XVII.
A napsugárzás megmérése.
172. A napsugárzás mérésének (aktinométria) czélja. Az aktinométria czélja, hogy minden pillanatban meghatározza azt a melegmennyiséget, a melyet a Nap a földfelszín területegységére küld.
E vizsgálódás szüksége az előbb látottakból tűnik ki; valóban a szárazföldek és tengerek különböző eloszlása, valamint a Föld pontjainak különböző magassága, nemkülönben a napsugaraknak a légkörtől való kisebb-nagyobb mértékű elnyelése következtében ez a melegmennyiség a földrajzi fekvéssel és az idővel változik; pontos meghatározása tehát itt az első feladat, a melylyel foglalkoznunk kell.
173. A napsugárzás állandója. A napsugárzás állandója, melyet A betűvel jelölünk, a hőnek az a mennyisége, a melyet a Nap merőleges irányban egy percz alatt területegységenként a földi légkör határára küld.
A napsugárzás állandója már a fogalmazásánál fogva is elméleti mennyiség, melynek kísérleti úton való közvetetlen megmérése nem lehetséges, mert nem mehetünk el a légkör határára, hogy ott a nagyságát megállapítsuk.
Egy más, fontos tényező is közbelép a légkör elnyelésének tüneményébe: ez a lég összes tömege, melyet a napsugár útjában talál, míg a földhöz érkezik; bizonyos, hogy valamely S1CA ferdén érkező sugár sokkal több levegőrészecskébe ütközik, mint az SAB merőleges sugár.
Valamely fénysugár úthossza a fénynek a levegőben tényleg megtett útja, melynek hosszúságát a légkör magasságával, mint egységgel mérjük. E viszonyszámot ε-nal jelöljük.
Ebből következik, hogy a légköri úthossz évenként csak kétszer lehet az egységgel egyenlő és pedig csakis a Föld forró égövének helyein, mert csakis ezeken a helyeken megy át a Nap a zeniten és évenként csak kétszer.
Az úthossz melynek nagysága az egység, midőn a Nap a zeniten van, 1.3 értékű, midőn a Nap 60°-nyira van a látóhatár felett és körülbelül 40 értékű, midőn a Nap a látóhatáron van, vagyis midőn fölkél, vagy lenyugszik.
BOUGUER volt az első, a ki a légköri elnyelés törvényét az alábbiakban állapította meg.
175. Bouguer törvénye. Ugyanoly átlátszósági együttható mellett míg a légköri úthossz számtani haladványban nő, a légkörön átjutó hőmennyiség mértani haladványban csökken.
Ha tehát
q a földre érkező hő mennyisége,
A a napsugárzás állandója,
ε az úthossz,
p a levegő átlátszósági együtthatója, akkor BOUGUER törvényét a következő képlet fejezi ki:
q = Apε.
Ezt a törvényt különböző természettudósok számos kísérlettel a gyakorlati szükségletet mindig kielégítő pontosságúnak találták.
176. A napsugárzás mérése. Mindebből látható, hogyan kell a napsugárzást megmérni: a föld felszinén megmérjük a Naptól küldött hő mennyiségét valamely adott területen, meghatározott körülmények között. A nap különböző óráiban, a Nap változó állásaiban végezvén a mérést, kiszámíthatjuk az A és p értékeket.
Minden aktinométerben valamely hőmérőkészüléket a Nap közvetetlen sugárzásának teszünk ki és észleljük a hőmérséklet felszállásának menetét; de két különböző kísérleti módot használhatunk erre a czélra:
Az első a pirhéliométer módja, POUILLET-től való és a készülék felmelegedésének sebességét méri; ez a módszer számos hibaforrást hoz be és ezért újabban elhagyták; mi itt csak a történeti jelentősége miatt említjük meg.
A második az aktinométert alkalmazza, melyet DE SAUSSURE talált fel és a melyet egymásután JOHN HERSCHELL, CROVA és VIOLLE tökéletesített ez az egyedüli, a melyet manapság használnak. Veleje az, hogy megmérik a Nap sugárzásának kitett test környezetéhez viszonyított felmelegedésének végértékét.
Mi csak a VIOLLE aktinométerét írjuk le.
