Astronomie

Strahlungsfluss, Bestrahlungsstärke und Helligkeitsverwirrung

Strahlungsfluss, Bestrahlungsstärke und Helligkeitsverwirrung

Zunächst einmal weiß ich, dass es hier eine ähnliche Frage gibt, aber ich habe das Gefühl, dass sie überhaupt nicht beantwortet wurde.

Meine Frage ist, dass ich viele Texte gesehen habe, die besagten, dass der Strahlungsfluss der Bestrahlungsstärke eines Sterns entspricht. In Carroll & Ostlie Buch "An Introduction to Modern Astrophysics" heißt es sogar:

Und Wikipedias Strahlung auf der Erdoberfläche sagt Folgendes:

Die durchschnittliche jährliche Sonnenstrahlung, die an der Spitze der Erdatmosphäre eintrifft, beträgt ungefähr 1361 W/m².

Danach gehe ich zunächst davon aus, dass Bestrahlungsstärke und Strahlungsfluss dasselbe sind, aber bei der Suche nach Bestrahlungsstärke auf Wikipedia sagt das:

In der Radiometrie ist die Bestrahlungsstärke der Strahlungsfluss (Leistung), der von einer Oberfläche pro Flächeneinheit empfangen wird.

Was bedeutet, dass Bestrahlungsstärke Flux geteilt durch Fläche ist, also Radiant Flux Einheiten von J/s hat und Bestrahlung Einheiten von W m^-2 hat, an die ich mich aus meinem Optikkurs erinnere, dann sagen Carroll & Ostlie wieder:

Das bedeutet nicht, wenn die Bestrahlungsstärke gleich dem Strahlungsfluss dividiert durch die Fläche ist, also F = I * A, was die Bestrahlungsstärke gleich Helligkeit / Fläche ^ 2 machen würde? In diesem Fall sollte die bolometrische Größe mit dem Integral der Bestrahlungsstärke berechnet werden, nicht der Helligkeit oder des Flusses, oder?

Wahrscheinlich mache ich es mir selbst kompliziert und es ist nicht so schwer zu verstehen. Ich teile nur meine Verwirrung mit euch, bitte helft mir bei dieser Frage.

Danke im Voraus.


Ich denke, die Verwirrung, die Sie haben, rührt von der Tatsache her, dass in verschiedenen Bereichen unterschiedliche Begriffe für dasselbe Phänomen verwendet werden und einige dieser Begriffe dieselben zugrunde liegenden Wörter verwenden, jedoch auf unterschiedliche, inkonsistente Weise.

Insbesondere in der Astrophysik verwenden wir am häufigsten die folgenden Begriffe:

  • Helligkeit -- Gesamtleistung, die von einem Objekt abgegeben wird, mit Energieeinheiten pro Zeit (z. B. J s$^{-1}$ = W);

  • Fluss -- Leistung, die ein bestimmtes Gebiet durchquert, mit Energieeinheiten pro Zeit pro Gebiet (z. B. W m$^{-2}$);

  • Intensität -- Fluss pro Raumwinkel (z.B. W m$^{-2}$ ster$^{-1}$).

Aber in der Radiometrie sind die entsprechenden Terme (mit den gleichen Einheiten) Strahlungsfluss, Bestrahlungsstärke (auch genannt Flussdichte), und Glanz.

Das Buch von Carroll & Ostlie, auf das Sie verweisen, folgt der astrophysikalischen Konvention, verwirrt jedoch die Dinge unbeabsichtigt, indem es (manchmal) auf den Fluss als "Strahlungsfluss" Bezug nimmt, wahrscheinlich ohne zu wissen, dass dieser Begriff in der Radiometrie etwas anderes (dh Leuchtkraft) bedeutet. (Und so wird man verwirrt, wenn man in Wikipedia nachschlägt und auf die stößt radiometrisch Begriffe.)

Ich vermute, Carroll & Ostlie tun dies, um den Leser daran zu erinnern, dass dies ein Fluss von ist Licht im Gegensatz zu etwas anderem (die Google-Suche innerhalb des Buches zeigt später eine kurze Diskussion des "konvektiven Flusses"). In der Praxis verwenden Astrophysiker fast immer nur "Fluss" für Licht und verwenden zusätzliche Wörter, um anzuzeigen, ob sie von einem anderen Fluss sprechen (z. B. Staubkörner, kosmische Strahlung, Neutrinos oder was auch immer).

Was es wert ist, die astrophysikalische Verwendung von "Fluss" stimmt mit der allgemeinen Verwendung des Begriffs in Mathematik/Physik überein (z. B. "Fluss ist definiert als die Fließgeschwindigkeit einer Eigenschaft pro Flächeneinheit, die die Dimensionen [Menge] $cdot$ [Zeit]$^{−1}$ $cdot$ [Bereich]$^{-1}$. Der Bereich ist die Oberfläche, die das Grundstück "durchströmt" oder "überquert". Zum Beispiel sind die Stärke der Strömung eines Flusses, also die Wassermenge, die jede Sekunde durch einen Flussquerschnitt fließt, oder die Menge der Sonnenenergie, die jede Sekunde auf einem Stück Boden landet, Arten von Flüssen." ) Der radiometrische Begriff "Strahlungsfluss" ist also wohl ein Missbrauch des Wortes "Fluss", obwohl ich bezweifle, dass Radiometer deswegen den Schlaf verlieren.


Es sieht für mich so aus, als ob der Strahlungsfluss derselbe ist, wie der Strahlungsfluss der Bestrahlungsstärke entspricht, beide sind Energie pro Sekunde geteilt durch die Fläche. Diese Interpretation scheint mit allem, was Sie zitiert haben, im Einklang zu stehen. Genauer gesagt sollten dies alle "Flussdichte" sein, nicht "Fluss", da Fluss nur die Menge von etwas pro Zeit bedeutet, aber dieser Konvention wird nicht mehr viel gefolgt.


