Absorpcia a emisia fotónov. Absorpcia fotónov. Iné procesy interakcie fotónov s hmotou

V celej našej úvahe sme hovorili o podobnom procese ako pri rozptyle a-častíc. Ale toto je voliteľné; dalo by sa hovoriť aj o vzniku častíc, napríklad o emisii svetla. Pri vyžarovaní svetla sa „vytvorí“ fotón. V tomto prípade už nie je na obr. 2.4 prichádzajúce linky; môžete len predpokladať, že existuje n atómov a, b, c,. ... ... , vyžarujúce svetlo (obr. 2.5).

Obr. 2.5. Produkcia n fotónov v blízkych stavoch.

To znamená, že náš výsledok môže byť formulovaný nasledovne: pravdepodobnosť, že atóm vyžaruje fotón v nejakom konečnom stave, sa zvyšuje o (n + 1) krát, ak je v tomto stave už n fotónov.

Mnoho ľudí dáva prednosť vyjadreniu tohto výsledku inak; hovoria to amplitúda emisia fotónu sa zvyšuje o Ö ( P+1) krát, ak je už k dispozícii n fotóny. Samozrejme, toto je len ďalší spôsob, ako povedať to isté, ak len treba mať na pamäti, že táto amplitúda musí byť jednoducho umocnená na druhú, aby sa získala pravdepodobnosť.

V kvantovej mechanike všeobecne platí, že amplitúda získania stavu c z akéhokoľvek iného stavu j je komplexne konjugovaná s amplitúdou získania stavu j z c

Pozrieme sa na to trochu neskôr, ale zatiaľ predpokladajme, že je to skutočne tak. To sa potom môže použiť na pochopenie toho, ako sú fotóny rozptýlené alebo absorbované z daného stavu. Vieme, že amplitúda pre fotón pridať do nejakého stavu, povedzme mne, v ktorom už je n fotónov sa rovná

kde a=<ja | a> je amplitúda, keď neexistujú žiadne iné fotóny. Ak použijeme vzorec (2.24), tak amplitúda spätného prechodu je od (n + 1) fotóny do n fotóny - rovné

Ale zvyčajne hovoria inak; ľudia neradi premýšľajú o odchode (n+1) pre n, vždy radšej vychádzajú z toho, čo bolo k dispozícii n fotóny. Preto hovoria, že amplitúda absorpcie fotónu, ak existuje n iné, inými slovami, prechod z n Komu (n- 1) sa rovná

= Öna *. (2,27)

Toto je, samozrejme, rovnaký vzorec (2.26). Potom sa však objaví nová obava - pamätajte, keď sa píše Ö n a keď Ö ( n+1). Môžete si to zapamätať takto: faktor sa vždy rovná druhej odmocnine najväčšieho počtu dostupných fotónov, na tom nezáleží – pred alebo po reakcii. Rovnice (2.25) a (2.26) naznačujú, že zákon je v skutočnosti symetrický; asymetricky vyzerá len vtedy, keď je napísaná v tvare (2.27).

Z týchto nových pravidiel vyplýva veľa fyzických následkov; chceme dať jeden z nich o emisii svetla. Predstavte si prípad, keď sú fotóny v krabici – viete si predstaviť, že krabica má zrkadlové steny. Nech má tento box v rovnakom stave (s rovnakou frekvenciou, polarizáciou a smerom). n fotóny, aby sa nedali od seba odlíšiť a nech je v krabici atóm, ktorý môže vyžarovať ďalší fotón v rovnakom stave. Potom je pravdepodobnosť, že bude emitovať fotón,

(n + 1) | a| 2 , (2.28)

a pravdepodobnosť, že pohltí fotón, je

n|a| 2 , (2.29)

