Карта суммарной радиации. Где солнечное ионизирующее облучение сильнее? Радиация солнца: спектральный состав
Важнейшим источником, от которого поверхность Земли и атмосфера получают тепловую энергию, является Солнце. Оно посылает в мировое пространство колоссальное количество лучистой энергии: тепловой, световой, ультрафиолетовой. Излучаемые Солнцем электромагнитные волны распространяются со скоростью 300 000 км/с.
От величины угла падения солнечных лучей зависит нагревание земной поверхности. Все солнечные лучи приходят на поверхность Земли параллельно друг другу, но так как Земля имеет шарообразную форму, солнечные лучи падают на разные участки ее поверхности под разными углами. Когда Солнце в зените, его лучи падают отвесно и Земля нагревается сильнее.
Вся совокупность лучистой энергии, посылаемой Солнцем, называется солнечной радиацией, обычно она выражается в калориях на единицу поверхности в год.
Солнечная радиация определяет температурный режим воздушной тропосферы Земли.
Необходимо заметить, что общее количество солнечного излучения более чем в два миллиарда раз превышает количество энергии, получаемое Землей.
Радиация, достигающая земной поверхности, состоит из прямой и рассеянной.
Радиация, приходящая на Землю непосредственно от Солнца в виде прямых солнечных лучей при безоблачном небе, называется прямой. Она несет наибольшее количество тепла и света. Если бы у нашей планеты не было атмосферы, земная поверхность получала только прямую радиацию.
Однако, проходя через атмосферу, примерно четвертая часть солнечной радиации рассеивается молекулами газов и примесями, отклоняется от прямого пути. Некоторая их часть достигает поверхности Земли, образуя рассеянную солнечную радиацию. Благодаря рассеянной радиации свет проникает и в те места, куда прямые солнечные лучи (прямая радиация) не проникают. Эта радиация создает дневной свет и придает цвет небу.
Суммарная солнечная радиация
Все солнечные лучи, поступающие на Землю, составляют суммарную солнечную радиацию, т. е. совокупность прямой и рассеянной радиации (рис. 1).
Рис. 1. Суммарная солнечная радиация за год
Распределение солнечной радиации по земной поверхности
Солнечная радиация распределяется по земле неравномерно. Это зависит:
1. от плотности и влажности воздуха — чем они выше, тем меньше радиации получает земная поверхность;
2. от географической широты местности — количество радиации увеличивается от полюсов к экватору. Количество прямой солнечной радиации зависит от длины пути, который проходят солнечные лучи в атмосфере. Когда Солнце находится в зените (угол падения лучей 90°), его лучи попадают на Землю кратчайшим путем и интенсивно отдают свою энергию малой площади. На Земле это происходит в полосе между от 23° с. ш. и 23° ю. ш., т. е. между тропиками. По мере удаления от этой зоны на юг или на север длина пути солнечных лучей увеличивается, т. е. уменьшается угол их падения на земную поверхность. Лучи начинают падать на Землю под меньшим углом, как бы скользя, приближаясь в районе полюсов к касательной линии. В результате тот же поток энергии распределяется на большую площадь, поэтому увеличивается количество отраженной энергии. Таким образом, в районе экватора, где солнечные лучи падают на земную поверхность под углом 90°, количество получаемой земной поверхностью прямой солнечной радиации выше, а по мере передвижения к полюсам это количество резко сокращается. Кроме того, от широты местности зависит и продолжительность дня в разные времена года, что также определяет величину солнечной радиации, поступающей на земную поверхность;
3. от годового и суточного движения Земли — в средних и высоких широтах поступление солнечной радиации сильно изменяется по временам года, что связано с изменением полуденной высоты Солнца и продолжительности дня;
4. от характера земной поверхности — чем светлее поверхность, тем больше солнечных лучей она отражает. Способность поверхности отражать радиацию называется альбедо (от лат. белизна). Особенно сильно отражает радиацию снег (90 %), слабее песок (35 %), еше слабее чернозем (4 %).
Земная поверхность, поглощая солнечную радиацию (поглощенная радиация), нагревается и сама излучает тепло в атмосферу (отраженная радиация). Нижние слои атмосферы в значительной мерс задерживают земное излучение. Поглощенная земной поверхностью радиация расходуется на нагрев почвы, воздуха, воды.
Та часть суммарной радиации, которая остается после отражения и теплового излучения земной поверхности, называется радиационным балансом. Радиационный баланс земной поверхности меняется в течение суток и по сезонам года, однако в среднем за год имеет положительное значение всюду, за исключением ледяных пустынь Гренландии и Антарктиды. Максимальных значений радиационный баланс достигает в низких широтах (между 20° с. ш. и 20° ю. ш.) — свыше 42*10 2 Дж/м 2 , на широте около 60° обоих полушарий он снижается до 8*10 2 -13*10 2 Дж/м 2 .
