 час за цела година и во текот на денот и во текот на ноќта може да биде користен за ефективно да биде согледана патеката на Сонцето.

На следните слики, потеклото на координатниот систем е местоположбата на набљудувачот, x-позитивно е исток, y-позитивно е север и z-позитивно е нагоре; на Северниот Пол, y-негативот е тангентен на првиот меридијан; на Јужниот Пол, y-позитивот е тангентен на главниот меридијан; z-позитивно е дневно, а z-негативно е ноќно; временскиот чекор е 1 час.

Секоја шема „8“ во сите бројки е аналема што одговара на одреден час од секој ден од годината; сите 24 часа на одреден ден од годината ја прикажуваат сончевата патека на тој ден.

Поврзано

Наводи

↑ „Solar Resource Information“. National Renewable Energy Laboratory. Посетено на 2009-03-28.
↑ ^2,0 ^2,1 Khavrus, V.; Shelevytsky, I. (2010). „Introduction to solar motion geometry on the basis of a simple model“. Physics Education. 45 (6): 641. Bibcode:2010PhyEd..45..641K. doi:10.1088/0031-9120/45/6/010. Архивирано од изворникот на 2016-09-16. Посетено на 2024-08-24.
↑ Khavrus, V.; Shelevytsky, I. (2012). „Geometry and the physics of seasons“. Physics Education. 47 (6): 680. doi:10.1088/0031-9120/47/6/680.
↑ Jacobson, Mark Z. (2005). Fundamentals of Atmospheric Modeling (2.. изд.). Cambridge University Press. стр. 317. ISBN 0521548659.
↑ Hartmann, Dennis L. (1994). Global Physical Climatology. Academic Press. стр. 30. ISBN 0080571638.
↑ Bonan, Gordon (2005). Ecological climatology: concepts and applications. Cambridge University Press. стр. 62. ISBN 9781316425190. Посетено на 24 август 2024.
↑ Librorum, Helluo (2012). „Notes from Noosphere: The simple geometry of sun, moon, and star paths“. notesfromnoosphere.blogspot.com. Посетено на September 19, 2013.
↑ Zhang, T., Stackhouse, P.W., Macpherson, B., and Mikovitz, J.C., 2021. A solar azimuth formula that renders circumstantial treatment unnecessary without compromising mathematical rigor: Mathematical setup, application and extension of a formula based on the subsolar point and atan2 function. Renewable Energy, 172, 1333-1340. DOI: https://doi.org/10.1016/j.renene.2021.03.047

Надворешни врски

[1] „Solar Resource Information“. National Renewable Energy Laboratory. Посетено на 2009-03-28.

[SunModel-2] 2,0 ^2,1 Khavrus, V.; Shelevytsky, I. (2010). „Introduction to solar motion geometry on the basis of a simple model“. Physics Education. 45 (6): 641. Bibcode:2010PhyEd..45..641K. doi:10.1088/0031-9120/45/6/010. Архивирано од изворникот на 2016-09-16. Посетено на 2024-08-24.

[SunModel2-3] Khavrus, V.; Shelevytsky, I. (2012). „Geometry and the physics of seasons“. Physics Education. 47 (6): 680. doi:10.1088/0031-9120/47/6/680.

[4] Jacobson, Mark Z. (2005). Fundamentals of Atmospheric Modeling (2.. изд.). Cambridge University Press. стр. 317. ISBN 0521548659.

[Сончев_зенитен_агол_hartmann-5] Hartmann, Dennis L. (1994). Global Physical Climatology. Academic Press. стр. 30. ISBN 0080571638.

[6] Bonan, Gordon (2005). Ecological climatology: concepts and applications. Cambridge University Press. стр. 62. ISBN 9781316425190. Посетено на 24 август 2024.

[7] Librorum, Helluo (2012). „Notes from Noosphere: The simple geometry of sun, moon, and star paths“. notesfromnoosphere.blogspot.com. Посетено на September 19, 2013.

[Zhangetal-8] Zhang, T., Stackhouse, P.W., Macpherson, B., and Mikovitz, J.C., 2021. A solar azimuth formula that renders circumstantial treatment unnecessary without compromising mathematical rigor: Mathematical setup, application and extension of a formula based on the subsolar point and atan2 function. Renewable Energy, 172, 1333-1340. DOI: https://doi.org/10.1016/j.renene.2021.03.047

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]