Какую освещенность создает Солнце на поверхности Земли (солнечная постоянная)?
Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.
Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.
Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.
Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.
Параграф 120 Ответы на вопросы ГДЗ Мякишев 11 класс (Физика)
©Reshak.ru — сборник решебников для учеников старших классов. Здесь можно найти решебники, ГДЗ, переводы текстов по школьной программе. Практически весь материал, собранный на сайте — авторский с подробными пояснениями профильными специалистами. Вы сможете скачать гдз, решебники, улучшить школьные оценки, повысить знания, получить намного больше свободного времени.
Главная задача сайта: помогать школьникам и родителям в решении домашнего задания. Кроме того, весь материал совершенствуется, добавляются новые сборники решений.
Освещённость Земли
Одним из необходимых условий существования жизни на Земле является наличие определённого не только теплового, но и светового режима.
Солнечный световой поток, поступающий на внешнюю границу атмосферы, создаёт там освещённость 135 000 лк. В земной атмосфере часть светового потока рассеивается и участвует в создании освещённости Земли рассеянным светом. Земная поверхность получает, таким образом, солнечный свет в виде прямого света солнечных лучей и в виде рассеянного света, поступающего от небосвода, который, в свою очередь, складывается из света, рассеянного самой атмосферой, и света, рассеянного всеми облаками, имеющимися на небе.
Прямой и рассеянный солнечный свет, достигая поверхности Земли, отражаются от неё и поступают назад в атмосферу. Здесь они снова участвуют в рассеянии, и часть их снова возвращается к земной поверхности, увеличивая её освещённость. Роль каждого из источников и величина его вклада в общую освещённость Земли определяются временем суток (положением Солнца на небосводе), облачностью, прозрачностью атмосферы и отражательной способностью (альбедо) подстилающей земной поверхности.
В дневные часы Земля освещается тремя источниками. При ясном или малооблачном небе главным является Солнце. Диапазон изменения освещённости прямым солнечным светом необычайно велик: от нуля в моменты восхода и захода Солнца до нескольких десятков тысяч люкс (и даже до 100 тыс. лк) около полудня. Освещённость рассеянным светом в течение дня изменяется значительно меньше. Она составляет около 500лк в моменты, близкие к восходу или заходу, и не превышает в среднем 13-15 тыс. лк в околополуденные часы при безоблачном небе.
На освещённость рассеянным светом большое влияние оказывают облака – их количество, форма, расположение на небосводе. Высокие кучевые, слоистые кучевые или просто кучевые облака, покрывающие всё или значительную часть неба, при свободном от них солнечном диске и при больших высотах Солнца могут в два-три раза увеличить освещённость рассеянным светом. В то же время низкие плотные облака слоистых форм (слоисто-дождевые, слоистые и др.) при малых высотах Солнца уменьшают освещённость в несколько раз. Вклад в освещённость отражённого светового потока определяется величиной альбедо подстилающей поверхности. У различных почвенных и растительных покровов альбедо изменчиво. Его величина колеблется от 6-10 до 30-40%.
Наибольшее влияние на увеличение освещённости земной поверхности оказывает снежный покров. Альбедо сухого свежевыпавшего снега приближается к 100%. У загрязнённого и влажного снега альбедо снижается почти до 30%. Отражённый от снежного покрова световой поток способствует увеличению освещённости рассеянным светом. Наиболее значительное увеличение освещённости за счёт отражения от снежного покрова происходит при наличии слоистообразных форм облаков при больших высотах Солнца. В этих условиях рассеянный световой поток, пошедший через облако и достигший Земли, многократно отражаясь от поверхности снега и нижней кромки облаков, увеличивает освещённость отражённым светом в два-три раза.
Такие условия имеют место в арктических районах летом. В средних широтах, например в Санкт-Петербурге, облака летом увеличивают освещённость в среднем на 50-60%, а зимой, наоборот, уменьшают её на 20%. Это объясняется тем, что летом в Санкт-Петербурге высоты Солнца большие и преобладают облака кучевых форм, увеличивающие освещённость. Зимой же высоты Солнца малы и чаще всего наблюдаются облака слоистых форм, уменьшающие освещённость.
Освещённость прямыми солнечными лучами и рассеянным светом вместе принято называть суммарной освещённостью.
После захода Солнца земная поверхность освещается рассеянным светом, исходящим от той части небосвода, которая ещё освещена солнечными лучами. По мере погружения Солнца под горизонт освещённость Земли сначала уменьшается быстро, потом всё медленнее и медленнее, и постепенно наступает полная ночная темнота. Переход от дня к ночи и от ночи ко дню на Земле, благодаря наличию атмосферы и её способности рассеивать свет, происходит не мгновенно с заходом Солнца, а растягивается на некоторый промежуток времени, называемый сумерками.
Одна граница сумерек определённая – она характеризуется моментами восхода или захода Солнца. Вторая граница – время наступления полной ночной темноты – неопределённая. В связи с этим различают несколько видов сумерек в зависимости от глубины погружения Солнца и уровня освещённости на Земле.
Гражданские сумерки начинаются с момента захода Солнца и заканчиваются при глубине погружения Солнца 6-8°. В гражданской жизни наступает ночь, отсюда и название сумерек. На небе становятся видны самые яркие звёзды.