Солнечные лучи отдают атмосфере до 20 % своей энергии, которая распределяется по всей толще воздуха, и потому вызываемое ими нагревание воздуха относительно невелико. Солнце нагревает поверхность Земли, которая передает тепло атмосферному воздуху за счет конвекции (от лат.convectio - доставка), т. е. вертикального перемещения нагретого у земной поверхности воздуха, на место которого опускается более холодный воздух. Именно так атмосфера получает большую часть тепла — в среднем в три раза больше, чем непосредственно от Солнца.
Присутствие в углекислого газа и водяного пара не позволяет теплу, отраженному от земной поверхности, беспрепятственно уходить в космическое пространство. Они создают парниковый эффект, благодаря которому перепад температуры на Земле в течение суток не превышает 15 °С. При отсутствии в атмосфере углекислого газа земная поверхность остывала бы за ночь на 40-50 °С.
В результате роста масштабов хозяйственной деятельности человека — сжигания угля и нефти на ТЭС, выбросов промышленными предприятиями, увеличения автомобильных выбросов — содержание углекислого газа в атмосфере повышается, что ведет к усилению парникового эффекта и грозит глобальным изменением климата.
Солнечные лучи, пройдя атмосферу, попадают на поверхность Земли и нагревают ее, а та, в свою очередь, отдает тепло атмосфере. Этим объясняется характерная особенность тропосферы: понижение температуры воздуха с высотой. Но бывают случаи, когда высшие слои атмосферы оказываются более теплыми, чем низшие. Такое явление носит название температурной инверсии (от лат. inversio — переворачивание).
Суммарная радиация- это сумма прямой (на горизонтальную поверхность) и рассеянной радиации:
Состав суммарной радиации т. е. соотношение между прямой и рассеянной радиацией, меняется в зависимости от высоты солнца, прозрачности атмосферы и облачности.
1. До восхода солнца суммарная радиация состоит полностью, а при малых высотах солнца-преимущественно из рассеянной радиации.
2. Чем прозрачнее атмосфера, тем меньше доля рассеянной радиации в составе суммарной.
3. В зависимости от формы, высоты и количества облаков доля рассеянной радиации увеличивается в разной степени. Когда солнце закрыто плотными облаками, суммарная радиация состоит только из рассеянной. При таких облаках рассеянная радиация лишь частично восполняет уменьшение прямой, поэтому увеличение количества и плотности облаков в среднем сопровождается уменьшением суммарной радиации. Но при небольшой или тонкой облачности, когда солнце совсем открыто или не полностью закрыто облаками, суммарная радиация за счет увеличения рассеянной может оказаться больше, чем при ясном небе,
Отражение солнечной радиации от земной поверхности
Суммарная радиация, приходящая на какую-либо поверхность, частично поглощается ею и частично отражается. Отношение количества солнечной радиации, отраженной данной поверхностью, к приходящей суммарной радиации называют отражательной способностью или альбедо: A=R K /Q
где Rк- поток отраженной радиации. Обычно альбедо выражают в долях единицы или в процентах.
Альбедо земной поверхности зависит от ее свойств и состояния: цвета, влажности, шероховатости, наличия и характера растительного покрова. Темные и шероховатые почвы отражают меньше, чем светлые и гладкие. Влажные почвы отражают меньше, чем сухие, так как они темнее. Следовательно, с возрастанием влажности почвы увеличивается поглощаемая ею доля суммарной радиации. Это оказывает большое влияние, например, на тепловой режим орошаемых полей.
Наибольшей отражательной способностью обладает свежевыпавший снег. В отдельных случаях альбедо снега достигает 87,%, а в Арктике и Антарктике-даже 98%. Слежавшийся, подтаявший и более загрязненный снег отражает гораздо меньше. Альбедо различных почв и растительного покрова различается сравнительно мало.
Альбедо естественных поверхностей несколько изменяется в течение суток, причем наибольшие альбедо отмечаются утром и вечером, а в дневные часы альбедо немного уменьшается. Объясняется это зависимостью спектрального состава суммарной радиации от высоты солнца и неодинаковой отражательной способностью одной и той же поверхности для разных длин волн. При малой высоте солнца в составе суммарной радиации увеличена доля рассеянной, а последняя отражается от шероховатой поверхности сильнее, чем прямая.
Альбедо водных поверхностей в среднем меньше, чем альбедо поверхности суши. Объясняется это тем, что солнечные лучи значительно глубже проникают в прозрачные для них верхние слои воды, чем в почву. В воде они рассеиваются и поглощаются. В связи с этим на альбедо воды влияет степень ее мутности: для загрязненной и мутной воды альбедо заметно возрастает по сравнению с чистой водой. Очень велика отражательная способность облаков: в среднем их альбедо составляет примерно 80 %.