A víz körzésére szolgáló burkolat szabályozza a hőmennyiség veszteségét, mely előáll a Naptól felmelegedett hőmérő kisugárzása következtében; a burkolat hőmérséklete állandó lévén, a levegő ott nyugalomban marad; tehát semminemű hőmérsékletváltozást előidéző áramlást nem szenved. Továbbá a burkolatnak állandó kisugárzása van; tehát a hőmérő kisugárzása folytán beálló hőveszteség csakis a saját túlmelegedésétől függ; ezt a veszteséget különben csökkentik a gömbburkolat belsejének ezüstözése és fényezése segítségével.
179
178. A kísérlet menete. A jól végrehajtott aktinométeres kísérletnek három mozzanata van: 1. mozzanat: A D nyílás zárva van; a hőmérő gömbjét tehát a napsugaraktól megvédik. Ily körülmények közt mérjük a hőmérséklet változását, növekvését vagy veszteségét, melyet a gömb egy percz alatt a belső burkolat felé való saját kisugárzása miatt mutat. Tegyük föl, hogy veszteséggel van dolgunk és jelöljük θ-val; 2. mozzanat: A D nyílást egy perczig fölfedjük; a Nap sugarai behatolnak ez idő alatt a készülékbe és fölmelegítik a golyót; legyen T ez a fölmelegedés; 3. mozzanat: Becsukjuk a D nyílást és feljegyezzük, hogy egy percz alatt mennyit hül a hőmérő a burkolat felé való kisugárzás következtében; legyen θ' a hőmérő sülyedése. A Nap okozta teljes e fölmelegedést egy percznyi közvetetlen besugárzás alatt pontosan a kővetkező képlet adja:
| Θ = T + |
|
. |
Valóban, ha a második mozzanatban a Nap lett volna a hőmérsékletváltozás egyedüli oka, a fölmelegedés egyszerűen T lenne; de e kísérleti percz alatt sugárzás-veszteség állott elő, mely érezhető hiba nélkül az 1. és 3. mozzanatban előálló θ és θ' két veszteség közepéül fogható föl. Az előbbi képlet tehát helyes.
Ismerve a hőmérséklet valódi Θ emelkedését, könnyű kiszámítani a neki megfelelő hőmennyiséget; elég hozzá, ha ismerjük a gömbben levő kénesőnek súlyát, az üveg burkolatának súlyát és a kéneső és az üveg fajhőjét; tehát elemi kaloriméteres számítással megállapíthatjuk az egy percz alatt a hőmérő gömbje felé kisugárzott hő mennyiségét. Elosztva a hőmennyiséget a gömb legnagyobb köre irányában vont metszet területével, megkapjuk a légkörön át a Földre érkező hőnek egy négyzetczentiméterre jutó mennyiségét.
179. Számeredmények. Hátra van még, hogy jelezzük azokat az eredményeket, a melyeket az aktinométeres módszerek helyes alkalmazásából kapunk.
A napsugárzás A állandoja. A megelőzőkben adva lévén az elnyelés és a hibák számos oka, belátható, hogy nehéz a nap-
sugárzás állandójának pontos meghatározása; még azt sem tudjuk, vajjon megérdemli-e ez a szám az állandó elnevezést. Mindössze annyit állíthatunk, hogy értéke 2.5 és 3 közt változik VIOLLE (A=2.5) és CROVA (A=3) kísérletei szerint.
Ez azt jelenti, ha például az A középértékéül A=275-öt veszünk, hogy a légkör felső határán a Nap egy percz alatt egy négyzetczentiméter területre, merőleges irányban, annyi hőmennyiséget küld, a mely egy gramm súlyú, 0° hőmérsékletű vizet 2.75°-ra bír felhevíteni, tehát 2.75 grammkalória hőt sugároz.
2. A napnak évenként kisugárzott hőmennyisége. Tegyük fel ismét, hogy a napsugárzás állandójának középértéke A=2.65; akkor számítással megállapítható, hogy a légkör határán a Nap évenként, egy négyzetczentiméterre merőleges írányban, 1 446 000 grammkalória hőmennyiséget küld.