kde | a| 2 je pravdepodobnosť, že by emitoval fotón, keby ich nebolo n fotóny. O týchto pravidlách sme už hovorili trochu inak v Ch. 42 (vydanie 4). Výraz (2.29) uvádza, že pravdepodobnosť, že atóm pohltiť fotón a prejde do stavu s vyššou energiou, úmernou intenzite svetla, ktoré ho osvetľuje. Ale, ako Einstein prvýkrát zdôraznil, rýchlosť, akou atóm prechádza nižšie energetický stav, pozostáva z dvoch častí. Existuje možnosť | a | 2, že vykoná spontánny prechod a existuje možnosť núteného prechodu n | a | 2 , úmerné intenzite svetla, teda počtu dostupných fotónov. Ďalej, ako poznamenal Einstein, koeficienty absorpcie a stimulovanej emisie sú navzájom rovnaké a súvisia s pravdepodobnosťou spontánnej emisie. Tu sme zistili, že ak sa intenzita svetla meria počtom dostupných fotónov (namiesto použitia energie na jednotku objemu alebo za sekundu), potom sú koeficienty absorpcie, nútenej emisie a spontánnej emisie navzájom rovnaké. To je význam vzťahu medzi koeficientmi A a V, odvodil Einstein [pozri. ch. 42 (vydanie 4), vzťah (42.18)].

Feynmanov diagram pre rozptyl fotónov a fotónov. Samotné fotóny nemôžu navzájom interagovať, pretože ide o neutrálne častice. Preto sa jeden z fotónov zmení na pár častica-antičastica, s ktorým druhý fotón interaguje.

Fyzici zo spolupráce ATLAS ako prví zaregistrovali efekt rozptylu svetelných kvánt, fotónov, fotónmi. Tento efekt je jednou z najstarších predpovedí kvantovej elektrodynamiky, bol popísaný teoreticky pred viac ako 70 rokmi, no doteraz nebol experimentálne objavený. Je zaujímavé, že porušuje klasické Maxwellove rovnice, keďže ide o čisto kvantový jav. Štúdia bola zverejnená tento týždeň v časopise prírodná fyzika, predtlač článku však vyšla ešte vo februári 2017. Podrobnosti o ňom priniesol portál "Elements.ru"

Jednou z hlavných vlastností klasickej Maxwellovej elektrodynamiky je princíp superpozície pre elektromagnetické polia vo vákuu. Umožňuje vám priamo pridávať polia z rôznych poplatkov. Keďže fotóny sú poľné excitácie, nemôžu navzájom interagovať v rámci klasickej elektrodynamiky. Namiesto toho musia voľne prechádzať cez seba.

Detektorové magnety ATLAS

Kvantová elektrodynamika rozširuje vplyv klasickej teórie na pohyb nabitých častíc s rýchlosťou blízkou svetlu, navyše berie do úvahy kvantovanie energie polí. Vďaka tomu je možné v kvantovej elektrodynamike vysvetliť nezvyčajné javy spojené s vysokoenergetickými procesmi – napríklad vytváranie párov elektrónov a pozitrónov z vákua v poliach vysokej intenzity.

V kvantovej elektrodynamike sa dva fotóny môžu navzájom zraziť a rozptýliť. Ale tento proces nejde priamo - svetelné kvantá sú nenabité a nemôžu medzi sebou interagovať. Namiesto toho dochádza k prechodnej tvorbe páru virtuálna častica-antičastica (elektrón-pozitrón) z jedného fotónu, s ktorým druhý fotón interaguje. Takýto proces je veľmi nepravdepodobný pre kvantá viditeľného svetla. Dá sa to odhadnúť na základe skutočnosti, že svetlo z kvazarov, ktoré sa nachádzajú 10 miliárd svetelných rokov ďaleko, dopadá na Zem. Ale s nárastom energie fotónu sa zvyšuje pravdepodobnosť procesu s vytvorením virtuálnych elektrónov.

Až doteraz intenzita a energia ani tých najvýkonnejších laserov nestačila na priame pozorovanie rozptylu fotónov. Vedci však už našli spôsob, ako tento proces vidieť nepriamo, napríklad pri rozpade jedného fotónu na pár kvánt s nižšou energiou v blízkosti ťažkého jadra atómu.

Priamo bolo možné vidieť rozptyl fotónu fotónom iba na Veľkom hadrónovom urýchľovači. Tento proces sa stal rozpoznateľným v experimentoch po zvýšení energie častíc v urýchľovači v roku 2015 - so spustením behu 2. Fyzici zo spolupráce ATLAS skúmali procesy "ultraperiférnych" zrážok medzi jadrami ťažkého olova, ktoré urýchľovač urýchľuje na energie 5 teraelektrónvoltov na nukleón jadra. Pri takýchto zrážkach sa samotné jadrá nezrážajú priamo do seba. Namiesto toho dochádza k interakcii ich elektromagnetických polí, v ktorých sa objavujú fotóny obrovských energií (je to spôsobené blízkosťou rýchlosti jadier k rýchlosti svetla).