Зная альбедо поверхности и суммарную радиацию, можно определить количество коротковолновой радиации, поглощенной данной поверхностью. Величина 1-А представляет собой коэффициент поглощения коротковолновой радиации данной поверхностью. Он показывает, какая часть суммарной радиации, приходящей на данную поверхность, ею поглощается.
Измерения альбедо больших областей земной поверхности и облаков осуществляются с искусственных спутников Земли. Сведения об альбедо облаков позволяют оценить их вертикальную протяженность, а знание альбедо моря дает возможность рассчитать высоту волн.
ЗАДАЧА-ВИЭ
Как определяется полное количество энергии, излучаемое 1 м 2 поверхности в 1 сек.ОТВЕТКак определяется полное количество энергии, излучаемое 1 м 2 поверхности в 1 сек Е (Т) = аТ 4
где а = 5,67·10 -8 Вт/(м 2 К 4), Т - абсолютная температура абсолютно черного тела по шкале Кельвина.Эта закономерность называется законом излучения Стефана-Болъцмана.Она была установлена еще в прошлом веке на основе многочисленных экспериментальных наблюдений и Стефаном, теоретически обоснована Л. Больцманом, исходя из классических законов термодинамики и электродинамики равновесного излучения, а впоследствии, в начале нашего столетия было выяснено, что эта закономерность вытекает из квантового закона распределения энергии в спектре равновесного излучения, выведенного М. Планком.
Расчетная методика для определения длина волны λ m , на которую приходится максимум энергии излучения абсолютно черного телаСогласно закону смещения Вина, длина волны λ m , на которую приходится максимум энергии излучения абсолютно черного тела, обратно пропорциональна абсолютной температуре T :
Закон распределения спектральной мощности излучения абсолютно черным телом был установлен Планком, называется он поэтому законом излучения Планка.
Этот закон устанавливает,что мощность излучения в единичном интервале длин волн определяется температурой Т
абсолютно черного тела: 
Причем, 
Вывод этой формулы помимо предположения о термодинамической равновесности излучения основывается на квантовой его природе, т. е. энергия излучения суммируется из энергии отдельных квантов с энергией Е ч =hv.
Заметим, что представляет полную энергию, излучаемую единицей поверхности абсолютно черного тела в телесный угол 2π за 1 сек, во всем интервале частот, и она совпадает с закономерностью Стефана-Больцмана
Расчетная методика для определения оптическую массу пройденное прямыми солнечными лучами через атмосферуРасстояние , пройденное прямыми солнечными лучами через атмосферу, зависит от угла падения (зенитного угла) и высоты расположения наблюдателя над уровнем моря.Мы предполагаем наличие ясного неба без облаков, пыли или загрязнений воздуха. Так как верхняя граница атмосферы точно не определена, более важным фактором, чем пройденное расстояние, является взаимодействие излучения с атмосферными газами и парами.Прямой поток, нормально проходящий сквозь атмосферу при нормальном давлении, взаимодействует с определенной массой воздуха. Увеличение длины пути при наклонном падении луча.
Прямой поток, нормально проходящий сквозь атмосферу при нормальном давлении, взаимодействует с определенной массой воздуха. Увеличение длины пути при наклонном падении луча.
Оптическая масса m = secθ z :1-длина пробега, увеличеннаяна коэффициент т ; 2-нормальное падениеПод углом θ z , по сравнению с путем при нормальном падении, называется оптической массой и обозначается символом т. Из рисунка без учета кривизны земной поверхности получаем m=secθ z .
Расчетная методика для определенияинтенсивность космического солнечного излучения (солнечная постоянная) S o
, полученная от СолнцаЕсли
радиус Земли R,
а интенсивность космического солнечного излучения (солнечная постоянная) S o
, то полученная от Солнца энергия составляет πR 2
(1 - ρ 0)So.
Эта энергия равна энергии, излучаемой в космическое пространство Землей с излучательной способностью ε = 1
и средней температурой Т е
, Следовательно 
.
Спектральное распределение длинноволнового излучения поверхности Земли, наблюдаемого из космоса, примерно соответствует спектральному распределению абсолютно черного тела при температуре 250 К.Излучение атмосферы распространяется как к поверхности Земли, так и в противоположном направлении. Эффективная температура черного тела Земли как излучателя эквивалентна температуре, с которой излучают внешние слои атмосферы, а не поверхность Земли.
Расчетная методика для определенияпоток и плотности лучистой энергии солнцаВ метеорологии потоки лучистой энергии подразделяются на коротковолновую радиацию с длинами волн от 0,2 до 5,0 мкм и длинноволновую радиацию с длинами волн от 5,0 до 100 мкм. Потоки коротковолновой солнечной радиации подразделяются на:- прямые;
- рассеянные(диффузнные);- суммарные.Солнечной энергией W- называют энергию, переносимую электромагнитными волнами.Единицей энергии излучения W в международной системе единиц СИ является 1 джоуль.Лучистый поток Ф э - который определяется формулой: Ф э =W/t,
где W - энергия излучения за время t.