Сумерки морские, или навигационные, начинаются с конца гражданских сумерек и заканчиваются при глубине погружения Солнца 12°. В конце этих сумерек освещённость уменьшается настолько, что судовые штурманы не могут ориентироваться по неосвещённым предметам на берегу. Можно отчётливо различать только линию горизонта. В это время должны включаться все сигнальные и опознавательные огни на берегу и на воде (маяки, бакены и т.д.)
Астрономические сумерки начинаются с конца навигационных сумерек и заканчиваются при глубине погружения Солнца 18°. К этому времени исчезают следы зари, на небе появляются все звёзды (невооружённым глазом видны звёзды 6-й величины) и можно выполнять любые астрономические наблюдения.
При ясном небе освещённость земной поверхности к моменту захода Солнца составляет около 1000лк, к концу гражданских сумерек она уменьшается до нескольких люкс (1-4), к концу навигационных – до тысячных долей люкса (» 0,006) и к концу астрономических – до десятитысячных долей люкса. Таким образом, на протяжении сумерек освещённость земной поверхности изменяется в десятки и сотни миллионов раз.
Продолжительность сумерек зависит от времени года (склонения Солнца) и от широты места. Самые длинные сумерки – в дни летнего и зимнего солнцестояний (22 июня и 22 декабря), самые короткие – в дни весеннего и осеннего равноденствий (21 марта и 23 сентября). С увеличением широты места длительность сумерек увеличивается и на широтах более 60° полуночная глубина погружения Солнца не достигает 18° и вечерние сумерки переходят в утренние. Наступают белые ночи, которыми так знаменит Санкт-Петербург. Освещённость небесного свода даже в полночь близка к вечерней. В полярных областях земного шара на широтах более 66°33¢, когда наступает полярный день, сумерек не бывает совсем, так как Солнце не опускается под горизонт.
Как же освещается земная поверхность во время сумерек? На рис. 1.48 SS¢ — поток солнечных лучей. Он освещает Землю и атмосферу. Заход Солнца происходит в точке E касания лучами земной поверхности. Касательная EB является границей света и тени и называется терминатором. Часть атмосферы, лежащая выше терминатора, ещё освещена прямыми солнечными лучами и участвует в рассеянии солнечного света.
Рис.1.48. Освещённость Земли в сумерки
Она посылает рассеянный свет во все направления, в том числе и к наблюдателю в точку А. Часть атмосферы, расположенная ниже терминатора, оказалась в тени Земли и в рассеянии солнечного света уже не участвует. В точке А, где находится наблюдатель, уже начались сумерки, Солнце погрузилось под горизонт на угол h, численно равный центральному углу φ. Высоту нижней границы атмосферы, ещё освещённой солнечными лучами и посылающей рассеянный свет во время сумерек, можно вычислить по формулам
а) в направлении на зенит , (1.21)
в) в направлении на горизонт , (1.22)
где R = 6371км – средний радиус Земли.
По мере погружения Солнца под горизонт терминатор поднимается выше и выше, и часть атмосферы, ещё освещённая солнечными лучами, уменьшается, а потому и освещённость в точке А постепенно снижается, переходя в ночную темноту.
В табл.8 приведены численные значения высот в конце разных видов сумерек. Из таблицы следует, что после окончания астрономических сумерек слои атмосферы выше 76км в направлении на горизонт и выше 325км в направлении на зенит ещё освещаются прямыми солнечными лучами и посылают рассеянный свет к земной поверхности.
| Название сумерек | Высоты в направлении, в км |
| На зенит | На горизонт |
| Гражданские | 12,7 |
| Навигационные | |
| Астрономические |
Наблюдения за изменением яркости неба во время сумерек впервые были использованы известным арабским учёным средневековья Альгазеном (965-1039) для определения высоты самой атмосферы. Резкое убывание яркости неба, по его предположению, должно соответствовать границе атмосферы. Определив этот момент, он установил, что атмосфера простирается до высот 26-31км. Такой результат для того времени следует считать хорошим, так как выше содержится не более 0,1% всей массы атмосферы.
В ночные часы земная поверхность освещается рядом источников. Среди них самым мощным, посылающим больше всего света на Землю, является Луна. В безлунные ночи земная поверхность получает свет, исходящий от ночного неба. Общий свет, поступающий от всех источников в отсутствие Луны, называют свечением ночного неба.
Максимальная освещённость, которую создаёт полная Луна, находящаяся в зените при средней прозрачности атмосферы, составляет около 0,25лк. Обычно освещённость лунным светом, если Луна не в зените, не превышает 0,1лк, а впервой и последней четвертях составляет только 0,03-0,04лк. Яркость лунного диска создаётся отражённым солнечным светом. Лунная освещённость составляет 0, 0002-0,0003% солнечной.
А чем освещены все наземные предметы в безлунную ночь? Ну, конечно же, звёздами. Это первое, что приходит на ум любому человеку. В ясную, достаточно тёмную ночь невооружённым глазом можно увидеть и различить на половине небосвода, доступной наблюдению (другая находится за горизонтом), около 2000 звёзд. В расположении отдельных групп звёзд человек с древнейших времён искал и угадывал знакомые ему очертания людей, животных, предметов. Так возникли названия созвездий: Большая Медведица, Геркулес, Кит и другие. На всём небосводе 88 созвездий. В средних широтах одновременно можно видеть не более 20. На рис.1.49 представлены созвездия зимнего неба, видные на широте 40°с.ш., изображённые американским учёным Г. Реем.