Udalosť rozptylu fotónov na fotón (žlté lúče)

Ultraperiférne kolízie sú veľmi čisté. V nich sa v prípade úspešného rozptylu objaví iba pár fotónov s priečnymi hybnosťami smerujúcimi do rôznych smerov. Naproti tomu obyčajné zrážky jadier vytvárajú tisíce nových časticových fragmentov. Spomedzi štyroch miliárd udalostí, ktoré ATLAS zozbieral v roku 2015 na základe štatistík zrážok jadier olova, sa vedcom podarilo vybrať 13 zodpovedajúcich rozptylu. To je asi 4,5-násobok signálu pozadia, ktorý fyzici očakávali.

Schéma procesu rozptylu v urýchľovači. Dve jadrá letia blízko - ich elektromagnetické polia interagujú

Spolupráca ATLAS

Spolupráca bude pokračovať v skúmaní procesu na konci roka 2018, keď sa na urýchľovači opäť uskutoční stretnutie ťažkých zrážok jadier. Zaujímavé je, že práve detektor ATLAS sa ukázal ako vhodný na vyhľadávanie zriedkavých javov rozptylu fotónov na fotón, hoci ďalší experiment, ALICE, bol špeciálne navrhnutý na analýzu zrážok ťažkých jadier.

Teraz vo Veľkom hadrónovom urýchľovači, zbierke štatistík o zrážkach protónov a protónov. Nedávno vedci o objave prvého dvojito očareného baryónu na urýchľovači a na jar fyziky zo spolupráce ATLAS o nezvyčajnom premene udalostí produkcie dvoch slabých interakčných bozónov vo vysokoenergetickej oblasti (asi troch teraelektrónvolty). Môže to naznačovať novú superťažkú ​​časticu, ale štatistická významnosť signálu zatiaľ nepresahuje tri sigma.

Vladimír Korolev

Doteraz bolo neutríno veľmi podobné fotónu. Rovnako ako fotón, neutríno nie je nabité, nemá žiadnu hmotnosť a vždy sa pohybuje rýchlosťou svetla. Obe častice majú rotáciu. Spin fotónu je +1 alebo -1, zatiaľ čo spin neutrína je +1/2 alebo -1/2 (rozdiel nie je veľmi významný). Napriek tomu je medzi nimi zaujímavý až prekvapivý rozdiel, ktorý nám pomôže pochopiť nasledujúca úvaha.

Pozrime sa na dve udalosti, ktoré sa obrátili v čase. Nechajte osobu, ktorá drží loptu, hodiť ju, povedzme, na juh. Ak sa lopta priblíži k osobe a pohybuje sa opačným smerom, osoba zdvihne ruku a chytí ju. V prvom prípade bol sled udalostí nasledovný: 1) osoba drží loptu, 2) osoba hodí loptu, 3) lopta letí na juh. Pohyb obrátený v čase mal iný sled udalostí: 1) lopta letí na sever, 2) osoba chytí loptu, 3) osoba drží loptu. To všetko sa veľmi podobá filmu, ktorý sa najprv posúva jedným a potom opačným smerom.

Skúsme tento princíp preniesť do subatomárneho sveta Ak elektrón v atóme prejde z excitovaného stavu do menej excitovaného stavu, vyžaruje fotón viditeľného svetla, ktorého vlnová dĺžka závisí od energetického rozdielu oboch excitovaných stavov. atómu. Ten istý atóm môže absorbovať alebo „chytiť“ fotón s presne rovnakou vlnovou dĺžkou a elektrón sa presunie z menej excitovaného stavu do viac excitovaného. Každý typ atómu vyžaruje fotóny určitých vlnových dĺžok (v závislosti od veľkosti energie jeho excitovaných stavov) a za vhodných podmienok pohlcuje fotóny s presne rovnakými vlnovými dĺžkami.

