Расчёт движения солнца для дома и участка


Понимание движения солнца относительно вашего участка — это важный аспект хорошего пермакультурного проекта, ведь многие его элементы — растения, животные, солнечные устройства, зависят от солнца. Хорошее понимание нюансов вращения Земли вокруг своих осей, вращения вокруг Солнца, и влияния этого движения на положение и доступность солнечного света на поверхности земли в данном месте крайне важны для увеличения продуктивности, энергоэффективности и минимизации количества энергии, необходимой для поддержания комфорта в помещениях.

Для нормального функционирования и продуктивности сады, теплицы и оранжереи должны располагаться на своих местах, ориентируясь на адекватную доступность солнечного света в течение тех периодов года, когда растения растут и плодоносят. Другие элементы пермакультурной системы, такие как солнечные панели, тоже должны быть расположены с тем расчётом, чтобы получать максимальную экспозицию солнца, и собрать максимальное количество энергии. Дома, расположенные вне тропического региона, должны быть спроектированы и сориентированы так, чтобы зимнее солнце максимально попадало в жилые пространства. В то время как дома в тропиках надо проектировать и ориентировать так, чтобы в жилые пространства попадало больше тени и прохладного воздуха. Даже животные могут извлечь выгоду от продуманного солнечного дизайна, ведь они тоже нуждаются в зимнем тепле и летней тени. Пчелиные ульи, курятники, рыбные пруды и стайки для скота тоже будут признательны теплу зимой и тени летом.

Если для данного участка мы составим карту, показывающую где в течение года будут находиться тени и солнечный свет, мы сможем распланировать и спроектировать различные элементы для оптимального функционирования. Но как рассчитать движение солнца для конкретного участка?

Для начала мы попытаемся осознать вращение Земли вокруг своей оси, её орбиты вокруг солнца и четыре сезона.


Иллюстрация: www.solar.steinbergs.us

Четыре сезона

То, что мы знаем, это то. что летом теплее, а зимой холоднее. А также то, что когда в северном полушарии лето, то в южном — зима. И что с того?

Летом жарче потому что путь движения летнего солнца по небу выше. Из-за этого дни длиннее и из-за этого солнечный свет более интенсивный. Чтобы лучше всё понять, давайте поставим небольшой эксперимент с фонариком.

В тёмной комнате посветим фонариком на поверхность под прямым углом. Заметим размер светового пятна. Теперь изменим угол падения света, сделав его не таким прямым. Вы увидите, что размер освещённой области увеличился, но интенсивность света (или яркость) уменьшилась. Это означает, что прямой (90 градусов) угол даёт наиболее интенсивное освещение, чем более острый угол. Чем выше на небе солнце, тем более прямой и интенсивный солнечный свет будет падать на землю.


Эксперимент с фонариком. Источник: Clay Atchison, www.solarschoolhouse.org

Теперь у нас возникает следующий вопрос: почему летом солнце на небе выше? Ответ заключается в сочетании наклонности оси вращения Земли и движения её по орбите. Земля вращается вокруг своей оси, которая наклонена на 23.5° к плоскости орбиты, и в то же самое время наша планета летит в космосе по огромному кругу (той самой орбите) вокруг Солнца.

В течение лета Северный полюс наклонен в сторону Солнца. И, как следствие, путь солнца на небе северного полушария проходит выше, из-за чего северное полушарие получает больше света и тепла. Примерно 21-го июня северное полушарие наклонено к Солнцу максимально — это называет Летним Солнцестоянием. В этот день, который можно считать первым днём лета, солнце на небе находится выше, чем в любой другой день года. Вдобавок из-за того, что солнце видно в течение большего количества часов, день летнего солнцестояния — это самый долгий день в году. Эти дополнительные часы дают солнцу больше времени, чтобы нагреть землю, и в этом основная причина того, почему лето — самый жаркий сезон.


Четыре сезона. Источник: NOAA

По мере движения Земли по орбите, она достигает точки, где Земля повёрнута к Солнцу всем боком целиком, а ось вращения не наклонена относительно Солнца. Это называется точка осеннего равноденствия, когда день и ночь равны 12 часам.

Продолжая своё движение по орбите, Земля обходит Солнце с  “другой стороны”, где северное полушарие Земли наклонено в сторону от Солнца. Теперь солнце на северном небосводе проходит более низко, из-за чего северное полушарие получает меньше света и тепла. Дни становятся короче и холоднее. Самый кородкий день в этот период называется Северным Солнцестоянием.

Потом Земля движется дальше, в “сторону лета” и проходит точку, где она снова ровно повёрнута боком к Солнцу, а день и ночь снова равны. Этот день называется Весенним Равноденствием.


