3. Солнечная радиация
Солнечная радиация является главной причиной и движущей силой всех явлений и процессов, которые происходят на Земле. Влияет она и на формирование климата.
Солнечная радиация — свет и тепло, которые излучаются Солнцем.
В состав солнечной радиации входят световое, тепловое и ультрафиолетовое излучения. Солнечная радиация измеряется в мегаджоулях на \(1\) м² (МДж/м²) или килокалориях на \(1\) см² (ккал/см²).
Не вся солнечная радиация достигает земной поверхности. Половина её поглощается атмосферой, рассеивается и отражается облаками и мелкими частицами пыли.
Общее количество солнечной энергии, которая достигла земной поверхности, называется суммарной солнечной радиацией .
До поверхности Земли доходит часть прямой и рассеянной радиации. Прямая поступает собственно от Солнца, рассеянная — от всего небосвода, где водяной пар, облака и пыль меняют прямолинейное направление лучей, т. е. рассеивают их.
Рис. \(1\). Виды солнечной радиации
Величина суммарной радиации зависит от:
- угла падения солнечных лучей;
- продолжительности освещения.
Эти показатели уменьшаются при движении от экватора к полюсам.
Отражённая радиация — часть суммарной радиации, которая отражается от земной поверхности. Разные виды подстилающей поверхности обладают разной отражательной способностью. Наибольшая она у поверхности, покрытой снегом (\(70\)–\(90\) % ), наименьшая — у влажного чернозёма (\(5\) % ).
Часть радиации, которая не была отражена от земной поверхности, поглощается сушей или водоёмом. Такая радиацию называют поглощённой. Нагревшаяся поверхность Земли — это источник теплового излучения (земная радиация).
Разница между суммарной радиацией и её потерями на отражение и земное излучение называется радиационным балансом .
4. Солнечная радиация и климат
Территория России с севера на юг протянулась от \(82°\) с. ш. до \(41°\) с. ш. (\(4600\) км). С огромной протяжённостью связаны различия в количестве суммарной радиации в разных районах страны. Температура воздуха и интенсивность природных процессов резко различаются на юге и на севере России.
Рис. \(1\). Суммарная радиация и радиационный баланс
Практически во всех районах Российской Федерации среднегодовой радиационный баланс является положительным. Это означает, что поверхность Земли получает тепла больше, чем излучает. Исключением являются покрытые льдами арктические острова.
На территорию России поступает различное количество солнечной радиации в разные поры года. Это зависит от высоты солнца над горизонтом и продолжительности светового дня. Угол высоты солнца над горизонтом в каждой точке поверхности \(22\) декабря (день зимнего солнцестояния) на \(47°\) меньше, чем \(22\) июня (день летнего солнцестояния). А за полярным кругом наступают полярные дни и ночи.
Солнечная радиация или ионизирующее излучение солнца
Солнце – источник света и тепла, в котором нуждается все живое на Земле. Но помимо фотонов света, оно излучает жесткую ионизирующую радиацию, состоящую из ядер и протонов гелия. Почему так происходит?
Причины возникновения солнечного излучения
Солнечная радиация образуется в дневные часы во время хромосферных вспышек – гигантских взрывов, происходящих в атмосфере Солнца. Часть солнечного вещества выбрасывается в космическое пространство, образуя космические лучи, главным образом состоящие из протонов и небольшого количеств ядер гелия. Эти заряженные частицы спустя 15-20 минут после того, как солнечная вспышка становится видимой, достигают поверхности земли.
Воздух отсекает первичное космическое излучение, порождая каскадный ядерный ливень, который затухает с понижением высоты. При этом рождаются новые частицы – пионы, которые распадаются и превращаются в мюоны. Они проникают в нижние слои атмосферы и попадают на землю, зарываясь вглубь до 1500 метров. Именно мюоны отвечают за образование вторичного космического излучения и естественной радиации, воздействующей на человека.
Спектр солнечного излучения
Спектр солнечного излучения включает как коротковолновые, так длинноволновые области:
- гамма-лучи;
- рентгеновское излучение;
- УФ-радиацию;
- видимый свет;
- инфракрасную радиацию.
Свыше 95% излучения Солнца приходится на область «оптического окна» – видимого участка спектра с прилегающими областями ультрафиолетовых и инфракрасных волн. По мере прохождения через слои атмосферы действие солнечных лучей ослабляется – вся ионизирующая радиация, рентгеновские лучи и почти 98% ультрафиолета задерживаются земной атмосферой. Практически без потерь до земли доходит видимый свет и инфракрасное излучение, хотя и они частично поглощаются молекулами газов и частицами пыли, находящимися в воздухе.