Рис.1.49. Созвездия зимнего неба, видные на широте 40°с.ш.
В ясные безлунные ночи на небосводе видно скопление звёзд в виде светлой полосы с неровными краями, будто разлитое по тёмному небу молоко. Это Млечный Путь или наша Галактика (в переводе с греческого означает «молочный»). На рис.1.49 Млечный Путь изображён изогнутой полосой, состоящей из огромного количества звёзд. В области Млечного Пути находится подавляющее большинство ярких звёзд.
Для оценки блеска звёзд, видимых невооружённым глазом, древнегреческий учёный Гиппарх (2в. до н.э.) ввёл специальную шкалу звёздных величин. Все звёзды, видимые простым глазом, по степени их яркости были подразделены на шесть разрядов или величин. Звёзды первой величины являются самыми яркими. Яркость звёзд второй величины примерно в 2,5 раза меньше чем звёзд первой величины и т.д. Такая шкала величин была затем распространена и на звёзды, видимые вооружённым глазом, принимая, что яркость звезды (n +1) величины должна быть примерно в 2,5 раза меньше яркости звезды n -й величины. Звёзды 13-й, 14-й и т. д. величин составляют Млечный Путь. Современная шкала звёздных величин строится так, чтобы разнице в 5 звёздных величин отвечало изменение освещённости, создаваемое звездой, в 100 раз.
Первая попытка подсчитать общее число звёзд была осуществлена ещё в конце 18 века основоположником звёздной астрономии английским астрономом У. Гершелем (1738-1822). В 50-60гг. прошлого века работы по подсчётам числа звёзд были завершены со всей возможной тщательностью на современных телескопах голландцем Б.Я. Боком и его учениками в Гарвардском университете (США).
Первые попытки оценить участие всех звёзд в освещении земной поверхности ночью были сделаны ещё в 1901г. американским астрономом С. Ньюкомбом (1835-1909). По его подсчётам оказалось, что все звёзды, вместе взятые, не могут создать и половины освещённости, наблюдаемой на Земле в безлунную ночь. Подсчётами освещённости занимались и позднее, но почти во всех случаях оказывалось, что света звёзд явно недостаточно. Было высказано предположение о наличии многих неярких звёзд, недоступных наблюдению, но посылающих свой свет на Землю. Однако дальнейшие исследования опровергли это предположение. По мере совершенствования телескопов уточнялись и представления о количестве звёзд каждой звёздной величины и об их блеске.
Невооружённым глазом высоко в горах можно увидеть звёзды до 6-звёздной величины, на уровне моря – до 5-й, а в современные телескопы – до величины 18,8. На всём небосводе насчитывается звёзд: 5-й величины – 1620, ярче 6-й – 4850 и ярче – 18,8 — около 5×10 8 . Это, на первый взгляд, невероятно большое количество – полмиллиарда, как теперь установлено астрофизиками, составляет менее 2% от общего числа звёзд, находящихся в нашей Галактике. Полное количество звёзд в Галактике оценивается в 3×10 10 . Участие самых ярких звёзд 1-й и 2-й величины в освещении земной поверхности составляет менее 1%.
Если бы вдруг все яркие звёзды погасли, то мы бы даже не заметили, что стало темнее. Звёзд больших звёздных величин много, но они находятся далеко от нас, и с увеличением номера звёздной величины уменьшается их роль в освещении Земли. Из всех звёзд основную освещённость на Земле создают звёзды 10-15-й величины, не видимые глазом.
Средняя поверхностная яркость звёздного неба, которая получилась бы, если все звёзды распределить равномерно по небу, составит 5×10 -14 яркости Солнца. Звёзды распределены по небу неравномерно. Большая их часть находится в области Млечного Пути, поэтому яркость неба в Млечном Пути примерно в 9 раз больше, чем у галактического полюса. Роль планет в освещении земной поверхности ничтожно мала.
Если звёзды обеспечивают менее половины наблюдаемой освещённости, то возникает вопрос, какой же источник создаёт остальную освещённость земной поверхности в безлунную ночь? Открытие этого источника принадлежит английскому астроному Слайферу. В 1919г. на основании своих наблюдений он сделал вывод, что каждую ночь весь небосвод излучает непрерывный свет, подобный свету полярных сияний. Так было открыто ночное свечение атмосферы.
Ночное свечение атмосферы представляет собой свечение разреженных газов (люминесценцию), составляющих воздух на высотах от 80 до 300км. По физической природе оно аналогично свечению разреженных газов в газосветных рекламных трубках (красный цвет – это свечение неона, зелёный – паров ртути и т.д.). Спектр свечения атмосферы является довольно сложным. Он состоит из большого числа линий и полос в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра, а также слабого непрерывного участка спектра, называемого континуумом, в области длин волн 0,595 — 0,630мкм. Основные реакции, приводящие к свечению газов, происходят главным образом на высотах 80-100км. Поэтому этот слой называют химической лабораторией атмосферы.