Schwarzkörperstrahlung

Lassen Sie uns zunächst einen kurzen Überblick über die Temperaturskalen und die Bedeutung der Temperatur geben. Die Temperatur eines Objekts ist ein direktes Maß für die Bewegungsenergie von Atomen und/oder Molekülen. Je schneller die durchschnittliche Bewegung dieser Partikel ist (die eine Rotationsbewegung, eine Vibrationsbewegung oder eine Translationsbewegung sein kann), desto höher ist die Temperatur des Objekts.

In diesem Kurs beziehen wir uns der astronomischen Konvention entsprechend auf Temperaturen mit der Kelvin-Skala. Die folgende Tabelle vergleicht Kelvin mit den bekannteren Temperaturskalen:

Vergleich von Kelvin mit den bekannteren Temperaturskalen
Celsius Fahrenheit Kelvin
Alle Molekularbewegung stoppt -273 -459 0
Gefrierpunkt von Wasser 0 32 273
Siedepunkt von Wasser 100 212 373

Ein Grad Celsius ist gleich groß wie ein K. Der einzige Unterschied zwischen diesen beiden Skalen ist der Nullpunkt.

Ein Grund für diese schnelle Überprüfung der Temperatur ist, dass wir jetzt damit beginnen, die Lichtemission verschiedener Körper zu untersuchen, und alle Objekte mit Temperaturen über dem absoluten Nullpunkt strahlen Licht aus.

Unsere Strategie besteht darin, zunächst die Eigenschaften des einfachsten Objekttyps zu untersuchen, der Licht emittiert, der als a . bezeichnet wird schwarzer Körper. Ein schwarzer Körper ist ein Objekt, das die gesamte Strahlung absorbiert, die es empfängt (dh es reflektiert kein Licht und lässt auch kein Licht durch es hindurch und auf die andere Seite hinaus). Die Energie, die der Schwarze Körper absorbiert, erwärmt ihn und emittiert dann seine eigene Strahlung. Der einzige Parameter, der bestimmt, wie viel Licht der Schwarze Körper abgibt und bei welchen Wellenlängen, ist sein Temperatur. Es gibt kein Objekt, das ein idealer schwarzer Körper ist, aber viele Objekte (einschließlich Sterne) verhalten sich ungefähr wie schwarze Körper. Andere gängige Beispiele sind der Glühfaden einer Glühbirne oder das Brennerelement eines Elektroherds. Wenn Sie die Einstellung des Ofens von niedrig auf hoch erhöhen, können Sie beobachten, dass er eine Schwarzkörperstrahlung erzeugt, und das Element wird von fast schwarz zu glühend rotglühend.

Die Temperatur eines Objekts ist ein Maß für die zufällige Bewegung (die durchschnittliche Geschwindigkeit), die die Partikel aufweisen, aus denen das Objekt besteht. Je schneller sich die Partikel bewegen, desto höher ist die Temperatur, die wir messen. Wenn Sie sich am Anfang dieser Lektion erinnern, haben wir gelernt, dass geladene Teilchen, wenn sie beschleunigt werden, elektromagnetische Strahlung (Licht) erzeugen. Da einige der Teilchen in einem Objekt geladen sind, enthält jedes Objekt mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt (0 K oder –273 Grad Celsius) sich bewegende geladene Teilchen, sodass es Licht emittiert.

Ein schwarzer Strahler, der ein „idealer“ oder „perfekter“ Strahler ist (d. h. seine Emissionseigenschaften variieren nicht je nach Standort oder Zusammensetzung des Objekts), emittiert ein Lichtspektrum mit den folgenden Eigenschaften:

  1. Je heißer der Schwarze Körper ist, desto mehr Licht gibt er bei allen Wellenlängen ab. Das heißt, wenn Sie zwei Schwarzkörper vergleichen, unabhängig von der Wellenlänge des Lichts, die Sie beobachten, gibt der heißere Schwarzkörper mehr Licht ab als der kühlere.
  2. Das Spektrum eines Schwarzen Körpers ist kontinuierlich (er gibt bei allen Wellenlängen etwas Licht ab) und hat einen Peak bei einer bestimmten Wellenlänge. Die Spitze der Schwarzkörperkurve in einem Spektrum verschiebt sich für heißere Objekte zu kürzeren Wellenlängen. Wenn Sie an sichtbares Licht denken, gilt: Je heißer der schwarze Körper, desto blauer die Wellenlänge seiner Spitzenemission. Die Sonne hat beispielsweise eine Temperatur von etwa 5800 Kelvin. Ein schwarzer Körper mit dieser Temperatur hat seinen Peak bei ungefähr 500 Nanometern, was der Wellenlänge der Farbe Gelb entspricht. Ein schwarzer Körper, der doppelt so heiß ist wie die Sonne (etwa 12000 K), würde den Peak seines Spektrums bei etwa 250 Nanometern haben, was im UV-Teil des Spektrums liegt.

Hier ist eine zweidimensionale Darstellung des Spektrums eines Schwarzen Körpers mit unterschiedlichen Temperaturen:

Die erste der beiden oben aufgeführten Eigenschaften (und im Bild oben zu sehen) wird normalerweise als die . bezeichnet Stefan-Boltzmann Law und wird mathematisch ausgedrückt als:

Die Gesamtleuchtkraft eines Schwarzen Körpers, dh wie viel Energie das gesamte Objekt abgibt, ist die Energie pro Flächeneinheit (E) multipliziert mit der Oberfläche. Für eine Kugel ist dies:

Dabei ist L die Leuchtkraft (Energie pro Zeiteinheit) und R der Radius der Kugel.

Die zweite der beiden oben aufgeführten Eigenschaften wird als . bezeichnet Wiener Gesetz. Um die Spitzenwellenlänge des Spektrums eines Schwarzen Körpers zu bestimmen, lautet die Gleichung:

Versuche dies!

Es gibt ein interaktives Online-Tool der University of Colorado, um das Spektrum verschiedener Schwarzkörper zu untersuchen. Hier ist der Link, um es online auszuführen: PhET Interactive Simulation of the Blackbody Spectrum.


Inhalt

Es gibt mehrere gemessene Arten der Sonneneinstrahlung.