Путь солнца на небе зимой и весной. Источник: Clay Atchison, www.solarschoolhouse.org

Путь солнца на небе северного полушария

Попробуем спроецировать результаты этого движения планеты на земную поверхность. Представим небо как огромный сферический купол над нашими головами, а солнце представим движущимся по поверхности купола. Нарисуем траектории солнца в дни зимнего и летнего солнцестояния. Хорошо видно, что эти две траектории отличаются тем, что летняя длиннее и выше, а зимняя короче и ниже. Чем длиннее путь, тем дольше солнце остаётся на небе. В течение года солнце смещается вверх и вниз между этими двумя крайними позициями.


Зимняя и летняя траектории солнца. Источник: Clay Atchison, www.solarschoolhouse.org

Карта расположения солнца в любой момент времени

При помощи этих двух линий мы можем определить положение солнца на поверхности земли в конкретной локации в любой момент любого дня в году. 21 декабря в 9:00 солнце восходит низко на востоке. 21 июня в это же время солнце находится выше на небе. Если мы нарисуем линию между этими двумя крайними позициями, то сможем определить положение светила в 9 утра в любой день в году, ведь солнце в 9 утра из сезона в сезон движется вверх и вниз между этими точками.


Солнечное окно. Источник: Clay Atchison, www.solarschoolhouse.org

Солнечное окно

Таким же образом мы можем нарисовать вечернюю линию, скажем в 5 часов вечера (на картинках — в 3 часа). Теперь мы имеем прямоуголник на воображаемом небесном куполе, отображающий положение светила с 9 утра до 5 пополудни в течение всего года. Дуги между углами солнечного и зимнего солнцестояния дополняют наш прямоугольник. Пространство внутри этого прямоугольника и есть солнечное окно для конкретной местности.

Это солнечное окно играет важную роль, ведь между 9 утра и 5 пополудни земная поверхность получает максимум солнечной энергии. Чтобы максимально использовать эту энергию в данной местности, солнечное окно не должно быть затенено деревьями или другими объектами в течение дня с 9 до 17 большую часть года. Вот почему, например, важно перед установкой солнечных батарей на конкретном участке полезно для начала осознать расположение солнечного окна и наличие в нём затенённостей от каких-либо объектов в течение дня и года.


Измерение положения солнца по азимуту и высоте. Источник: Clay Atchison, www.solarschoolhouse.org

Измерение положения солнца

Но для того, чтобы нарисовать реальное солнечное окно для нашей географической местности, нам надо знать как замерить положение солнца на небе. Для этого нам понадобится две величины.

Первая величина — направление на солнце по компасу. Если провести прямую линию от солнца перпендикулярно горизонту, то эта линия пересечёт некий градус на компасе. Эта величина называется азимут. Второе измерение — высота солнца или вертикальный угол. Комбинация азимута и высоты даст нам конкретную точку на небесном куполе.


Clay Atchison, www.solarschoolhouse.org

Рисование траектории солнца

Имея показания азимута и высоты солнца мы можем, наконец, нарисовать карту, показывающую как меняется положение солнца на небе в течение года. Эта карта отражает как солнечные траектории выглядят с поверхности земли.

На иллюстрации показана такая карта для Сан-Франциско, Калифорния. Она показывает где мы увидим солнце, если будем в Сан-Франциско смотреть на юг. Ось Y показывает высоту солнца над горизонтом, где 0° находится на горизонте, а 90° — прямо над головой. Ось X — это солнечный азимут, направление на солнце по компасу. Центр карты, т.е. направление на юг — это 180°. Пересечение на карте высоты и азимута — это положение солнца на небе.


Солнечное окно для Сан-Франциско. Источник: Clay Atchison, www.solarschoolhouse.org

Карту можно наложить на конкретную локацию с её объектами — деревьями, зданиями и пр. На линиях движения солнца можно отметить метки часов. Добавим также пять путей других месяцев года, которые будут пролегать между основными линиями. Заметьте, линий пять потому что эти промежуточные пути солнца в году повторяются из-за сезонного движения солнца вверх и вниз. Например путь 21 марта — это тот же путь, что и 21 сентября.

Итак, благодаря этой карте мы можем видеть где солнце будет затенено в какой-либо из дней. Для примера, если взять нашу карту и посмотреть самый нижний путь 21 декабря, то понятно, что с 9 до 10 утра этого дня солнце будет затенено деревом, которое находится между 135° и 150° градусами на компасе.


Перевод статьи CHARTING THE SUN’S MOTION IN RELATION TO YOUR HOME AND PERMACULTURE SITE с сайта Permaculture Research Institute

http://green-bros.ru/charting-sun

 

Добавить комментарий