Солнечные лучи пронизывают всю атмосферу, но свечение возникает только в определённом слое. Объясняется это тем, что яркость свечения будет тем больше, чем больше плотность воздуха и чем больше интенсивность ультрафиолетового излучения Солнца. Оба эти фактора, определяющие свечение воздуха, изменяются очень быстро и как раз в противоположных направлениях.
Плотность воздуха и его давление очень быстро уменьшаются по мере поднятия над земной поверхностью. Среднее давление воздуха в стандартной атмосфере у поверхности Земли на уровне моря равно 1013гПа, на высоте около 5км оно уменьшается вдвое, а на высоте 100км давление измеряется уже десятитысячными долями гектопаскаля. Состав воздуха, какой мы имеем у поверхности Земли, сохраняется неизменным только до высот порядка 80-100км. Плотность ультрафиолетового потока от Солнца с высотой возрастает. Поэтому на некоторой высоте, в каком-то довольно тонком слое, создаются наиболее благоприятные условия, когда ещё достаточны и плотность воздуха и интенсивность излучения.
Освещённость земной поверхности в безлунные ночи при ясной погоде изменяется от 0,0005 до 0,001лк. В пасмурную дождливую погоду освещённость может уменьшаться в 10 и более раз. В больших городах за счёт искусственных источников света, отражаемого облаками, освещённость может достигать 1лк.
Количественное соотношение между звёздным светом и ночным свечением атмосферы изменяется на протяжении ночи, может сильно изменяться от одной ночи к другой, а также различается в зависимости от участка небосвода.
В отсутствие полярных сияний в направлении на Полюс мира вклад ночного свечения атмосферы изменяется от 24 до 54%, составляя в среднем 40-45% общего освещения Земли. В зените ночное свечение атмосферы может быть слабее звёздной составляющей, если вблизи этой точки проходит Млечный Путь. При приближении к горизонту, наоборот, основное излучение обусловливается ночным свечением атмосферы. На долю звёздной составляющей приходится в среднем за ночь около 30% общего освещения атмосферы. Таким образом, свет звёзд и ночное свечение атмосферы вместе обусловливают около 70-75% освещения земной поверхности. Остальные 25-30% создаются солнечным светом, рассеянным на межпланетной пыли, и звёздным светом, рассеянным на межзвёздной пыли.
Солнечный свет — Sunlight
Солнечный свет — это часть электромагнитного излучения, испускаемого Солнцем , в частности инфракрасного , видимого и ультрафиолетового света. На Земле солнечный свет рассеивается и фильтруется через атмосферу Земли и проявляется как дневной свет, когда Солнце находится над горизонтом . Когда прямое солнечное излучение не блокируется облаками , оно воспринимается как солнечный свет , сочетание яркого света и лучистого тепла . Когда они блокируются облаками или отражаются от других объектов , солнечный свет рассеивается . Источники указывают «в среднем по всей Земле» «164 Вт на квадратный метр за 24 часа в сутки».
Ультрафиолетовое излучение солнечного света имеет как положительные, так и отрицательные последствия для здоровья, поскольку оно является необходимым условием для синтеза витамина D 3 и мутагена .
Солнечному свету требуется около 8,3 минуты, чтобы достичь Земли от поверхности Солнца. Фотону, стартующему в центре Солнца и меняющему направление каждый раз, когда он сталкивается с заряженной частицей , потребуется от 10 000 до 170 000 лет, чтобы добраться до поверхности.
Солнечный свет является ключевым фактором фотосинтеза , процесса, используемого растениями и другими автотрофными организмами для преобразования световой энергии , обычно исходящей от Солнца, в химическую энергию, которая может использоваться для синтеза углеводов и для подпитки жизнедеятельности организмов.
СОДЕРЖАНИЕ
Измерение
Исследователи могут измерить интенсивность солнечного света с помощью регистратора солнечного света , пиранометра или пиргелиометра . Для того, чтобы рассчитать количество солнечного света , достигающего земли, как эксцентричность в земной эллиптической орбите и затухание на атмосферу Земли, должны быть приняты во внимание. Внеземная солнечная освещенность ( E ext ), скорректированная с учетом эллиптической орбиты с использованием номера дня года (dn), в хорошем приближении дается формулой
где 1 января dn = 1; 1 февраля dn = 32; 1 марта dn = 59 (кроме високосных, где dn = 60) и т. д. В этой формуле используется dn – 3, потому что в наше время перигелий Земли , наиболее близкий к Солнцу и, следовательно, максимальный E ext происходит примерно 3 января каждого года. Значение 0,033412 определяется с учетом того, что отношение между квадратом перигелия (0,98328989 AU) и афелием (1,01671033 AU) в квадрате должно быть приблизительно 0,935338.
Постоянная солнечной освещенности ( E sc ) равна 128 × 10 3 люкс . Прямая нормальная освещенность ( E dn ), скорректированная с учетом ослабляющих эффектов атмосферы, определяется по формуле:
где с представляет собой атмосферное исчезновение и м является относительной оптической воздушной массой . Атмосферное вымирание привело к снижению количества люксов примерно до 100 000 люкс.