  • Gesamtsonnenstrahlung (TSI) ist ein Maß für die Sonnenenergie über alle Wellenlängen pro Flächeneinheit, die auf die obere Erdatmosphäre einfallen. Sie wird senkrecht zum einfallenden Sonnenlicht gemessen. [2] Die Sonnenkonstante ist ein konventionelles Maß für den mittleren TSI in einer Entfernung von einer Astronomischen Einheit (AE).
  • Direkte Normalstrahlung (DNI), oder Strahlstrahlung, wird an der Erdoberfläche an einem bestimmten Ort mit einem Oberflächenelement senkrecht zur Sonne gemessen. [5] Sie schließt diffuse Sonnenstrahlung (Strahlung, die von atmosphärischen Komponenten gestreut oder reflektiert wird) aus. Die Direktstrahlung ist gleich der extraterrestrischen Strahlung über der Atmosphäre abzüglich der atmosphärischen Verluste durch Absorption und Streuung. Die Verluste hängen von der Tageszeit (Länge des Lichtwegs durch die Atmosphäre abhängig vom Sonnenstandswinkel), der Wolkenbedeckung, dem Feuchtigkeitsgehalt und anderen Inhalten ab. Die Bestrahlungsstärke über der Atmosphäre variiert auch mit der Jahreszeit (da der Abstand zur Sonne variiert), obwohl dieser Effekt im Allgemeinen weniger signifikant ist als der Effekt von Verlusten auf die DNI.
  • Diffuse horizontale Einstrahlung (DHI), oder Diffuse Himmelsstrahlung ist die Strahlung an der Erdoberfläche durch das von der Atmosphäre gestreute Licht. Es wird auf einer horizontalen Fläche gemessen, wobei die Strahlung von allen Punkten des Himmels kommt, außer Zirkumsolare Strahlung (Strahlung von der Sonnenscheibe). [5] [6] Ohne Atmosphäre würde es fast kein DHI geben. [5]
  • Globale horizontale Einstrahlung (WHI) ist die Gesamtstrahlung der Sonne auf eine horizontale Oberfläche der Erde. Es ist die Summe der direkten Einstrahlung (nach Berücksichtigung des Sonnenzenitwinkels der Sonne z) und diffuse horizontale Einstrahlung: [7] GHI = DHI + DNI × cos ⁡ ( z ) >=< ext>>+< ext> imes cos(z)>
  • Globale geneigte Einstrahlung (GTI) oder ist die Globalstrahlung, die auf einer Oberfläche mit definierter Neigung und Azimut empfangen wird, fest oder der Sonne nachgeführt. GTI kann gemessen werden [6] oder aus GHI, DNI, DHI modelliert werden. [8][9][10] Es ist oft eine Referenz für Photovoltaik-Kraftwerke, während Photovoltaik-Module auf den festen oder nachgeführten Konstruktionen montiert werden.
  • Globale normale Einstrahlung (BNE) ist die Gesamtstrahlung der Sonne auf die Erdoberfläche an einem bestimmten Ort mit einem Oberflächenelement senkrecht zur Sonne.

Die SI-Einheit der Bestrahlungsstärke ist Watt pro Quadratmeter (W/m 2 = Wm −2 ).

Eine alternative Maßeinheit ist Langley (1 thermochemische Kalorie pro Quadratzentimeter oder 41.840 J/m 2 ) pro Zeiteinheit.

Die Solarindustrie verwendet Wattstunden pro Quadratmeter (Wh/m 2 ) pro Zeiteinheit [ Zitat benötigt ] . Das Verhältnis zur SI-Einheit lautet somit:

1 kW/m 2 × (24 h/Tag) = (24 kWh/m 2 )/Tag (24 kWh/m 2 )/Tag × (365 Tage/Jahr) = (8760 kWh/m 2 )/Jahr.

Die Verteilung der Sonnenstrahlung am oberen Rand der Atmosphäre wird durch die Sphärizität und die Bahnparameter der Erde bestimmt. Dies gilt für jeden unidirektionalen Strahl, der auf eine rotierende Kugel einfällt. Die Sonneneinstrahlung ist für die numerische Wettervorhersage und das Verständnis von Jahreszeiten und Klimaänderungen unerlässlich. Die Anwendung auf Eiszeiten ist als Milankovitch-Zyklen bekannt.

Die Verteilung basiert auf einer fundamentalen Identität aus der sphärischen Trigonometrie, dem sphärischen Kosinusgesetz:

cos ( c ) = cos ⁡ ( a ) cos ⁡ ( b ) + sin ( a ) sin ⁡ ( b ) cos ⁡ ( C )

wo ein, b und c sind Bogenlängen im Bogenmaß der Seiten eines kugelförmigen Dreiecks. C ist der Winkel im Scheitel gegenüber der Seite mit der Bogenlänge c. Auf die Berechnung des Sonnenzenitwinkels Θ angewendet, gilt für das Kugelkosinusgesetz:

Diese Gleichung kann auch aus einer allgemeineren Formel abgeleitet werden: [11]

wo β ein Winkel von der Horizontalen ist und γ ist ein Azimutwinkel.

Die Trennung der Erde von der Sonne kann als R . bezeichnet werdenE und der mittlere Abstand kann als R . bezeichnet werden0, ungefähr 1 Astronomische Einheit (AE). Die Sonnenkonstante wird mit S . bezeichnet0. Die solare Flussdichte (Einstrahlung) auf eine Ebene tangential zur Erdkugel, aber über dem Großteil der Atmosphäre (Höhe 100 km oder mehr) beträgt:

Der Durchschnitt von Q über einen Tag ist der Durchschnitt von Q über eine Umdrehung, oder der Stundenwinkel von ha = π zu ha = −π:

Lassen ha0 der Stundenwinkel sein, wenn Q positiv wird. Dies könnte bei Sonnenaufgang passieren, wenn Θ = 1 2 π <2>>pi > , oder für ha0 als Lösung von

Wenn tan(φ)tan(δ) > 1, dann geht die Sonne nicht unter und die Sonne ist bereits um . aufgegangen ha = π, also hÖ = . Wenn tan(φ)tan(δ) < −1 ist, geht die Sonne nicht auf und Q ¯ Tag = 0 >^< ext>=0> .