Полагая W=1 Дж, t=1 с, получим: 1 СИ (Ф э)=1 Дж/1 сек=1 Вт.Плотность лучистого потока излучения (поток радиации I) который определяется формулой:где Ф э - поток излучения, равномерно падающий на поверхность S.
Полагая Ф э =1 Вт, S=1 м 2 , находим: 1 СИ (Е э)=1 Вт/ 1 м 2 =1 Вт/м 2 .
Расчетная формула прямая и суммарная солнечная радиация
Прямая солнечная радиация-I п представляет собой поток излучения, поступающего от солнечного диска и измеряемого в плоскости, перпендикулярной солнечным лучам. Прямая радиация, приходящая на горизонтальную поверхность (S "), вычисляется по формуле:
S " = I п sin h, где h - высота солнца над горизонтом. Для измерения прямой солнечной радиации используется актинометр Савинова-Янишевского.Рассеянной солнечной радиацией (D)- называется радиация, поступающая на горизонтальную поверхность от всех точек небесного свода, за исключением диска Солнца и околосолнечной зоны радиусом 5 0 , в результате рассеяния солнечной радиации молекулами атмосферных газов, водяными каплями или ледяными кристаллами облаков и твердыми частицами, взвешенными в атмосфере. Суммарная солнечная радиация Q- включает излучение, падающее на горизонтальную плоскость, двух видов: прямое и диффузное. Q = S " + D (4.7)Дошедшая до земной поверхности суммарная радиация в большей своей части поглощается в верхнем, тонком слое почвы или воды и переходит в тепло, а частично отражается.
Определите основных точек небесной сферыНебесная сфера – это воображаемая сфера произвольного радиуса. Центр ее в зависимости от решаемой задачи совмещают с той или иной точкой пространства. Отвесная линия пересекает поверхность небесной сферы в двух точках: в верхней Z – зените – и в нижней Z" – надир Основные точки и круги на небесной сфере
Определите Небесные координаты солнцаОсновными
кругами, относительно которых определяется место Солнца (светила), являются истинный горизонт и небесный меридиан- координатами являются высота Солнца (h) и его азимут (A)
.Кажущееся положение Солнца в любой точке Земли определяется двумя этими углами 
Горизонтальная система координатВысота h Солнца над горизонтом
–
уголмежду направлением на Солнце из точки наблюдения и горизонтальной плоскостью, проходящей через эту точку.Азимут А Солнца
- угол между плоскостью меридиана и вертикальной плоскостью, проведенной через точку наблюдения и Солнце.Зенитный уголZ
-
угол между направлением в зенит (Z) и направлением на Солнце. Этот угол является дополнительным к высоте солнцестояния h + z = 90.
Когда Земля обращена к Солнцу южной стороной, азимут равен нулю, а высота максимальна. Отсюда вытекает понятие полдень,
которое принято за начало времени отсчета дня (или второй половины суток).
Расчетная методика для определения угловое солнечное время (часовой угол Солнца)Угловое солнечное время(часовой угол Солнца) τ -
представляет собой угловое смещение Солнца от полудня (1 ч соответствует π/12 рад
, или 15 ° углового смещения). Смещение на Восток от Юга (т. е. утреннее значение) считается положительным.Часовой угол Солнца τ меняется между плоскостями местного меридиана и Солнечного меридиана. Один раз каждые 24 ч Солнце попадает в меридиональную плоскость.Вследствие суточного вращения Земли часовой угол τ
изменяется в течение суток от 0 до 360 o или 2π рад (радиан), за 24 часа, таким образом, Земля, двигаясь по Орбите, вращается вокруг своей оси с угловой скоростью 
Если принять солнечное время от истинного полудня, соответствующего моменту прохождения Солнца через плоскости местного меридиана, то можно записать: ,град
или 
рад
Расчетная методика для определениясклонение СолнцаСклонение Солнца - угол между направлением к Солнцу и экваториальной плоскостью называется склонением δ и является мерой сезонных изменений. Склонение обычно выражают в радианах (или градусах) к Северу или Югу от экватора. Измеряется от 0° до 90° (положительное значение к северу от экватора, отрицательное - к югу).Земля обращается вокруг Солнца за год. Направление земной оси остается фиксированным в пространстве под углом δ 0 = 23,5° к нормали к плоскости вращения,В северном полушарии δ плавно меняется от δ 0 = + 23,5° в период летнего солнцестояния до δ 0 =-23,5° в период зимнего солнцестояния.Аналитически получен град
где п
- день года (n
= 1 соответствует 1 января).В точках равноденствия δ = 0
, а точки восхода и захода Солнца располагаются строго на линии В-З горизонта.Таким образом, траектория Солнца по небесной сфере не является замкнутой кривой, а представляет собой своеобразную сферическую спираль, набивающуюся на боковую поверхность сферы в пределах полосы - 
.