Rozdiel medzi priamou udalosťou a časovo obrátenou udalosťou však nespočíva len v zmene smeru a postupnosti. Chytiť loptu je ťažšie ako hodiť. Hádzaním loptičky uvediete do pohybu nehybný predmet a všetko závisí len od vás. Tým, že máte čas, môžete pohodlnejšie brať loptu, pozorne mieriť atď. Keď chytíte loptu, musíte sa vysporiadať s pohybujúcim sa predmetom a nemáte čas zívať. Keď sa lopta priblíži, musíte ju rýchlo chytiť, pretože lopta zostane na dosah na zlomok sekundy. V tomto zlomku sekundy by ste mali mať čas natiahnuť ruku presne v smere pohybu lopty a zastaviť ju. Ak netrafíte, lopta prejde.

To isté sa deje s atómom emitujúcim fotón. Takýto atóm vyžaruje fotón za čas, ktorý je v priemere asi 10 -8 sekúnd. V dôsledku toho atóm, takpovediac, riadi svoj vlastný čas a emituje fotón, keď je to pre neho vhodné.

Na pohltenie toho istého fotónu potrebuje atóm 10 -8 sekúnd, čo je prirodzený dôsledok reverzibility dejov. Atóm však nemôže absorbovať fotón bez významných problémov. Fotón sa pohybuje rýchlosťou svetla a nezostane v blízkosti atómu po celý časový interval 10 -8 sekúnd. Za takú dobu preletí fotón svetla v priemere 300 cm.Niektoré fotóny môžu prejsť na väčšiu vzdialenosť, iné zas menej. Je pochopiteľné, prečo je pre atómy zvyčajne veľmi ťažké zachytiť fotóny: koniec koncov, veľkosť atómu je oveľa menšia ako táto vzdialenosť! (Rovnako aj basketbalisti majú problém chytiť lopty letiace príliš rýchlo.) Atóm však môže náhodou zachytiť a absorbovať fotón.

Všetko vyššie uvedené predpokladá, že fotón nemá svoju vlastnú veľkosť; aj keď v skutočnosti sú jeho rozmery dosť veľké. Typický fotón viditeľného svetla má vlnovú dĺžku asi 1/20 000 cm, pri tejto dĺžke sa do radu zmestí asi tisíc atómov. Fotón viditeľného svetla si možno predstaviť ako guľu, ktorej priemer je tisíckrát väčší ako priemer atómu a objem je 1 000 000 000 krát väčší ako objem atómu. V každom okamihu sa fotón svetla dostane do kontaktu s asi miliardou atómov, z ktorých jeden ho dokáže zachytiť a absorbovať.

V dôsledku toho hĺbka, do ktorej fotón prenikne do hmoty pred absorpciou, nie je 300 cm, ale miliardkrát menšia, teda 3 · 10 -7 cm.

V takejto vzdialenosti sa do radu nezmestí viac ako 10–15 atómov. To znamená, že fotón svetla pred okamihom absorpcie prenikne do látky nie hlbšie ako 10–15 atómových vrstiev. Hrúbka 10-15 atómov je v bežnom meradle len maličkosť, takže väčšina pevných látok, dokonca aj vo forme tenkých filmov, je nepriepustná pre svetlo (hoci zlatá fólia môže byť taká tenká, že sa stane priehľadnou).

Čím je vlnová dĺžka svetla kratšia, tým je fotón menší, s menším počtom atómov prichádza do styku v danom čase, a teda tým dlhšie prechádza látkou, kým sa absorbuje. Z tohto dôvodu ultrafialové svetlo preniká hlbšie do ľudskej pokožky ako viditeľné svetlo; Röntgenové lúče voľne prechádzajú mäkkými tkanivami tela a sú zastavené iba hustejšou substanciou kostí; a? -lúče prenikajú cez hustú látku na mnoho centimetrov. (Samozrejme, viditeľné svetlo prechádza značnú vzdialenosť v látkach, ako je sklo alebo kremeň, nehovoriac o väčšine kvapalín, ale toto je téma na samostatné zváženie).