∫ π − π Q dh = ∫ ho − ho Q dh = S o R o 2 RE 2 ∫ ho − ho cos ⁡ ( Θ ) dh = S o R o 2 RE 2 [ h sin ⁡ ( ϕ ) sin ⁡ ( δ ) + cos ⁡ ( ϕ ) cos ⁡ ( δ ) sin ⁡ ( h ) ] h = hoh = − ho = − 2 S o R o 2 RE 2 [ ho sin ⁡ ( ϕ ) sin ⁡ ( δ ) + cos ⁡ ( ϕ ) cos ⁡ ( δ ) sin ⁡ ( ho ) ] int _^<-pi >Q,dh&=int _<>>^<-h_>Q,dh&=S_^<2>><>^<2>>>int _<>>^<-h_>cos(Theta),dh&=S_^<2>><>^<2>>>left[hsin(phi)sin(delta)+cos(phi)cos(delta)sin(h) ight]_<>>^<>>&=-2S_^<2>><>^<2>>>links[h_sin(phi)sin(delta)+cos(phi)cos(delta)sin(h_) echts]ende>>

Sei θ der konventionelle Polarwinkel, der eine Planetenbahn beschreibt. Lassen θ = 0 zur Frühlings-Tagundnachtgleiche. Die Deklination δ als Funktion der Orbitalposition beträgt [12] [13]

wobei ε die Schiefe ist. Die konventionelle Länge des Perihels ϖ ist relativ zur Frühlings-Tagundnachtgleiche definiert, also für die elliptische Bahn:

Mit Kenntnis von ϖ, ε undε e aus astrodynamischen Berechnungen [14] und SÖ aus einem Konsens von Beobachtungen oder Theorie, Q ¯ Tag >^< ext>> kann für jeden Breitengrad φ und θ berechnet werden. Wegen der elliptischen Bahn und infolge des zweiten Keplerschen Gesetzes θ schreitet mit der Zeit nicht gleichmäßig fort. Dennoch, θ = 0° ist genau die Zeit der Frühlings-Tagundnachtgleiche, θ = 90° ist genau die Zeit der Sommersonnenwende, θ = 180° ist genau die Zeit der Herbst-Tagundnachtgleiche und θ = 270° ist genau die Zeit der Wintersonnenwende.

Eine vereinfachte Gleichung für die Einstrahlung an einem bestimmten Tag lautet: [15]

wo nein ist eine Zahl eines Tages im Jahr.

Variation Bearbeiten

Die totale Sonneneinstrahlung (TSI) [16] ändert sich langsam auf dekadischen und längeren Zeitskalen. Die Variation während des Sonnenzyklus 21 betrug etwa 0,1% (Spitze-Spitze). [17] Im Gegensatz zu älteren Rekonstruktionen [18] weisen die jüngsten TSI-Rekonstruktionen auf eine Zunahme von nur etwa 0,05% bis 0,1% zwischen dem Maunder-Minimum und der Gegenwart hin. [19] [20] [21] Die ultraviolette Bestrahlungsstärke (EUV) variiert bei Wellenlängen von 200 bis 300 nm um ungefähr 1,5 Prozent von solaren Maxima zu Minima. [22] Eine Proxy-Studie schätzt jedoch, dass die UV-Strahlung seit dem Maunder-Minimum um 3,0% zugenommen hat. [23]

Einige Variationen der Sonneneinstrahlung sind nicht auf solare Veränderungen zurückzuführen, sondern auf die Bewegung der Erde zwischen ihrem Perihel und Aphel oder auf Änderungen der Breitenverteilung der Strahlung. Diese Orbitaländerungen oder Milankovitch-Zyklen haben über lange Zeiträume Strahlungsschwankungen von bis zu 25 % (lokale globale Durchschnittsänderungen sind viel kleiner) verursacht. Das jüngste bedeutende Ereignis war eine axiale Neigung von 24° während des borealen Sommers in der Nähe des Holozänes Klimaoptimum. Erhalten einer Zeitreihe für a Q ¯ d a y >^ >> für eine bestimmte Jahreszeit und einen bestimmten Breitengrad ist eine nützliche Anwendung in der Theorie der Milankovitch-Zyklen. Zur Sommersonnenwende ist beispielsweise die Deklination δ gleich der Schiefe ε. Der Abstand zur Sonne beträgt

Für diese Sommersonnenwende-Berechnung ist die Rolle der elliptischen Umlaufbahn vollständig im wichtigen Produkt e sin ⁡ ( ϖ ) enthalten, dem Präzessionsindex, dessen Variation die Variationen der Sonneneinstrahlung bei 65 . dominiert ° N bei großer Exzentrizität. Für die nächsten 100.000 Jahre dominieren bei relativ kleinen Schwankungen der Exzentrizität die Schwankungen der Schiefe.

Messung bearbeiten

Der weltraumgestützte TSI-Rekord umfasst Messungen von mehr als zehn Radiometern über drei Sonnenzyklen. Alle modernen TSI-Satelliteninstrumente verwenden eine Radiometrie mit aktiver Hohlraumelektronensubstitution. Diese Technik wendet eine gemessene elektrische Erwärmung an, um einen absorbierenden geschwärzten Hohlraum im thermischen Gleichgewicht zu halten, während einfallendes Sonnenlicht durch eine Präzisionsöffnung mit kalibrierter Fläche fällt. Die Blende wird über einen Shutter moduliert. Genauigkeitsunsicherheiten von < 0,01% sind erforderlich, um langfristige Schwankungen der Sonneneinstrahlung zu erkennen, da die erwarteten Änderungen im Bereich von 0,05–0,15 W/m 2 pro Jahrhundert liegen. [24]

Intertemporale Kalibrierung Bearbeiten

Im Orbit driften radiometrische Kalibrierungen aus Gründen, einschließlich solarer Degradation des Hohlraums, elektronischer Degradation des Heizers, Oberflächendegradation der Präzisionsblende und variierender Oberflächenemissionen und Temperaturen, die den thermischen Hintergrund verändern. Diese Kalibrierungen erfordern eine Kompensation, um konsistente Messungen zu erhalten. [24]