В связи с этим, солнечное излучение не приводит к заметному повышению радиоактивного излучения на поверхности Земли. Вклад Солнца вместе с космическими лучами в формирование общей годовой дозы облучения составляет всего 0,3 мЗв/год. Но это усредненное значение, на самом деле уровень падающего на землю излучения различен и зависит от географического положения местности.
Где солнечное ионизирующее облучение сильнее?
Наибольшая мощность космических лучей фиксируется на полюсах, а меньше всего – на экваторе. Связано это с тем, что магнитное поле Земли отклоняет к полюсам заряженные частицы, падающие из космоса. Кроме этого, излучение усиливается с высотой – на высоте 10 километров над уровнем моря его показатель возрастает в 20-25 раз. Активному воздействию более высоких доз солнечной радиации подвергаются жители высокогорий, поскольку атмосфера в горах тоньше и легче простреливается идущими от солнца потоками гамма-квантов и элементарных частиц.
Важно. Серьезного воздействия радиационный уровень до 0,3 мЗв/ч не оказывает, но при дозе 1,2 мкЗ/ч рекомендуется покинуть район, а случае крайней необходимости находится на его территории не более полугода. При превышении показаний вдвое следует ограничить пребывание в этой местности до трех месяцев.
Если над уровнем моря годовая доза космического облучения составляет 0,3 мЗв/год, то при повышении высоты через каждые сто метров этот показатель увеличивается на 0,03 мЗв/год. После проведения небольших расчетов можно сделать вывод, что недельный отпуск в горах на высоте 2000 метров даст облучение 1мЗв/год и обеспечит почти половину общей годовой нормы (2,4 мЗв/год).
Получается, что жители гор получают годовую дозу радиации, в разы превышающую норму, и должны чаще болеть лейкозом и раком, чем люди, живущие на равнинах. На самом деле, это не так. Наоборот, в горных районах фиксируется более низкая смертность от этих заболеваний, а часть населения – долгожители. Это подтверждает тот факт, что длительное нахождение в местах высокой радиационной активности не оказывает негативного влияния на организм человека.
Солнечные вспышки – высокая радиационная опасность
Вспышки на Солнце – большая опасность для человека и всего живого на Земле, поскольку плотность потока солнечного излучения может превышать обычный уровень космического излучения в тысячу раз. Так, выдающийся советский ученый А. Л. Чижевский связал периоды образования солнечных пятен с эпидемиями тифа (1883-1917 г) и холеры (1823-1923 г) в России. На основании сделанных графиков он еще в 1930 году предсказал возникновение обширной пандемии холеры в 1960-1962 годах, которая и началась в Индонезии в 1961 году, затем быстро распространилась на другие страны Азии, Африки и Европы.
Сегодня получено множество данных, свидетельствующих о связи одиннадцатилетних циклов солнечной активности со вспышками заболеваний, а также с массовыми миграциями и сезонами бурного размножения насекомых, млекопитающих и вирусов. Гематологи установили увеличение количество инфарктов и инсультов в периоды максимальной солнечной активности. Такая статистика связана с тем, что в это время у людей повышается свертываемость крови, а так как у больных с заболеваниями сердца компенсаторная деятельность угнетена, возникают сбои в его работе вплоть до некрозов сердечной ткани и кровоизлияний в мозг.
Большие солнечные вспышки происходят не так часто – раз в 4 года. В это время увеличивается количество и размер пятен, в солнечной короне образуются мощные коронарные лучи, состоящие из протонов и небольшого количества альфа-частиц. Самый мощный их поток астрологи зарегистрировали в 1956 году, когда плотность космического излучения на поверхности земли увеличилась в 4 раза. Еще одним последствием подобной солнечной активности стало полярное сияние, зафиксированное в Москве и Подмосковье в 2000 году.
Как себя обезопасить?
Конечно, повышенный радиационный фон в горах – не повод отказываться от поездок в горы. Правда, стоит подумать о мерах безопасности и отправиться в путешествие вместе с портативным радиометром, который поможет контролировать уровень радиации и при необходимости ограничить время пребывания в опасных районах. В местности, где показании счетчика показывают величину ионизирующего облучения в 7 мкЗв/ч, не стоит находиться больше одного месяца.
- Полезная информация
- Вопросы и ответы
- Конвертор единиц
1. Состав солнечной радиации. Ультрафиолетовая часть солнечного спектра.
Солнце является источником энергии, тепла и света на нашей планете. Солнечной радиации обязана своим существованием вся органическая жизнь на Земле.