В течение летнего полугодия с 21 марта по 23 сентября и Солнце находится выше плоскости экватора в северной небесной полусфере. В течение зимнего полугодия с 23 сентября по 21 марта и Солнце находится ниже плоскости экватора в южной небесной полусфере.
Солнечная радиация - излучение, свойственное светилу нашей планетной системы. Солнце - главная звезда, вокруг которой обращается Земля, а также соседние планеты. Фактически это огромный раскаленный газовый шар, постоянно испускающий в пространство вокруг себя потоки энергии. Именно их и называют радиацией. Смертельная, одновременно именно эта энергия - один из основных факторов, делающих возможной жизнь на нашей планете. Как и все в этом мире, польза и вред солнечной радиации для органической жизни тесно взаимосвязаны.
Общее представление
Чтобы понять, что представляет собой солнечная радиация, необходимо сперва разобраться, что же такое Солнце. Основной источник тепла, обеспечивающий условия для органического существования на нашей планете, во вселенских просторах представляет собой лишь небольшую звездочку на галактических окраинах Млечного Пути. А вот для землян Солнце - это центр мини-вселенной. Ведь именно вокруг этого газового сгустка обращается наша планета. Солнце дает нам тепло и освещение, то есть поставляет формы энергии, без которых наше существование было бы невозможно.
В древности источник солнечной радиации - Солнце - было божеством, объектом, достойным поклонения. Солнечная траектория по небу людям казалась очевидным доказательством божьей воли. Попытки вникнуть в суть явления, объяснить, что представляет собой это светило, предпринимались с давних пор, и особенно значимый вклад в них внес Коперник, сформировав идею гелиоцентризма, разительно отличавшуюся от общепринятого в ту эпоху геоцентризма. Впрочем, доподлинно известно, что и в древности ученые не раз задумывались над тем, что же такое Солнце, почему оно столь важно для любых форм жизни на нашей планете, почему передвижение этого светила именно таково, каким мы его видим.
Прогресс технологий позволил глубже понять, что представляет собой Солнце, какие процессы происходят внутри звезды, на ее поверхности. Ученые познали, что представляет собой солнечная радиация, каким образом газовый объект воздействует на планеты в своей зоне влияния, в частности, на земной климат. Сейчас человечество располагает достаточно объемной базой знаний, чтобы с уверенностью говорить: удалось выяснить, что такое по своей сути радиация, излучаемая Солнцем, как измерить этот энергетической поток и как сформулировать особенности его воздействия на разные формы органической жизни на Земле.
О терминах
Наиболее важный шаг в освоении сути понятия был сделан в прошлом столетии. Именно тогда именитый астроном А. Эддингтон сформулировал предположение: в солнечных глубинах происходит термоядерный синтез, что позволяет выделяться огромному количеству энергии, излучаемому в пространство вокруг звезды. Пытаясь оценить величину солнечной радиации, были предприняты усилия для определения фактических параметров среды на светиле. Так, температура ядра, по расчетам ученых, достигает 15 миллионов градусов. Этого достаточного, чтобы справиться со взаимным отталкивающим влиянием протонов. Столкновение единиц приводит к формированию гелиевых ядер.
Новые сведения привлекли внимание многих видных ученых, включая А. Эйнштейна. В попытках оценить величину солнечной радиации научные деятели выяснили, что гелиевые ядра по своей массе уступают суммарной величине 4 протонов, необходимых для формирования новой структуры. Так была выявлена особенность реакций, получившая название «дефект масс». Но ведь в природе ничто не может пропасть бесследно! В попытке отыскать «сбежавшие» величины ученые сравнили энергетическое излечение и специфику изменения массы. Именно тогда удалось выявить, что разность излучается гамма-квантами.
Излучаемые объекты пробиваются от ядра нашей звезды к ее поверхности сквозь многочисленные газовые атмосферные слои, что приводит к дроблению элементов и формированию на их основе электромагнитного излучения. Среди прочих видов солнечной радиации - свет, воспринимаемый человеческим глазом. Приблизительные оценки позволили предположить, что процесс прохождения гамма-квантов занимает около 10 миллионов лет. Еще восемь минут - и излученная энергия достигает поверхности нашей планеты.
Как и что?
Солнечной радиацией называют суммарный комплекс электромагнитного излучения, которому свойственен довольно обширный диапазон. Сюда входит так называемый солнечный ветер, то есть энергетический поток, сформированный электронами, легкими частицами. На пограничном слое атмосферы нашей планеты постоянно наблюдается одинаковая интенсивности излучения Солнца. Энергия звезды дискретна, ее перенос осуществляется через кванты, при этом корпускулярный нюанс настолько малозначим, что можно рассматривать лучи в качестве электромагнитных волн. А их распространение, как выяснили физики, происходит равномерно и по прямой линии. Таким образом, чтобы описать солнечную радиацию, необходимо определить свойственную ей длину волны. На основании этого параметра принято выделять несколько типов излучения:
- тепло;
- радиоволна;
- белый свет;
- ультрафиолет;
- гамма;
- рентген.