Aus verschiedenen Gründen stimmen die Quellen nicht immer überein. Die TSI-Werte des Solar Radiation and Climate Experiment/Total Irradiance Measurement (SORCE/TIM) sind niedriger als frühere Messungen des Earth Radiometer Budget Experiment (ERBE) auf dem Earth Radiation Budget Satellite (ERBS), VIRGO auf dem Solar Heliosphere Observatory (SoHO) und die ACRIM-Instrumente auf der Solar Maximum Mission (SMM), dem Upper Atmosphere Research Satellite (UARS) und ACRIMSAT. Bodenkalibrierungen vor dem Start stützten sich eher auf Komponenten- als auf Systemmessungen, da es den Bestrahlungsstärken an absoluter Genauigkeit mangelte. [24]

Bei der Messstabilität werden verschiedene Radiometerhohlräume unterschiedlichen Akkumulationen von Sonnenstrahlung ausgesetzt, um expositionsabhängige Degradationseffekte zu quantifizieren. Diese Effekte werden dann in den endgültigen Daten kompensiert. Beobachtungsüberlappungen ermöglichen Korrekturen sowohl für absolute Offsets als auch für die Validierung instrumenteller Drifts. [24]

Die Unsicherheiten einzelner Beobachtungen übersteigen die Variabilität der Bestrahlungsstärke (∼0,1%). Somit verlässt man sich auf die Instrumentenstabilität und die Messkontinuität, um reale Variationen zu berechnen.

Langfristige Driften des Radiometers können mit Strahlungsschwankungen verwechselt werden, die als Klimaeinflüsse fehlinterpretiert werden können. Beispiele sind der Anstieg der Bestrahlungsstärke zwischen den Zyklusminima in den Jahren 1986 und 1996, der nur im ACRIM-Komposit (und nicht im Modell) sichtbar ist, und die niedrigen Bestrahlungsstärken im PMOD-Komposit während des Minimums von 2008.

Trotz der Tatsache, dass ACRIM I, ACRIM II, ACRIM III, VIRGO und TIM alle Degradation mit redundanten Hohlräumen verfolgen, bleiben bemerkenswerte und ungeklärte Unterschiede in der Einstrahlung und den modellierten Einflüssen von Sonnenflecken und Faculae bestehen.

Anhaltende Inkonsistenzen Bearbeiten

Unstimmigkeiten zwischen überlappenden Beobachtungen weisen auf unaufgelöste Driften hin, die darauf hindeuten, dass die TSI-Aufzeichnung nicht stabil genug ist, um solare Veränderungen auf dekadischen Zeitskalen zu erkennen. Nur das ACRIM-Komposit zeigt zwischen 1986 und 1996 eine um 1 W/m 2 ansteigende Bestrahlungsstärke, diese Änderung fehlt auch im Modell. [24]

Zu den Empfehlungen zur Behebung der Instrumentendiskrepanzen gehört die Validierung der optischen Messgenauigkeit durch den Vergleich von bodengestützten Instrumenten mit Laborreferenzen, wie denen des National Institute of Science and Technology (NIST). Die NIST-Validierung von Aperturflächenkalibrierungen verwendet Ersatzteile von jedem Instrument und die Anwendung von Beugungskorrekturen von die blickbegrenzende Blende. [24]

Für ACRIM ermittelte NIST, dass die Beugung von der blickbegrenzenden Apertur zu einem Signal von 0,13% beiträgt, das in den drei ACRIM-Instrumenten nicht berücksichtigt wird. Diese Korrektur senkt die gemeldeten ACRIM-Werte und bringt ACRIM näher an TIM. Bei ACRIM und allen anderen Instrumenten außer TIM befindet sich die Blende tief im Inneren des Instruments, mit einer größeren blickbegrenzenden Blende an der Vorderseite. Je nach Kantenfehler kann dies Licht direkt in die Kavität streuen. Diese Konstruktion lässt zwei- bis dreimal so viel Licht in den vorderen Teil des Instruments, das gemessen werden soll, wenn es nicht vollständig absorbiert oder gestreut wird, dieses zusätzliche Licht erzeugt fälschlicherweise hohe Signale. Im Gegensatz dazu platziert das Design von TIM die Präzisionsblende nach vorne, sodass nur das gewünschte Licht einfällt. [24]

Variationen aus anderen Quellen beinhalten wahrscheinlich eine jährliche Systematik in den ACRIM III-Daten, die fast in Phase mit der Sonne-Erde-Distanz ist, und 90-Tage-Spitzen in den VIRGO-Daten, die mit SoHO-Raumfahrzeugmanövern zusammenfallen, die während des Sonnenminimums 2008 am deutlichsten waren.

TSI Radiometer Facility Bearbeiten

Die hohe absolute Genauigkeit von TIM schafft neue Möglichkeiten zur Messung von Klimavariablen. TSI Radiometer Facility (TRF) ist ein kryogenes Radiometer, das im Vakuum mit kontrollierten Lichtquellen arbeitet. L-1 Standards and Technology (LASP) entwarf und baute das System, das 2008 fertiggestellt wurde. Es wurde für die optische Leistung gegen das NIST Primary Optical Watt Radiometer kalibriert, ein kryogenes Radiometer, das die NIST-Strahlungsleistungsskala auf eine Unsicherheit von 0,02 % ( 1σ). Im Jahr 2011 war TRF die einzige Einrichtung, die sich der gewünschten Unsicherheit von <0,01% für die Validierung von Solarradiometern zur Messung der Bestrahlungsstärke (und nicht nur der optischen Leistung) bei Sonnenenergie und unter Vakuumbedingungen vor dem Start näherte. [24]

TRF umschließt sowohl das Referenzradiometer als auch das zu testende Instrument in einem gemeinsamen Vakuumsystem, das einen stationären, räumlich gleichmäßigen Beleuchtungsstrahl enthält. Eine Präzisionsblende mit einer auf 0,0031% kalibrierten Fläche (1σ) bestimmt den gemessenen Anteil des Strahls. Die Präzisionsblende des Prüfgeräts wird zum direkten Vergleich mit der Referenz an der gleichen Stelle positioniert, ohne den Strahl optisch zu verändern. Die variable Strahlleistung bietet Linearitätsdiagnosen, und variable Strahldurchmesser diagnostizieren Streuung von verschiedenen Instrumentenkomponenten. [24]