Absorpcia fotónov

Doteraz bolo neutríno veľmi podobné fotónu. Rovnako ako fotón, neutríno nie je nabité, nemá žiadnu hmotnosť a vždy sa pohybuje rýchlosťou svetla. Obe častice majú rotáciu. Spin fotónu je +1 alebo -1, zatiaľ čo spin neutrína je +1/2 alebo -1/2 (rozdiel nie je veľmi významný). Napriek tomu je medzi nimi zaujímavý až prekvapivý rozdiel, ktorý nám pomôže pochopiť nasledujúca úvaha.

Pozrime sa na dve udalosti, ktoré sa obrátili v čase. Nechajte osobu, ktorá drží loptu, hodiť ju, povedzme, na juh. Ak sa lopta priblíži k osobe a pohybuje sa opačným smerom, osoba zdvihne ruku a chytí ju. V prvom prípade bol sled udalostí nasledovný: 1) osoba drží loptu, 2) osoba hodí loptu, 3) lopta letí na juh. Pohyb obrátený v čase mal iný sled udalostí: 1) lopta letí na sever, 2) osoba chytí loptu, 3) osoba drží loptu. To všetko sa veľmi podobá filmu, ktorý sa najprv posúva jedným a potom opačným smerom.

Skúsme tento princíp preniesť do subatomárneho sveta Ak elektrón v atóme prejde z excitovaného stavu do menej excitovaného stavu, vyžaruje fotón viditeľného svetla, ktorého vlnová dĺžka závisí od energetického rozdielu oboch excitovaných stavov. atómu. Ten istý atóm môže absorbovať alebo „chytiť“ fotón s presne rovnakou vlnovou dĺžkou a elektrón sa presunie z menej excitovaného stavu do viac excitovaného. Každý typ atómu vyžaruje fotóny určitých vlnových dĺžok (v závislosti od veľkosti energie jeho excitovaných stavov) a za vhodných podmienok pohlcuje fotóny s presne rovnakými vlnovými dĺžkami.

Rozdiel medzi priamou udalosťou a časovo obrátenou udalosťou však nespočíva len v zmene smeru a postupnosti. Chytiť loptu je ťažšie ako hodiť. Hádzaním loptičky uvediete do pohybu nehybný predmet a všetko závisí len od vás. Tým, že máte čas, môžete pohodlnejšie brať loptu, pozorne mieriť atď. Keď chytíte loptu, musíte sa vysporiadať s pohybujúcim sa predmetom a nemáte čas zívať. Keď sa lopta priblíži, musíte ju rýchlo chytiť, pretože lopta zostane na dosah na zlomok sekundy. V tomto zlomku sekundy by ste mali mať čas natiahnuť ruku presne v smere pohybu lopty a zastaviť ju. Ak netrafíte, lopta prejde.

To isté sa deje s atómom emitujúcim fotón. Takýto atóm vyžaruje fotón za čas, ktorý je v priemere asi 10 -8 sek. V dôsledku toho atóm, takpovediac, riadi svoj vlastný čas a emituje fotón, keď je to pre neho vhodné.

Na absorbovanie rovnakého fotónu potrebuje atóm 10-8 sek,čo je prirodzený dôsledok zvratnosti dejov. Atóm však nemôže absorbovať fotón bez významných problémov. Fotón sa pohybuje rýchlosťou svetla a nezostane v blízkosti atómu po celý časový interval 10 -8 sek. Za taký časový úsek preletí fotón svetla v priemere 300 cm. Niektoré fotóny môžu cestovať na väčšiu vzdialenosť, zatiaľ čo iné môžu cestovať menej. Je pochopiteľné, prečo je pre atómy zvyčajne veľmi ťažké zachytiť fotóny: koniec koncov, veľkosť atómu je oveľa menšia ako táto vzdialenosť! (Rovnako aj basketbalisti majú problém chytiť lopty letiace príliš rýchlo.) Atóm však môže náhodou zachytiť a absorbovať fotón.

Všetko vyššie uvedené predpokladá, že fotón nemá svoju vlastnú veľkosť; aj keď v skutočnosti sú jeho rozmery dosť veľké. Typický fotón viditeľného svetla má vlnovú dĺžku asi 1/20 000 cm. Pri tejto dĺžke sa do radu zmestí asi tisíc atómov. Fotón viditeľného svetla si možno predstaviť ako guľu, ktorej priemer je tisíckrát väčší ako priemer atómu a objem je 1 000 000 000 krát väčší ako objem atómu. V každom okamihu sa fotón svetla dostane do kontaktu s asi miliardou atómov, z ktorých jeden ho dokáže zachytiť a absorbovať.