Minthogy a Föld keresztmetszete fél akkora, mint a Föld napsütötte felülete, és minthogy a Nap átlag csak félnapig süt, az előbbi szám még négygyel osztandó; 361 500 gramm kalória tehát az a hőmennyiség, a mely egyenletesen elosztva a Föld megvilágított féltekéinek egy négyzetczentiméterére egy évben jut. Ha az átlátszósági együttható 0.8, akkor a Föld felszinének egy négyzetczentiméterjére évente átlag 289 200, és ha az átlátszósági együttható 0.6, tehát [akkor] aránylag igen csekély, 216 900 gramm-kalória jut.
Ez utóbbi számot másként is kifejezhetjük, mert oly hőmennyiséget jelent, a mely elegendő 27.5 méter vastag, a Földet egyenletesen körülvevő jégréteg megolvasztására.
3. A Naptól a Földre évenként kisugárzott hőmennyiség mechánikai egyenértéke. Hogy kevesebbet mondjunk a valóságnál, a 250 000 kalóriát fogadjuk a Naptól évenként a Föld felé az egyenlítőn egy négyzetczentiméterre kisugárzott hőmennyiségének; ez megfelel 0.7-nél valamivel kisebb átlátszósági tényezőnek, mi nagyon is elfogadható. Ebből az adatból kiindulva azt találjuk, hogy a Földre évenként érkező hőmennyiség egyenlő azzal, a mit egy 25 czentiméter vastag kőszénréteg adna (14-nek véve a kőszén középfajsúlyát és 8000 kalóriának a hőfejtő képességét).
Négy négyzetméternyi területen tehát 1 m3, vagyis 1400 kilogramm szén hő-egyenértéke halmozódik fel.
Manapság vannak oly gőzgépek az iparban, a melyek 1 kilogramm kőszenet fogyasztanak óránként és lóerőnként. Egy ily egy-
lóerejű gép naponként 8 órát dolgozva 8 kg. szenet fogyasztana; vegyünk 10 kg.-ot; ez évenként 3600 kg.-ra rúgna; mivel 4 négyzetméter területen 1400 kg. egyenértékünk van, egyszerű számtani művelet alapján beláthatjuk, hogy a Napból a Föld 10 négyzetméterére (vagyis oly négyzetre, melynek oldala 3.15 m.) évenként kisugárzott hőmennyiség elegendő volna, hogy egy 75 kg/m.-es, vagyis egylóerejű gőzgépet, egész éven át, naponként 8 óráig mozgásban tartson.
Megérthető tehát, mennyire alapos a reménye azoknak a kik megkísérlik a naphevének közvetetlen felhasználását azokon az újabb tájakon, melyeket a polgárosodás meghódított és a melyeken a kőszén ritka, de az ég tiszta, a nap mindig égető.
180. Általános eredmények. Az aktinoniéteres mérések egyik meglepő eredménye, hogy valamely adott helyen a Napból kisugárzó hőnek mennyisége minden pillanatban változik, bár érzékeink a kapott hőnek semmi változását sem veszik észre.
Ez a miatt van, mert a hőmérséklet, melyet a hőmérő mér, oly eredő, a mely nemcsak a valósággal kapott hőmennyiségtől függ, de az előzőleg tározott hőtől is, míg az aktinométer a külső hatásoktól elvonva, csak a Naptól közvetetlenül kapott hő mennyiségét mutatja.
A légkör elnyelőképességének főtényezője a páratartalma. Télen a párafeszültség az alacsony hőmérséklet miatt kisebb. Tehát ekkor kevesebb elnyelésnek kellene történnie; de másrészta napsugarak sokkal ferdébben érkeznek hozzánk, tehát sokkal nagyobb vastagságú légrétegen mennek át: végeredményben tehát az elnyelés mégis nagyobb. Midőn az évszak melegebbé válik, a Nap a látóhatár felett magasabban állván, a merőlegeshez közelebb álló sugarakat küld, de másrészt a légkör párafeszültsége nagyobb; e két hatás tehát mindig ellenkező értelmű és a priori nem lévén támasztó pontunk a következtetéshez, kísérlethez kell nyúlnunk.
Már pedig a kísérlet megmutatja, hogy a Naptól kapott meleg legnagyobb értéke a tél és nyár közötti időszakra esik. CROVÁ-nak, a montpellieri egyetem híres fizikatanárának szép kutatásai szerint, legalább a mi éghajlatunkon, május hónapban jelentkezik ez a maximum.