Die Absolutskalen der Fluginstrumente Glory/TIM und PICARD/PREMOS sind jetzt sowohl in der optischen Leistung als auch in der Bestrahlungsstärke auf die TRF rückführbar. Die daraus resultierende hohe Genauigkeit reduziert die Folgen einer zukünftigen Lücke in der Aufzeichnung der Sonneneinstrahlung. [24]

Unterschied zu TRF [24]
Instrument Einstrahlung, Sichteinschränkung
Blende überfüllt
Einstrahlung, Präzision
Blende überfüllt
Differenz zurechenbar
Fehler streuen
Gemessen optisch
Stromfehler
Reststrahlungsstärke
Zustimmung
Unsicherheit
SORCE/TIM Masse N / A −0.037% N / A −0.037% 0.000% 0.032%
Ruhm/TIM-Flug N / A −0.012% N / A −0.029% 0.017% 0.020%
PREMOS-1 Masse −0.005% −0.104% 0.098% −0.049% −0.104% ∼0.038%
Flug PREMOS-3 0.642% 0.605% 0.037% 0.631% −0.026% ∼0.027%
VIRGO-2 Masse 0.897% 0.743% 0.154% 0.730% 0.013% ∼0.025%

Neubewertung 2011 Bearbeiten

Der wahrscheinlichste Wert des TSI, der für das solare Minimum repräsentativ ist, ist 1 360 ,9 ± 0,5 W/m 2 , niedriger als der früher akzeptierte Wert von 1 365,4 ± 1,3 W/m 2 , der in den 1990er Jahren festgelegt wurde. Der neue Wert stammt aus SORCE/TIM und radiometrischen Labortests. Streulicht ist eine Hauptursache für die höheren Strahlungswerte, die von früheren Satelliten gemessen wurden, bei denen sich die Präzisionsblende hinter einer größeren, die Sicht einschränkenden Blende befindet. Das TIM verwendet eine die Sicht begrenzende Blende, die kleiner ist als die Präzisionsblende, die dieses Störsignal ausschließt. Die neue Schätzung beruht eher auf einer besseren Messung als auf einer Änderung der Solarleistung. [24]

Eine auf einem Regressionsmodell basierende Aufteilung des relativen Anteils von Sonnenflecken- und fakulären Einflüssen aus SORCE/TIM-Daten macht 92% der beobachteten Varianz aus und verfolgt die beobachteten Trends innerhalb des Stabilitätsbandes von TIM. Diese Vereinbarung liefert weitere Beweise dafür, dass TSI-Variationen hauptsächlich auf die magnetische Aktivität der Sonnenoberfläche zurückzuführen sind. [24]

Instrumentenungenauigkeiten tragen zu einer erheblichen Unsicherheit bei der Bestimmung der Energiebilanz der Erde bei. Das Energieungleichgewicht wurde unterschiedlich gemessen (während eines tiefen solaren Minimums von 2005–2010) und beträgt +0,58 ± 0,15 W/m 2 , [25] +0,60 ± 0,17 W/m 2 [26] und +0,85 W/m 2 . Schätzungen aus weltraumgestützten Messungen reichen von +3–7 W/m 2 . Der niedrigere TSI-Wert von SORCE/TIM reduziert diese Abweichung um 1 W/m 2 . Dieser Unterschied zwischen dem neuen niedrigeren TIM-Wert und früheren TSI-Messungen entspricht einem Klimaantrieb von –0,8 W/m 2 , was mit dem Energieungleichgewicht vergleichbar ist. [24]

Neubewertung 2014 Bearbeiten

Im Jahr 2014 wurde ein neues ACRIM-Komposit unter Verwendung des aktualisierten ACRIM3-Datensatzes entwickelt. Es fügte Korrekturen für Streuung und Beugung hinzu, die während der jüngsten Tests bei TRF und zwei Algorithmus-Updates aufgedeckt wurden. Die Algorithmusaktualisierungen berücksichtigen genauer das thermische Verhalten des Instruments und das Analysieren von Verschlusszyklusdaten. Diese korrigierten eine Komponente des quasi-jährlichen Störsignals bzw. erhöhten das Signal-Rausch-Verhältnis. Der Nettoeffekt dieser Korrekturen verringerte den durchschnittlichen Wert der TSI ACRIM3, ohne den Trend in der TSI ACRIM Composite zu beeinflussen. [27]

Unterschiede zwischen ACRIM- und PMOD-TSI-Verbundwerkstoffen sind offensichtlich, aber der bedeutendste sind die solaren Minimum-zu-Minimum-Trends während der Sonnenzyklen 21-23. ACRIM fand von 1980 bis 2000 eine Zunahme von +0,037 %/Jahrzehnt und danach eine Abnahme. PMOD weist stattdessen einen stetigen Rückgang seit 1978 auf. Signifikante Unterschiede sind auch während der Spitzen der Sonnenzyklen 21 und 22 zu sehen. Diese ergeben sich aus der Tatsache, dass ACRIM die ursprünglichen TSI-Ergebnisse verwendet, die von den Satelliten-Experimentierteams veröffentlicht wurden, während PMOD einige Ergebnisse signifikant modifiziert sie an bestimmte TSI-Proxy-Modelle anpassen. Die Implikationen eines steigenden TSI während der globalen Erwärmung der letzten zwei Jahrzehnte des 20. Jahrhunderts sind, dass der Solarantrieb ein geringfügig größerer Faktor beim Klimawandel sein kann als in den CMIP5 allgemeinen Zirkulationsklimamodellen dargestellt. [27]


Die zeitverzögerte Helligkeitsmodulation des Sonnenzyklus durch unterirdische Magnetflussröhren