V dôsledku toho hĺbka, do ktorej fotón preniká do hmoty pred absorpciou, nie je 300 cm, a miliardkrát menej, teda 3 · 10 -7 cm.

V takejto vzdialenosti sa do radu nezmestí viac ako 10–15 atómov. To znamená, že fotón svetla pred okamihom absorpcie prenikne do látky nie hlbšie ako 10–15 atómových vrstiev. Hrúbka 10-15 atómov je v bežnom meradle len maličkosť, takže väčšina pevných látok, dokonca aj vo forme tenkých filmov, je nepriepustná pre svetlo (hoci zlatá fólia môže byť taká tenká, že sa stane priehľadnou).

Čím je vlnová dĺžka svetla kratšia, tým je fotón menší, s menším počtom atómov prichádza do styku v danom čase, a teda tým dlhšie prechádza látkou, kým sa absorbuje. Z tohto dôvodu ultrafialové svetlo preniká hlbšie do ľudskej pokožky ako viditeľné svetlo; Röntgenové lúče voľne prechádzajú mäkkými tkanivami tela a sú zastavené iba hustejšou substanciou kostí; a? -lúče prenikajú cez hustú látku na mnoho centimetrov. (Samozrejme, viditeľné svetlo prechádza značnú vzdialenosť v látkach, ako je sklo alebo kremeň, nehovoriac o väčšine kvapalín, ale toto je téma na samostatné zváženie).

Hlavným procesom, ktorý vedie k absorpcii elektromagnetického žiarenia v polovodičoch, je generovanie párov elektrón - diera. Pri absorpcii fotónov s energiami sú možné priame prechody elektrónov cez zakázanú zónu (tu h je Planckova konštanta, 6,63 * 10 -34 J * s; ν je frekvencia žiarenia; E g je zakázaný pás; polovodičové materiály solárnych článkov majú Eg = 1 eV ). h * ν> E g (7.1.)

Slnečné žiarenie sa vyznačuje vysokou hustotou toku fotónov (1 kW / m2 / [(2eV) * (1,6 * 10 -19 J * eV -1)] ≈ 3 * 10 21 fotónov / m2 * s). Generovanie nosičov fotónmi, keď je polovodič osvetlený Slnkom, sa pridáva k vždy prítomnému tepelnému generovaniu. V tme dochádza len k tvorbe tepla. Pn prechod, ktorý absorbuje fotóny, je zdrojom konštantného prúdu. Fotoprúd je určený počtom fotónov absorbovaných v blízkosti p - n prechodu. Minimálna veľkosť kremíkového solárneho článku = 0,4 mm. Fotovoltaické články sa dajú použiť na výrobu elektriny. Maximálnu energiu dosiahneme, ak sa napätie U a prúd I udržia tak, aby sa ich súčin zhodoval s čiarou maximálneho výkonu (obr. 7.1.) pri zmene ožiarenosti a odporu záťaže.

Ryža. 7.1. Volt je ampérová charakteristika typického 33 kremíkového solárneho článku. Je vidieť, že čiara typického výkonu (prerušovaná čiara), zodpovedajúca maximu súčinu U * I, je v dobrej zhode s rozsahom napätí potrebným na nabíjanie batérií aj bez použitia regulácie záťaže.

Batéria solárnych článkov je kombináciou modulov zapojených paralelne. Každý modul je sériovo zapojených prvkov. Celková účinnosť solárneho článku je 10%.

Existuje mnoho variácií a priemyselných dizajnov solárnych článkov a spôsobov ich výroby. Typický solárny monokryštalický kremíkový článok je znázornený na obr. 7.2.

Ryža. 7.2. DPB - dodatočná potenciálna bariéra; 1 - od prednej plochy predchádzajúceho prvku; 2 - antireflexná vrstva; 3 - kontakt tváre; 4 - k zadnému kontaktu nasledujúceho prvku; 5 - kovový kontakt zo zadnej strany.