A nyár első részében a sugárzás erőssége csökken és minimumon megy át, hogy aztán újra növekedjék és ősszel második maximumát érje el. Az évről-évre talált eredmények sokkal külön-
bözőbbek, semhogy a tüneményt rajzban biztossággal szemléltethetnők.
Napi változások. Hogy ne legyünk kénytelenek folytonos, egyébként kivihetetlen észlelésre, kigondoltak és megszerkesztettek regisztráló aktinométereket, melyekben egy tű, melyet hőmérő mozgat, papiroslapra írja fel a tünemény jellegző vonalát. Ezek a műszerek azt láttatják, hogy majdnem minden nap két maximum és két minimum van; a maximumok egyike kevéssel dél előtt, másika délután jelentkezik; a minimumok elválasztják az előbbieket, de sokkal szabálytalanabb módon, mint az évi változásokban láttuk.
A tünemény itt sokkal szabálytalanabb, a maximumok és minimumok kilengése és elhelyeződése egyik napról a másikra változik, és a görbék, melyek róluk számot adnak, semmi részarányosságot sem mutatnak.
Megjegyzendő, hogy ha valamely meghatározott napon, például a nyári napfordulókor teszünk vizsgálatot, a Nap a Ráktérítőre ilyenkor merőlegesen küldi a sugarait és az egyenlítőre kissé ferdén. De az egyenlítőn a nappal teljes tartama csak tizenkét óra, míg ugyanakkor a sarkon, mely megvilágítása hat hónapjának éppen a közepén van, a Nap naponta teljes huszonnégy óráig fénylik. Az északi sarkon e szerint a nyári napforduló napján kapott összes hőmennyiség nagyobb, mint a mennyit az egyenlítő kap ugyanekkor, bár a sarkra a sugár ferdébben esik (23.5°), mint az egyenlítőre, hol a merőlegeshez közelebb van a sugár iránya (66.5°).
Hosszú ideig ez elméleti okoskodás alapján azt következtették, hogy a sark a nyári napforduló idejében jobban fölmelegedvén, mint az egyenlítő, az északi sark körül jégtől mentes szabad tengernek kell lennie. De elég egy pillanatig elmélkednünk annak belátására, hogy ha elméletileg a sark-kapta hőmennyiség a nyári napfordulókor nagyobb is, de valójában a sugarak, erős ferdeségük miatt, roppant vastag légrétegen kénytelenek keresztülhatolni és ennek következtében a legnagyobb légköri elnyelődésben részesülnek. Igy tehát az eredmény nem igazolja a sarki szabad tenger elméletének helyességét.*)
*) COOK és PEARY állítólag ugyancsak befagyott tengert találtak a sarkon. A fordító.
183
181. Következtetések. E vizsgálódásokból fontos következtetéshez jutunk. Láttuk, hogy 250 000 kalóriára becsülhetjük azt a hőmennyiséget, a mely évenként a Földnek átlag minden négyzetczentiméterre esik. Kiszámítottuk, mekkora jégmennyiséget bír ez a meleg megolvasztani; kérdezhetjük most azt is, milyen magas vízréteget párologtathatna el teljesen? Ha ezt az elemi számítást elvégezzük, azt találjuk, hogy 4 m.-nél valamivel többet. Már pedig hosszú éveken át tett megfigyelések azt mutatják, hogy az egyenlítő vidékére hulló, évi eső átlagos mennyisége mintegy két méter. Föltéve ezek után, hogy minden lehullott esőt a napsugarak elpárologtatnak, marad ezenfelül még a hőmennyiségnek bizonyos fölöslege, mely ugyanannyit párologtathatna; tehát az egyenlítői övre igen jelentékeny hőfölösleg jut. A többi vidékeken, a jeges és a mérsékelt övekben a kapott hőmennyiségből nincs fölösleg az évi eső elpárologtatására fordított mennyiségen felül, míg az egyenlítőn ez a fölösleg mindig jelentékeny. Látni fogjuk, hogy ez a főoka a légkör általános körzésének, melyről mindjárt szólani fogunk.