Соотношение инфракрасных, видимых, ультрафиолетовых лучшей оценивается следующим образом: 52%, 43%, 5%.
Для количественной радиационной оценки необходимо рассчитать плотность потока энергии, то есть количество энергии, которое в заданный временной промежуток достигает ограниченного участка поверхности.
Как показали исследования, солнечная радиация преимущественно поглощается планетарной атмосферой. Благодаря этому происходит нагрев до температуры, комфортной для органической жизни, свойственной Земле. Имеющаяся оболочка из озона позволяет пройти лишь одной сотой ультрафиолетового излучения. При этом полностью блокируются волны короткой длины, опасные для живых существ. Атмосферные слои способны рассеять почти треть лучей Солнца, еще 20% поглощаются. Следовательно, поверхности планеты достигает не более половины всей энергии. Именно этот «остаток» в науке назвали прямой солнечной радиацией.
А если поподробнее?
Известно несколько аспектов, от которых зависит, насколько интенсивным будет прямое излучение. Наиболее значимыми считаются угол падения, зависящий от широты (географическая характеристика местности на земном шаре), время года, определяющее, как велико расстояние до конкретной точки от источника излучения. Многое зависит от особенностей атмосферы - насколько она загрязнена, как много в заданный момент облаков. Наконец, играет роль характер поверхности, на которую падает луч, а именно, ее способности отражать поступившие волны.
Суммарной солнечной радиацией называют величину, объединяющую рассеянные объемы и прямое излучение. Параметр, используемый для оценки интенсивности, оценивается в калориях в расчете на единицу территории. При этом помнят, что в разное время суток значения, свойственные излучению, отличаются. Кроме того, энергия не может распределяться по поверхности планеты равномерно. Чем ближе к полюсу, тем интенсивность выше, при этом снежные покровы обладают высокой отражающей способностью, а значит, воздух не получает возможности прогреться. Следовательно, чем дальше от экватора, тем суммарные показатели солнечного волнового излучения будут меньше.
Как удалось выявить ученым, энергия солнечной радиации оказывает серьезное воздействие на планетарный климат, подчиняет себе жизнедеятельность разнообразных организмов, существующих на Земле. В нашей стране, а также на территории ближайших соседей, как и в прочих странах, расположенных в северном полушарии, зимой преимущественная доля принадлежит рассеянному излучению, а вот летом доминирует прямое.
Инфракрасные волны
Из общего количества суммарной солнечной радиации внушительный процент принадлежит именно инфракрасному спектру, не воспринимаемому глазом человека. За счет таких волн нагревается поверхность планеты, постепенно передающая тепловую энергию воздушным массам. Это помогает сохранять комфортный климат, поддерживать условия для существования органической жизни. Если не происходит каких-то серьезных сбоев, климат остается условно неизменным, а значит, все существа могут обитать в привычных им условиях.
Наше светило - не единственный источник волн инфракрасного спектра. Аналогичное излучение свойственно любому нагретому объекту, включая обычную батарею в человеческом доме. Именно на принципе восприятия инфракрасного излучения работают многочисленные приборы, дающие возможность видеть в темноте, иных некомфортных для глаз условиях нагретые тела. Кстати говоря, по аналогичному принципу работают ставшие столь популярными в последнее время компактные приборы для оценки, через какие участки здания происходят наибольшие теплопотери. Эти механизмы особенно широко распространены в среде строителей, а также владельцев частных домов, поскольку помогают выявить, через какие участки тепло теряется, организовать их защиту и предупредить лишний расход энергии.
Не стоит недооценивать влияние солнечной радиации инфракрасного спектра на человеческий организм только по причине того, что наши глаза не могут воспринимать такие волны. В частности, излучение активно используется в медицине, поскольку позволяет повысить концентрацию лейкоцитов в кровеносной системе, а также привести в норму кровоток за счет увеличения просветов кровеносных сосудов. Приборы, основанные на ИК-спектре, применяются в качестве профилактических против кожных патологий, терапевтических при воспалительных процессах в острой и хронической форме. Наиболее современные препараты помогают справиться с коллоидными рубцами и трофическими ранами.
Это любопытно
На основе изучения факторов солнечной радиации удалось создать поистине уникальные приборы, называемые термографами. Они дают возможность своевременно обнаружить различные болезни, не доступные для выявления иными способами. Именно так можно найти рак или тромб. ИК в некоторой степени защищает от ультрафиолета, опасного для органической жизни, что позволило использовать волны такого спектра для восстановления здоровья продолжительное время находившихся в космосе астронавтов.