Um den Mechanismus der Helligkeitsänderung des Sonnenzyklus zu untersuchen, die durch das Experiment Active Cavity Radiometer Irradiance Monitor (ACRIM) I an Bord der Raumsonde Solar Maximum Mission beobachtet wurde, untersuchten wir laufende mittlere Zeitprofile der täglichen ACRIM-Daten aus der rückläufigen Phase von Sonnenzyklus 21 auf die Anstiegsphase des Sonnenzyklus 22. Durch Vergleich mit denen der täglichen Sonnenfleckenzahl, des integrierten Oberflächenmagnetfeldflusses, der integrierten He I 10830 Å Linienäquivalentbreitendaten und zweier Arten von Datensätzen der täglichen integrierten Ca II K-Linien-Index als Indizes der magnetischen Oberflächenaktivitäten, fanden wir (i) dass die gleitenden mittleren Zeitprofile der sechs unabhängigen Datensätze mehrere Spitzen und Täler in einem Sonnenzyklus mit Zeitintervallen in der Größenordnung von einigen Hundert . gemeinsam haben von Tagen, und (ii) dass die Spitzen und Täler der ACRIM-Datenprofile den Spitzen und Tälern aller anderen fünf Indizes der Oberflächenaktivitäten um 40 bis 60 Tage folgten. Dieses Zeitverzögerungsphänomen legt nahe, dass (i) die Helligkeitsmodulation nicht direkt durch dunkle und helle Merkmale der magnetischen Oberflächenaktivitäten verursacht wurde, die die anderen fünf Indizes darstellen, und (ii) dass der fehlende Sonnenfleckenstrahlungsfluss durch den Untergrund blockiert wurde Magnetflussröhren von Sonnenflecken und Sonnenfleckengruppen sollten 40 bis 60 Tage nach dem Oberflächenaufgang der Magnetflussröhren erneut bestrahlt werden. Das Konzept der Zeitverzögerung löst das Rätsel des fehlenden Sonnenflecken-Strahlungsflusses und das Rätsel des ACRIM-Experiments, dass die Leuchtkraft abnahm, wenn ein Sonnenfleck oder eine Sonnenfleckengruppe auf der Oberfläche erschien, während der Jahresmittelwert der Leuchtkraft mit dem Abnahme und Zunahme der jährlichen Sonnenfleckenzahl des 11-jährigen Sonnenzyklus. Ein Modell des Mechanismus zum Verständnis dieser Phänomene wird vorgestellt und seine Anwendung auf andere Sterne vorgeschlagen.


Was ist in der Astronomie der Unterschied zwischen Fluss und Intensität?

Richtig, wenn man sich die in der Astronomie verwendeten Strahlungsübertragungsgleichungen ansieht, gibt es viele verschiedene Strahlungsgrößen, die alle ziemlich ähnlich erscheinen.

Der Fluss wird in Watt pro Quadratmeter gemessen und ist ein Maß für die Netz Strahlungsenergie, die einen bestimmten Bereich durchdringt, unabhängig von der Richtung dieser Energie.

Die Intensität hingegen wird in Watt pro Quadratmeter pro Steradian gemessen. Das bedeutet, dass es ein Maß für die Menge der Strahlungsenergie ist, die durch einen bestimmten Bereich in Richtung eines bestimmten Raumwinkels hindurchgeht. Das bedeutet, dass Intensity viel mehr Informationen enthält, da es auch eine Funktion der Richtung (Theta) sein kann.

Um von der Intensität zum Fluss zu gelangen, müssen wir die gesamte Nettointensität bestimmen, die durch einen bestimmten Oberflächenbereich geht. Dazu müssen wir nach cos(Theta) d(Raumwinkel) integrieren:

Fluss = Integral [Intensität * cos(Theta) * d(Raumwinkel)]

Der Begriff cos(Theta) ist vorhanden, weil die von uns verwendete Oberfläche möglicherweise in einem schiefen Winkel zu einigen der Strahlen steht, die die Intensität beschreibt, sodass sie eine verkürzte Ansicht der Größe der Oberfläche sehen und nicht so viel wird durchgehen. Beachten Sie, dass, wenn wir unsere gegebene Fläche in ein gleichförmiges isotropes Strahlungsfeld legen, genauso viel Intensität in eine Richtung durch unsere gegebene Fläche fließt wie in die andere. In diesem Fall ist der Fluss null - denken Sie daran, es ist ein Maß des Netz Strahlungsenergie, nicht die Gesamtheit.

Dies ist möglicherweise etwas schwer zu visualisieren, daher könnte dieses Diagramm hilfreich sein. Der dA ist Ihre gegebene Oberfläche, und der Kegel repräsentiert die Intensität, die durch diesen Bereich geht. Der Winkel zwischen dem Kegel und der Flächennormalen (n) ist unser Theta.

Beachten Sie auch, dass viele Leute manchmal meinen, Spezifisch Intensität, wenn Sie nur Intensität sagen (oder spezifischer Fluss, wenn Sie nur Flux sagen), in diesem Fall gibt es eine zusätzliche Einheit "pro Hertz", da beide auch eine Funktion von Frequenz/Wellenlänge werden.


Strahlungsfluss, Bestrahlungsstärke und Leuchtkraft Verwirrung - Astronomie

Unter den verschiedenen Unsicherheiten in der Klimamodellierung ist die Variabilität der gesamten Sonneneinstrahlung nicht die geringste. Da es in der Vergangenheit keine direkte Messung der Sonneneinstrahlung gab, werden Ersatzstoffe benötigt. Die Schwierigkeiten sind jedoch zweifach: (1) die Zuverlässigkeit der Proxys und (2) die Notwendigkeit eines physikalischen Mechanismus, der diese Proxys mit der Sonnenhelligkeit in Verbindung bringt. Auf der Grundlage eines besseren Verständnisses der Sonnenmaschinerie können wir nun ein plausibles Szenario vorschlagen, das den Energieaustausch zwischen den verschiedenen Reservoirs verbindet: magnetisch, thermisch, gravitativ und kinetisch. In der vorliegenden Arbeit diskutieren wir die verfügbaren Proxys und schlagen einen Weg vor, die gesamte Sonneneinstrahlung in den letzten vier Jahrhunderten zu rekonstruieren. Die Reaktion des Laboratoire de Météorologie Dynamique atmosphärischen allgemeinen Zirkulationsmodells auf den magnetokonvektiven Sonnenantrieb während des Maunder-Minimums wird diskutiert. The simulated cooling appears to be compatible with temperature data from the Little Ice Age in addition, it is found that variations of globally homogeneous external forcing parameters, like incoming solar flux or greenhouse gas loading, yield climate responses with very similar geographical patterns.