Základné technické požiadavky

1. Východiskový materiál musí byť chemicky vysoko čistý so stabilnými vlastnosťami.

2. Fotovoltaické články by sa mali vyrábať s minimálnymi nákladmi.

3. Solárne články musia mať v podmienkach prostredia životnosť minimálne 20 rokov. Treba mať na pamäti, že prevádzková teplota fotobunky sa môže meniť v rozsahu od (- 30) do +200 0 С.

4. Elektrické kontakty musia byť stabilné a chránené pred všetkými druhmi korózie. Zariadenie musí byť vodotesné.

5. Zničenie jedného z prvkov by nemalo viesť k zlyhaniu celého systému.

6. Prefabrikované moduly musia vydržať prepravu do ťažko dostupných oblastí.

Veterná energia

Príčinou vetra je absorpcia slnečného žiarenia zemskou atmosférou, čo vedie k expanzii vzduchu, vzniku silných vertikálnych a slabších horizontálnych prúdov.

Charakter prúdov je určený miestnymi geografickými faktormi a rotáciou Zeme. Na Zemi sú vetry klasifikované ako globálne a lokálne.

Globálne vetry zahŕňajú pasáty a západné vetry. Pasáty vznikajú v dôsledku zahrievania rovníkovej časti Zeme. Ohriaty vzduch stúpa nahor a nesie so sebou vzduchové hmoty zo severu a juhu. Rotácia Zeme vychyľuje prúdenie vzduchu. Výsledkom je, že severovýchodné pasáty na severnej pologuli a juhovýchodné pasáty na južnej pologuli fúkajú po celý rok s konštantnou silou. Pasáty fúkajú v rovníkovej oblasti, uzavretej medzi 25 a 30 0 severnej a južnej zemepisnej šírky. Na severnej pologuli pasáty pokrývajú 11 % povrchu oceánov a na južnej 20 %. Sila pasátu je zvyčajne 2 - 3 body. Západný vietor fúka po celý rok od západu na východ v páse od 40 do 60 0 j. š. pozdĺž okraja unášaného ľadu Antarktídy. Toto je najsilnejší stály vietor. Jeho sila dosahuje 8 - 10 bodov a málokedy je menšia ako 5 bodov. Vo vnútrozemí pevniny nie je stály smer vetra. Keďže sa rôzne časti zeme v rôznych ročných obdobiach vyhrievajú rôzne, môžeme sa baviť len o prevládajúcom sezónnom smere vetra. Okrem toho sa vietor v rôznych výškach správa odlišne a pre výšky do 50 metrov sú charakteristické „sliepky“.

Ako prvé sa na plavbu použili miestne vetry. Patria sem prievany. Breezes sú slabé vetry, ktoré lemujú pobrežia kontinentov a veľkých ostrovov, spôsobené dennými teplotnými výkyvmi. Ich frekvencia je spôsobená rozdielom teplôt pevniny a mora počas dňa a v noci. Počas dňa sa pevnina zahrieva rýchlejšie a silnejšie ako more. Nad pobrežným pásom stúpa teplý vzduch a na jeho miesto sa ponáhľa chladný vzduch z mora - morský vánok. V noci sa pobrežie ochladzuje rýchlejšie a silnejšie ako more, takže nad more stúpa teplý vzduch, ktorý je nahradený studeným vzduchom z pevniny – pobrežným vánkom. Druhým, neustále fúkajúcim vetrom sú monzúny. Tieto vetry vane v Indickom oceáne a sú spojené so sezónnymi zmenami teploty pevniny a oceánu. V lete slnečné lúče viac zohrievajú zem a na pevninu fúka vietor od mora. V zime fúka monzún z pevniny na more. Rotácia Zeme spôsobuje, že sa objavujú Coriolisove sily, ktoré odkláňajú monzúny doprava. Preto v lete fúkajú juhozápadné monzúny a v zime severovýchodné. Monzúny sú veľmi silné a spôsobujú v Indickom oceáne povrchové prúdy zodpovedajúce miestnym vetrom.

Tabuľka 8.1.

Beaufortova sila vetra

Pri rýchlosti vetra u o a hustote vzduchu ρ vyvíja veterné koleso, ktoré zametá oblasť A, výkon.