Природа вокруг нас и по сей день загадочна, касается это и излучения различных длин волн. В частности, инфракрасный свет все еще исследован не досконально. Ученые знают, что его неправильное применение может стать причиной вреда здоровью. Так, недопустимо использовать оборудование, формирующее такой свет, для терапии гнойных воспаленных участков, кровотечений и злокачественных новообразований. Инфракрасный спектр противопоказан людям, страдающим нарушениями функционирования сердца, сосудов, включая расположенные в мозге.
Видимый свет
Один из элементов суммарной солнечной радиации - видимый человеческому глазу свет. Волновые пучки распространяются по прямым линиям, поэтому не происходит наложения друг на друга. В свое время это стало темой немалого количества научных работ: ученые задались целью понять, по какой причине вокруг нас так много оттенков. Оказалось, что свою роль играют ключевые параметры света:
- преломление;
- отражение;
- поглощение.
Как выяснили ученые, объекты не способны сами по себе быть источниками видимого света, но могут поглощать излучение и отражать его. Варьируются углы отражения, частота волн. На протяжении многих веков способность человека видеть постепенно совершенствовалась, но определенные ограничения обусловлены биологическим строением глаза: сетчатка такова, что может воспринять лишь определенные лучи отраженных световых волн. Это излучение - небольшой промежуток между ультрафиолетом и инфракрасными волнами.
Многочисленные любопытные и загадочные световые особенности не только стали темой множества работ, но и были основанием для зарождения новой физической дисциплины. Одновременно появились ненаучные практики, теории, приверженцы которых считают, что цвет способен повлиять на физическое состояние человека, психику. На основании таких предположений люди окружают себя предметами, наиболее приятными для их глаза, делая бытовую повседневность комфортнее.
Ультрафиолет
Не менее важный аспект суммарной солнечной радиации - ультрафиолетовое изучение, сформированное волнами большой, средней и малой длины. Они отличны друг от друга как по физическим параметрам, так и по особенностям влияния на формы органической жизни. Длинные ультрафиолетовые волны, к примеру, в атмосферных слоях в основном рассеиваются, а до земной поверхности добирается лишь незначительный процент. Чем короче длина волны, тем глубже такое излучение может проникнуть в человеческую (и не только) кожу.
С одной стороны, ультрафиолет опасен, но без него невозможно существование многообразной органической жизни. Такое излучение отвечает за формирование кальциферола в организме, а этот элемент необходим для строительства костной ткани. УФ-спектр - это мощная профилактика рахита, остеохондроза, что особенно важно в детском возрасте. Кроме того, такое излучение:
- приводит в норму метаболизм;
- активизирует производство незаменимых ферментов;
- усиливает регенеративные процессы;
- стимулирует кровоток;
- расширяет кровеносные сосуды;
- стимулирует иммунную систему;
- приводит к формированию эндорфина, а значит, уменьшается нервное перевозбуждение.
Обратная сторона медали
Выше было указано, что суммарной солнечной радиацией называют количество излучения, достигшего поверхности планеты и рассеянного в атмосфере. Соответственно, элементом этого объема является ультрафиолет всех длин. Нужно помнить, что этот фактор имеет как положительные, так и отрицательные стороны влияния на органическую жизнь. Солнечные ванны, зачастую полезные, могут быть источником опасности для здоровья. Слишком продолжительное нахождение под прямым солнечным светом, особенно в условиях повышенной активности светила, вредно и опасно. Продолжительное влияние на организм, а также слишком высокая активность облучения становятся причиной:
- ожогов, покраснений;
- отеков;
- гиперемии;
- жара;
- тошноты;
- рвоты.
Продолжительное ультрафиолетовое облучение провоцирует нарушение аппетита, функционирования ЦНС, иммунной системы. Кроме того, начинает болеть голова. Описанные признаки - классические проявления солнечного удара. Сам человек не всегда может осознать, что происходит - состояние ухудшается постепенно. Если заметно, что кому-то поблизости стало плохо, следует оказать первую помощь. Схема следующая:
- помочь перейти из-под прямого света в прохладное затененное место;
- положить больного на спину так, чтобы ноги были выше головы (это поможет привести в норму кровоток);
- охладить водой шею, лицо, а на лоб положить холодный компресс;
- расстегнуть галстук, ремень, снять тесную одежду;
- через полчаса после приступа дать выпить прохладной воды (небольшое количество).
Если пострадавший потерял сознание, важно сразу обратиться за помощью к доктору. Бригада скорой помощи переместит человека в безопасное место и сделает инъекцию глюкозы или витамина С. Лекарство вводят в вену.
Как загорать правильно?
Чтобы не узнать на своем опыте, каким неприятным может быть излишнее количество солнечной радиации, получаемое при загаре, важно соблюдать правила безопасного времяпрепровождения на солнце. Ультрафиолет инициирует выработку меланина - гормона, помогающего кожным покровам защититься от негативного влияния волн. Под воздействием этого вещества кожа становится темнее, а оттенок переходит в бронзовый. И по сей день не стихают споры о том, насколько это полезно и вредно для человека.