Общее количество энергии, полученной на уровне земли от Солнца в зените, зависит от расстояния до Солнца и, следовательно, от времени года. Это примерно на 3,3% выше среднего в январе и на 3,3% ниже в июле (см. Ниже). Если внеземное солнечное излучение составляет 1367 Вт на квадратный метр (значение, когда расстояние Земля-Солнце составляет 1 астрономическую единицу ), то прямой солнечный свет на поверхности Земли, когда Солнце находится в зените, составляет около 1050 Вт / м 2 , но общее количество (прямое и косвенное из атмосферы), падающее на землю, составляет около 1120 Вт / м 2 . Что касается энергии, солнечный свет на поверхности Земли составляет от 52 до 55 процентов инфракрасного (выше 700 нм ), от 42 до 43 процентов видимого (от 400 до 700 нм) и от 3 до 5 процентов ультрафиолетового (ниже 400 нм). В верхней части атмосферы солнечный свет примерно на 30% интенсивнее, имеет около 8% ультрафиолета (УФ), причем большая часть дополнительного ультрафиолета состоит из биологически разрушающего коротковолнового ультрафиолета.
Прямой солнечный свет имеет световую отдачу около 93 люмен на ватт лучистого потока . Умножение показателя 1050 ватт на квадратный метр на 93 люмена на ватт показывает, что яркий солнечный свет обеспечивает освещенность приблизительно 98 000 люкс ( люмен на квадратный метр) на перпендикулярной поверхности на уровне моря. Освещенность горизонтальной поверхности будет значительно меньше, если Солнце находится не очень высоко в небе. В среднем за день наибольшее количество солнечного света на горизонтальной поверхности приходится на январь на Южном полюсе (см. Инсоляцию ).
Разделив энергетическую яркость 1050 Вт / м 2 на размер солнечного диска в стерадианах, мы получим среднюю яркость 15,4 МВт на квадратный метр на стерадиан. (Однако яркость в центре солнечного диска несколько выше, чем в среднем по всему диску из-за потемнения к краю .) Умножение этого на π дает верхний предел освещенности, которую можно сфокусировать на поверхности с помощью зеркал: 48,5 МВт / м 2 .
Состав и мощность
Спектр солнечного излучения Солнца близок к спектру черного тела с температурой около 5.800 K . Солнце испускает электромагнитное излучение в большей части электромагнитного спектра . Хотя Солнце производит гамма-лучи в результате процесса ядерного синтеза , внутреннее поглощение и термализация преобразуют эти фотоны сверхвысокой энергии в фотоны более низкой энергии, прежде чем они достигнут поверхности Солнца и испускаются в космос. В результате Солнце не испускает гамма-лучи в результате этого процесса, но оно испускает гамма-лучи от солнечных вспышек . Солнце также излучает рентгеновские лучи , ультрафиолет , видимый свет , инфракрасный свет и даже радиоволны ; единственная прямая подпись ядерного процесса — испускание нейтрино .
Хотя солнечная корона является источником экстремального ультрафиолетового и рентгеновского излучения, эти лучи составляют лишь очень небольшую часть выходной мощности Солнца (см. Спектр справа). Спектр почти всего солнечного электромагнитного излучения, падающего на атмосферу Земли, составляет от 100 нм до примерно 1 мм (1000000 нм). Эту полосу значительной мощности излучения можно разделить на пять областей в порядке возрастания длин волн :
- Ультрафиолетовый C или (UVC) диапазон, который охватывает диапазон от 100 до 280 нм. Термин ультрафиолетовое излучение относится к тому факту, что излучение имеет более высокую частоту, чем фиолетовый свет (и, следовательно, также невидимо для человеческого глаза ). Из-за поглощения атмосферой очень мало достигает поверхности Земли. Этот спектр излучения обладает бактерицидными свойствами , как и в бактерицидных лампах .
- Ультрафиолетовый диапазон B или (UVB) составляет от 280 до 315 нм. Он также сильно поглощается атмосферой Земли и вместе с ультрафиолетовым излучением вызывает фотохимическую реакцию, приводящую к образованию озонового слоя . Он напрямую повреждает ДНК и вызывает солнечный ожог . В дополнение к этому краткосрочному эффекту он ускоряет старение кожи и значительно способствует развитию рака кожи, но также необходим для синтеза витамина D в коже млекопитающих.
- Ультрафиолетовый диапазон A или (UVA) составляет от 315 до 400 нм. Когда-то считалось , что эта повязка менее повреждает ДНК , и поэтому она используется в косметическом искусственном солярии ( солярии и солярии ) и ПУВА- терапии псориаза . Однако теперь известно, что УФА вызывает значительные повреждения ДНК косвенными путями (образование свободных радикалов и активных форм кислорода ) и может вызывать рак.
- Видимый диапазон или световой диапазон от 380 до 700 нм. Как следует из названия, этот диапазон виден невооруженным глазом. Это также самый сильный выходной диапазон из полного спектра излучения Солнца.
- Инфракрасный диапазон от 700 до 1 000 000 нм (1 мм ). Он составляет важную часть электромагнитного излучения, достигающего Земли. Ученые делят инфракрасный диапазон на три типа в зависимости от длины волны:
- Инфракрасный-A: от 700 до 1400 нм
- Инфракрасный-B: от 1400 до 3000 нм
- Инфракрасный-C: от 3000 нм до 1 мм.
Опубликованные таблицы
Таблицы прямого солнечного излучения на различных склонах от 0 до 60 градусов северной широты, в калориях на квадратный сантиметр, выпущенные в 1972 году и опубликованные Тихоокеанской Северо-западной экспериментальной станцией по лесам и диапазонам лесной службы Министерства сельского хозяйства США, Портленд, Орегон, США. появляются в сети.