Radiative Flux, Irradiance and Luminosity confusion - Astronomy

Changes of the energy flux in the convection zone can lead to variations of the total solar electromagnetic output, the solar luminosity, on time scales from decades to millennia. In fact, space-based observations of the total and spectral solar irradiance are observed to follow the solar cycle activity. However, these observations can not be employed to estimate directly the solar luminosity because they cover just a small latitudinal region near the ecliptic plane. Recently, Vieira et al. (2012) employed a semi-empirical model to estimate the flux density for the whole sphere based on observations of the distribution of magnetic field on the solar surface from Sep/2010 to Apr/2012. Here we present a reconstruction of the solar luminosity for the solar cycles 23-24. The reconstruction is based on a combination of a state-of-art solar surface magnetic flux transport model (Schrijver and DeRosa, 2003) and a semi-empirical model of the total and spectral irradiance. The estimate of the flux density indicates that the heat flux blocked by sunspots is lower than the flux leaked by bright features. Consequently, an increase of the luminosity through the cycle is observed as previously estimated based on near ecliptic measurements. We discuss in details the limitations of the model and future strategies to extend the reconstruction of the flux density and solar luminosity in time scales from decades to millennia.


Radiative Flux, Irradiance and Luminosity confusion - Astronomy

The effect of large-scale magnetic fields generated by the solar dynamo on the irradiance of the Sun and stratification of the solar convection zone is studied using a numerical model of a spherical axisymmetric dynamo. This model provides a joint description of the generation of large-scale magnetic fields, differential rotation, and convective heat transfer taking into account energy transformations associated with the large-scale magnetic fields, as well as the stratification of the convection zone. The model further develops a previously suggested self-consistent approach to analyzing solar luminosity variations, based on the conservation of the energy of the large-scale magnetic fields and turbulent flows. The results indicate that the increase in the solar luminosity near the maximum of the cycle is mainly due to the dissipation of the energy of magnetic fields escaping to above the photosphere, with the partial conversion of this energy into radiation. In addition, near-photospheric magnetic fields strongly affect the latitudinal nonuniformity of the cyclic variations in the radiative flux. The large-scale magnetic field also influences the hydrostatic equilibrium of the convection zone and gives rise to 11-year variations in the sound speed with a relative amplitude of 10-3. The cyclic magnetic activity generates oscillations in the quadrupole moment with an amplitude of 4.5 × 10-9(GM ☉/R ☉). According to our estimates, the variations in the solar radius are very small, ∼10-6 R ☉. Our numerical model is used to estimate the variations in the orbital periods of close binaries whose primaries have the same spectral class as the Sun. Modulation of the centrifugal force by torsional oscillations can provide a plausible explanation for variations in the orbital periods of the companion stars in these systems.


1. Einleitung

Boyajian's star is a main-sequence F2 object whose peculiar light curve was noted in photometry obtained with the Kepler Mission, by the Planet Hunter volunteers. The most interesting aspect of the recorded four-year light curve is episodes of sporadic dimming by as much as 20%, each lasting approximately a few to tens of days, separated by periods of relatively quiescent output lasting typically hundreds of days (Boyajian et al. 2016 Schaefer 2017)

These sporadic dimmings have attracted wide attention and Boyajian's star has been described as the most mysterious star in our Galaxy. Proposed explanations include obscuration of the star by colliding exoplanets, exocomets, and even proposals involving alien intelligence (see Wright & Sigurdson 2016 for an overview). These explanations external to the star proceed from the assumption that the missing radiative flux during a dimming cannot be stored within the star itself. This problem of accounting for the missing flux has assumed sufficient importance that the object is also known as the "where's the flux" (wtf) star (Boyajian et al. 2016).

The purpose of this Letter is to point out that, provided the star possesses a convection zone immediately below the photosphere, its missing flux can be stored as a small increase of its internal and potential energy. This surprising ability of a convective star to store heat flux blocked from emergence as photospheric radiation has been demonstrated in the case of the Sun.


1 Answer 1

The terms used in photometry and radiometry have specific meanings that may not match the meanings that the words have in other context. (The same is true of the words "heat" and "work", which mean different things outside of a physics context.) Furthermore, not everyone uses the same words. The astronomy community may have their own standard usage that differs from the optics community. (I hope not, but I'm not familiar with what astronomers do.)

The first thing to straighten out is that your question concerns radiometry, not photometry. Photometric quantities are weighted by the spectral response of the eye. It does not appear that your question involves what a human sees with his eyes.

Intensity in radiometry is radiant power per unit solid angle. The word radiant here specifies that we are talking about a radiometric quantity, not a photometric quantity.

You can get the radiant intensity of your star by dividing $L$ by $4pi$, the total solid angle subtended by a sphere. (Assuming the star radiates isotropically.) $I=frac<4pi>$

The quantity $F(lambda)$ might be better called spectral radiant power oder spectral power (the word "radiant" being redundant, but makes it clear that we are not talking about photometry.) Calling $L$ "flux" is ok, but the word "flux" is one of those words that different people give different meanings. To avoid that problem, I usually call $L$ radiant power, although if I'm writing in a context where radiant flux has already been established as the definition, I'll use "radiant flux".

What you call apparent luminosity I would call irradiance, the total power incident on a unit area, which in this case, is a unit area on earth. ("Apparent luminosity might be a term astronomers use. I don't know.) Watts per square meter. It is obtained by multiplying the intensity by the solid angle at the star subtended by one square meter on earth: $ ell = IOmega = I frac<1> = frac<4pi d^2>$

It can all be very confusing. I think if you use the standard terms as found, for example, on Wikipedia, everyone, including astronomers, will understand you and not get confused by conflicting terms.


Schau das Video: Properties of Light: Brightness, Luminosity and Flux (November 2021).