С физической точки зрения солнечная энергия представляет собой электромагнитное и корпускулярное излучение. Электромагнитное излучение охватывает диапазон длин волн от самых коротких, гамма- и рентгеновских, с длиной волны до 10 нм, ультрафиолетовые (от 10 до 400 нм), видимую часть спектра (от 400 до 760 нм), инфракрасное излучение (от 760 до 100000 нм) и наиболее длинный диапазон радиочастот. Энергетический максимум солнечного излучения приходится на видимую часть спектра. Корпускулярная составляющая солнечной радиации состоит главным образом из электронов, протонов, α-частиц и др.
Электромагнитный состав солнечной радиации
(за R.F. Donnelly, O.R.White, 1980)
Длина волны l в нанометрах
Дальний инфракрасный участок
100 000 – 10 000
Видимый или оптический участок
Крайний ультрафиолетовый участок
Мягкое рентгеновское излучение
Жесткое рентгеновское излучение
Энергия Солнца на границе атмосферы, падающая на 1 см 2 поверхности, перпендикулярной направлению лучей, в течение 1 минуты и выраженную в калориях, называют солнечной постоянной (в среднем равняется 1,98 кал. см 2 /мин).
Вследствие поглощения, отражения и рассеяния лучистой энергии она подвергается как количественным, так и качественным изменениям при прохождении через воздушную оболочку Земли. В результате достигает поверхности Земли не более 43 % первоначальной мощности солнечной радиации. Количество отраженной от Земли лучистой энергии, которая выражается в процентах от падающей на нее энергии, называется альбедо. Максимально отражает лучистую энергию выпавший снег, водная поверхность, песок, а минимальной отражающей способностью обладают влажная почва, чернозем. Основной составной частью радиационного баланса является прямая солнечная радиация, интенсивность которой возрастает в течение года с севера на юг.
Баланс солнечной энергии формируется таким образом: годовое количество солнечной энергии на границе атмосферы принимают за 100 %. От Земли отражается и возвращается в космическое пространство 42 % энергии, причем 38 % отражается атмосферой и только 4 % — поверхностью Земли. Остальные 58 % поглощаются атмосферой (14 %) и почвой (44 %). Нагретая поверхность Земли возвращает назад всю поглощенную энергию. При этом излучение энергии земной поверхностью составляет 20 %, на согревание воздуха и испарение влаги уходит 24 %.
Количество солнечной радиации в отдельных районах Земли зависит от угла падения солнечных лучей. Чем больше высота Солнца над горизонтом, тем больше количество солнечной энергии, падающей на единицу площади. Когда Солнце находится у линии горизонта, солнечные лучи проходят в атмосфере путь, почти в 35 раз длиннее, чем в том случае, когда Солнце находится в зените.
Годовой режим инсоляции изменяется в зависимости от широты местности и высоты над уровнем моря. С подъемом на первые 3000 м радиация увеличивается на 10 % на каждый километр высоты.
Максимум солнечной радиации на протяжении суток наблюдается в 12 часов дня, когда Солнце максимально приближается к зениту. Максимальное напряжение солнечной радиации в южных широтах наблюдается в марте-апреле, а в северных – в апреле-мае. Другой, наименее выраженный, максимум наблюдается в августе-сентябре. Минимальное полуденное значение характерно для декабря. Снижение наблюдается также в июле-августе. Такое распределение радиации обусловлено высотой Солнца и степенью прозрачности атмосферы.
Таким образом, в течение года наибольшие значения прямой солнечной радиации наблюдаются не летом, когда солнце достигает в полдень наибольших высот, а весной, что объясняется уменьшением прозрачности воздуха в летнее время за счет большой запыленности атмосферы и повышенной влажности. При безоблачном небе максимум радиации приходится на короткие УФ-лучи, при пасмурном небе максимум радиации смещается в более длинноволновую область спектра. При облачной погоде интенсивность УФ-радиации у поверхности Земли может снижаться на 80 %, за счет запыленности атмосферного воздуха эта потеря составляет от 11 до 50 %. В весьма широком диапазоне колеблется спектральный состав лучистой энергии.
Наибольшее значение у поверхности Земли имеет оптическая часть солнечного спектра, включающая инфракрасные лучи с длиной волны 2800 – 760 нм, видимые (760 – 400 нм) и ультрафиолетовые (400 – 290 нм). При этом, если на границе атмосферы ультрафиолетовая часть солнечного спектра составляет 5 %, видимая – 52 % и инфракрасная – 43 %, то у земной поверхности соответственно 1, 40 и 59 %. Поскольку солнечная радиация является одним из видов электромагнитных излучений, ее биологическое действие зависит от энергии кванта, глубины проникновения в ткани тела, интенсивности облучения (количества энергии на единицу площади в единицу времени), его режима, определяющего, в частности, дозу облучения, площади облучения, условий, при которых происходит облучение, и состояния организма.
Спектральный состав и биологическое действие солнечной радиации