Интенсивность в Солнечной системе
Различные тела Солнечной системы получают свет, интенсивность которого обратно пропорциональна квадрату их расстояния от Солнца.
Таблица, в которой сравнивается количество солнечной радиации, получаемой каждой планетой Солнечной системы в верхней части ее атмосферы:
Планета или карликовая планета расстояние ( AU ) Солнечная радиация (Вт / м 2 ) Перигелий Афелий максимум минимум Меркурий 0,3075 0,4667 14 446 6 272 Венера 0,7184 0,7282 2 647 2,576 Земля 0,9833 1.017 1,413 1,321 Марс 1,382 1,666 715 492 Юпитер 4,950 5,458 55,8 45,9 Сатурн 9,048 10,12 16,7 13,4 Уран 18,38 20.08 4,04 3,39 Нептун 29,77 30,44 1,54 1,47 Плутон 29,66 48,87 1,55 0,57 Фактическая яркость солнечного света, наблюдаемая на поверхности, также зависит от присутствия и состава атмосферы . Например, плотная атмосфера Венеры отражает более 60% получаемого ею солнечного света. Фактическая освещенность поверхности составляет около 14 000 люкс, что сравнимо с земной «днем в пасмурных облаках».
Солнечный свет на Марсе будет более или менее похож на дневной свет на Земле в слегка пасмурный день, и, как видно на снимках, сделанных марсоходами, имеется достаточно рассеянного излучения неба, чтобы тени не казались особенно темными. Таким образом, он будет давать восприятие и «ощущения» очень похоже на дневной свет Земли. Спектр на поверхности немного краснее, чем на Земле, из-за рассеяния красноватой пылью в атмосфере Марса.
Для сравнения, солнечный свет на Сатурне немного ярче солнечного света Земли на среднем закате или восходе солнца ( сравнительную таблицу см. В дневном свете ). Даже на Плутоне солнечный свет по-прежнему будет достаточно ярким, чтобы почти соответствовать средней гостиной. Чтобы увидеть солнечный свет на Земле тусклым, как полная луна , необходимо расстояние около 500 а.е. (
69 световых часов ); только несколько объектов в Солнечной системе были обнаружены, которые, как известно, вращаются по орбите дальше такого расстояния, среди них 90377 Седна и (87269) 2000 OO 67 .
Вариации солнечной освещенности
Сезонная и орбитальная вариация
На Земле солнечное излучение изменяется в зависимости от угла наклона Солнца над горизонтом , с большей продолжительностью солнечного света на высоких широтах летом и с отсутствием солнечного света зимой вблизи соответствующего полюса. Когда прямое излучение не блокируется облаками, оно воспринимается как солнечный свет . Нагревание земли (и других объектов) зависит от поглощения электромагнитного излучения в виде тепла .
Количество радиации, перехватываемой планетным телом, обратно пропорционально квадрату расстояния между звездой и планетой. Земли орбиты и наклонение изменение с течением времени ( в течение тысяч лет), иногда образуя почти идеальный круг, а в других протянув к эксцентриситета орбиты 5% ( в настоящее время 1,67%). При изменении эксцентриситета орбиты среднее расстояние от Солнца ( большая полуось существенно не меняется, поэтому общая инсоляция в течение года остается почти постоянной из-за второго закона Кеплера ,
где — инвариант «площадной скорости». То есть интегрирование по орбитальному периоду (также инвариантное) является постоянным. А
Если мы примем мощность солнечного излучения P как постоянную во времени и солнечное излучение, заданное законом обратных квадратов , мы также получим среднюю инсоляцию как постоянную.
Но сезонное и широтное распределение и интенсивность солнечного излучения, получаемого на поверхности Земли, действительно различаются. Влияние угла Солнца на климат приводит к изменению солнечной энергии летом и зимой. Например, на широте 65 градусов это значение может отличаться более чем на 25% в результате изменения орбиты Земли. Поскольку изменения зимой и летом имеют тенденцию компенсироваться, изменение среднегодовой инсоляции в любом данном месте близко к нулю, но перераспределение энергии между летом и зимой сильно влияет на интенсивность сезонных циклов. Такие изменения, связанные с перераспределением солнечной энергии, считаются вероятной причиной наступления и исчезновения недавних ледниковых периодов (см. Циклы Миланковича ).
Изменение солнечной интенсивности
Космические наблюдения солнечной радиации начались в 1978 году. Эти измерения показывают, что солнечная постоянная непостоянна. Он варьируется во многих временных масштабах, включая 11-летний солнечный цикл солнечных пятен. Если вернуться в прошлое, нужно полагаться на реконструкцию освещенности с использованием солнечных пятен за последние 400 лет или космогенных радионуклидов за последние 10 000 лет. Такие реконструкции были сделаны. Эти исследования показывают, что в дополнение к изменению интенсивности солнечного излучения в зависимости от солнечного цикла (цикл (Швабе)), солнечная активность изменяется с более длинными циклами, такими как предлагаемый 88-летний ( цикл Глейсберга ), 208-летний ( цикл ДеВриза ) и 1000- летний период. год ( вихревой цикл ).
Солнечное излучение
Солнечная постоянная
Солнечной постоянной является мерой плотности потока , является количество поступающего солнечного электромагнитного излучения на единицу площади , которое было бы падает на плоскости , перпендикулярной к лучам, на расстоянии одной астрономической единицы (АС) (примерно среднее расстояние от Солнце к Земле). «Солнечная постоянная» включает все виды солнечного излучения, а не только видимый свет . Предполагалось, что его среднее значение составляет приблизительно 1366 Вт / м 2 , незначительно варьируя в зависимости от солнечной активности , но недавние повторные калибровки соответствующих спутниковых наблюдений показывают, что значение, близкое к 1361 Вт / м 2, является более реалистичным.
Общее солнечное излучение (TSI) и спектральное солнечное излучение (SSI) на Земле
С 1978 года в ходе серии частично совпадающих спутниковых экспериментов НАСА и ЕКА было измерено общее солнечное излучение (TSI) — количество солнечной радиации, полученной в верхних слоях атмосферы Земли — как 1,365 киловатт на квадратный метр (кВт / м 2 ). Наблюдения TSI продолжаются спутниковыми экспериментами ACRIMSAT / ACRIM3, SOHO / VIRGO и SORCE / TIM. Наблюдения показали изменение TSI во многих временных масштабах, включая солнечный магнитный цикл и множество более коротких периодических циклов. TSI обеспечивает энергию, которая управляет климатом Земли, поэтому продолжение базы данных временных рядов TSI имеет решающее значение для понимания роли солнечной изменчивости в изменении климата.
С 2003 года монитор спектральной освещенности (SIM) SORCE отслеживает спектральную солнечную освещенность (SSI) — спектральное распределение TSI. Данные показывают, что SSI на длине волны УФ (ультрафиолета) менее четко и, вероятно, более сложным образом соответствует реакции климата Земли, чем предполагалось ранее, что способствует широкому развитию новых исследований в области «связи Солнца и стратосферы, тропосферы, биосферы и т. Д. океан и климат Земли «.
Освещение поверхности и спектр
Спектр освещения поверхности зависит от высоты Солнца из-за атмосферных эффектов, при этом синий спектральный компонент преобладает в сумерках до и после восхода и заката, соответственно, а красный — во время восхода и захода солнца. Эти эффекты очевидны при фотографии с естественным освещением, где основным источником освещения является солнечный свет, опосредованный атмосферой.
Хотя цвет неба обычно определяется рассеянием Рэлея , исключение случается на закате и в сумерках. «Предпочтительное поглощение солнечного света озоном на длинных трассах горизонта придает зенитному небу голубизну, когда солнце приближается к горизонту».
См. Раздел » Рассеянное излучение неба» для получения более подробной информации.
Спектральный состав солнечного света у поверхности Земли
Можно сказать , что Солнце освещает , что является мерой света в определенном диапазоне чувствительности. Многие животные (в том числе люди) имеют диапазон чувствительности приблизительно 400–700 нм, и при оптимальных условиях поглощение и рассеяние атмосферой Земли создает освещение, которое приблизительно равно источнику света с одинаковой энергией для большей части этого диапазона. Например, полезный диапазон для цветового зрения человека составляет приблизительно 450–650 нм. Помимо эффектов, возникающих на закате и восходе солнца, спектральный состав изменяется в первую очередь в зависимости от того, как прямой солнечный свет может освещать. Когда освещение непрямое, рэлеевское рассеяние в верхних слоях атмосферы приводит к преобладанию синей длины волны. Водяной пар в нижних слоях атмосферы вызывает дальнейшее рассеяние, а частицы озона, пыли и воды также поглощают волны определенной длины.
Жизнь на Земле
Существование почти всей жизни на Земле поддерживается солнечным светом. Большинство автотрофов , таких как растения, используют энергию солнечного света в сочетании с углекислым газом и водой для производства простых сахаров — процесс, известный как фотосинтез . Эти сахара затем используются в качестве строительных блоков и в других синтетических путях, которые позволяют организму расти.
Гетеротрофы , такие как животные, косвенно используют солнечный свет, потребляя продукты автотрофов, либо потребляя автотрофов, либо потребляя их продукты, либо потребляя других гетеротрофов. Сахара и другие молекулярные компоненты, производимые автотрофами, затем расщепляются, высвобождая накопленную солнечную энергию и давая гетеротрофу энергию, необходимую для выживания. Этот процесс известен как клеточное дыхание .
В доисторические времена люди начали расширять этот процесс, применяя растительные и животные материалы для других целей. Они использовали шкуры животных для тепла, например, или деревянное оружие для охоты. Эти навыки позволили людям собирать больше солнечного света, чем это было возможно только за счет гликолиза, и человеческое население начало расти.
Во время неолитической революции одомашнивание растений и животных еще больше увеличило доступ человека к солнечной энергии. Поля, предназначенные для выращивания сельскохозяйственных культур, были обогащены несъедобными растительными веществами, обеспечивающими сахар и питательные вещества для будущих урожаев. Животные, которые раньше давали людям только мясо и инструменты после того, как их убивали, теперь использовались для работы на протяжении всей их жизни, питаясь травами, несъедобными для человека. Ископаемое топливо — это остатки древней растительной и животной материи, образовавшиеся с использованием энергии солнечного света, а затем оставшиеся на Земле в течение миллионов лет.
Культурные аспекты
Эффект солнечного света имеет отношение к живописи , что подтверждается, например, работами Эдуарда Мане и Клода Моне над пейзажами и пейзажами.
Многие люди считают, что прямой солнечный свет слишком яркий для комфорта, особенно при чтении с белой бумаги, на которую прямо светит солнечный свет. Действительно, прямой взгляд на Солнце может нанести долговременный ущерб зрению. Чтобы компенсировать яркость солнечного света, многие люди носят солнцезащитные очки . Автомобили , многие шлемы и кепки оснащены козырьками, которые закрывают прямой обзор Солнца, когда оно находится под низким углом. Солнечный свет часто блокируется от проникновения в здания за счет использования стен , оконных жалюзи , навесов , ставен , занавесок или ближайших тенистых деревьев . Воздействие солнечного света необходимо биологически для образования в коже витамина D , жизненно важного соединения, необходимого для укрепления костей и мышц тела.
В более холодных странах многие люди предпочитают более солнечные дни и часто избегают тени . В более жарких странах верно обратное; в полдень многие люди предпочитают оставаться дома, чтобы сохранять прохладу. Если они действительно выходят на улицу, они ищут тени, которую могут обеспечить деревья, зонтики и т. Д.
Во многих мировых религиях, таких как индуизм , Солнце считается богом, поскольку оно является источником жизни и энергии на Земле. Это также легло в основу религии в Древнем Египте .
Солнечные ванны
Загорать — это популярный вид досуга, когда человек сидит или лежит под прямыми солнечными лучами. Люди часто загорают в удобных местах, где много солнечного света. Некоторые общие места для принятия солнечных ванн включают пляжи , открытые бассейны , парки , сады и тротуарные кафе . Загорающие обычно носят ограниченное количество одежды, а некоторые просто раздеваются . Для некоторых альтернативой солнечным ваннам является использование солярия , излучающего ультрафиолетовый свет, который можно использовать в помещении независимо от погодных условий. Солярии запрещены в ряде штатов мира.
Для многих людей со светлой кожей одной из целей принятия солнечных ванн является затемнение цвета кожи (получение солнечного загара), поскольку в некоторых культурах это считается привлекательным и ассоциируется с активным отдыхом, отпуском / отпуском и здоровьем. Некоторые люди предпочитают загорать обнаженными, чтобы получить «полный» или «ровный» загар, иногда как часть определенного образа жизни.
Контролируемая гелиотерапия или солнечные ванны использовались для лечения псориаза и других заболеваний.
Загар кожи достигается за счет увеличения темного пигмента внутри клеток кожи, называемых меланоцитами , и представляет собой автоматический механизм реакции организма на достаточное воздействие ультрафиолетового излучения от Солнца или искусственных солнечных лучей. Таким образом, загар постепенно исчезает со временем, когда человек больше не подвергается воздействию этих источников.
Влияние на здоровье человека
Ультрафиолетовое излучение солнечного света имеет как положительные , так и отрицательные последствия для здоровья, так как она является и основным источником витамина D 3 и мутагенов . Пищевая добавка может поставлять витамин D без этого мутагенного эффекта, но обходит естественные механизмы, которые могли бы предотвратить передозировку витамина D, вырабатываемого внутри от солнечного света. Витамин D имеет широкий спектр положительных эффектов для здоровья, включая укрепление костей и, возможно, подавление роста некоторых видов рака. Воздействие солнца также связано с синхронизацией синтеза мелатонина , поддержанием нормальных циркадных ритмов и снижением риска сезонного аффективного расстройства .
Длительное воздействие солнечного света , как известно, связаны с развитием рака кожи , старение кожи , ослабление иммунной системы , а также заболеваний глаз , таких как катаракта и дегенерация желтого пятна . Кратковременное чрезмерное воздействие является причиной солнечных ожогов , снежной слепоты и солнечной ретинопатии .
Ультрафиолетовые лучи, а следовательно, и солнечный свет, и солнечные лампы — единственные перечисленные канцерогены, которые, как известно, обладают пользой для здоровья, и ряд организаций общественного здравоохранения заявляют, что необходимо соблюдать баланс между рисками, связанными с чрезмерным или недостаточным солнечным светом. Существует общее мнение, что всегда следует избегать солнечных ожогов.
Эпидемиологические данные показывают, что люди, которые больше подвергаются солнечному свету, имеют меньшее артериальное давление и смертность от сердечно-сосудистых заболеваний. Хотя солнечный свет (и его ультрафиолетовые лучи) являются фактором риска рака кожи, «избегание солнца может принести больше затрат, чем пользы для хорошего здоровья в целом». Исследование показало, что нет никаких доказательств того, что ультрафиолет сокращает продолжительность жизни в отличие от других факторов риска, таких как курение, алкоголь и высокое кровяное давление.
Влияние на геномы растений
Повышенные дозы солнечного УФ- B увеличивают частоту рекомбинации ДНК у растений Arabidopsis thaliana и табака ( Nicotiana tabacum ). Это увеличение сопровождается сильной индукцией фермента, играющего ключевую роль в рекомбинационной репарации повреждений ДНК. Таким образом, уровень земного солнечного УФ-В излучения, вероятно, влияет на стабильность генома растений.