С одной стороны, загар - попытка организма защититься от излишнего воздействия излучения. При этом повышается вероятность формирования злокачественных новообразований. С другой стороны, загар считается модным и красивым. Чтобы минимизировать для себя риски, разумно перед началом пляжных процедур разобрать, чем опасно количество солнечной радиации, получаемое во время солнечных ванн, как минимизировать риски для себя. Чтобы впечатления были максимально приятными, любители загорать должны:
- пить много воды;
- пользоваться защищающими кожу средствами;
- загорать вечером или утром;
- проводить под прямыми лучами солнышка не больше часа;
- не употреблять спиртное;
- включить в меню богатые селеном, токоферолом, тирозином продукты. Не стоит забывать и о бета-каротине.
Значение солнечной радиации для человеческого организма исключительно велико, не стоит упускать из внимания и положительные, и отрицательные аспекты. Следует осознавать, что у разных людей биохимические реакции происходят с индивидуальными особенностями, поэтому для кого-то и получасовые солнечные ванны могут быть опасны. Разумно перед пляжным сезоном проконсультироваться с доктором, оценить тип, состояние кожных покровов. Это поможет предупредить вред здоровью.
По возможности следует избегать загара в преклонном возрасте, в период вынашивания малыша. Не сочетаются с солнечными ваннами раковые заболевания, нарушения психики, кожные патологии и недостаточность функционирования сердца.
Суммарная радиация: где недостача?
Довольно интересным для рассмотрения является процесс распределения солнечной радиации. Как выше было упомянуто, лишь около половины всех волн могут достигнуть поверхности планеты. Куда же пропадают остальные? Свою роль играют разные слои атмосферы и микроскопические частицы, из которых они сформированы. Внушительная часть, как было указано, поглощается озоновым слоем - это все волны, длина которых менее 0,36 мкм. Дополнительно озон способен поглотить некоторые типы волн из видимого человеческому глазу спектра, то есть промежутка 0,44-1,18 мкм.
Ультрафиолет в некоторой степени поглощается кислородным слоем. Это свойственно излучению с длиной волны 0,13-0,24 мкм. Углекислый газ, пар воды могут поглотить небольшой процент инфракрасного спектра. Аэрозоль атмосферы поглощает некоторую часть (ИК-спектр) от общего количества солнечной радиации.
Волны из категории коротких рассеиваются в атмосфере из-за наличия здесь микроскопических неоднородных частиц, аэрозоля, облаков. Неоднородные элементы, частицы, чьи габариты уступают длине волны, провоцируют молекулярное рассеивание, а для более крупных свойственно явление, описываемое индикатрисой, то есть аэрозольное.
Прочее количество солнечной радиации достигает земной поверхности. Оно сочетает прямое излучение, рассеянное.
Суммарная радиация: важные аспекты
Суммарная величина - это количество солнечной радиации, получаемое территорией, а также поглощенное в атмосфере. Если на небе нет облаков, суммарная величина излучения зависит от широты местности, высоты положения небесного тела, типа поверхности земли на этом участке, а также уровня прозрачности воздуха. Чем больше в атмосфере рассеяно аэрозольных частиц, тем ниже прямое излучение, зато возрастает доля рассеянного. В норме при отсутствии облачности в суммарной радиации рассеянная - это одна четвертая часть.
Наша страна принадлежит к числу северных, поэтому большую часть года в южных регионах излучение существенно больше, чем в северных. Это обусловлено положением светила на небе. А вот короткий временной промежуток май-июль - это уникальный период, когда даже на севере суммарная радиация довольно внушительная, поскольку солнце находится высоко в небе, а продолжительность светового дня больше, чем в прочие месяцы года. При этом в среднем на азиатской половине страны при отсутствии облачности суммарная радиация существеннее, нежели на западе. Максимальная сила волнового излучения наблюдается в полдень, а годовой максимум приходится на июнь, когда солнце выше всего в небе.
Суммарной солнечной радиацией называют количество солнечной энергии, достигающей нашей планеты. При этом нужно помнить, что разные атмосферные факторы приводят к тому, что годовой приход суммарной радиации меньше, нежели мог бы быть. Самая большая разница между реально наблюдаемым и максимально возможным характерна для дальневосточных регионов в летний период. Муссоны провоцируют исключительно плотную облачность, поэтому суммарная радиация уменьшается приблизительно вполовину.
Любопытно знать
Наибольший процент от максимально возможного облучения солнечной энергией в реальности наблюдается (в расчете на 12 месяцев) на юге страны. Показатель достигает 80%.
Облачность не всегда приводит к одинаковому показателю рассеивания солнечного излучения. Играет роль форма облаков, особенности солнечного диска в конкретный момент времени. Если таковой открыт, тогда облачность становится причиной уменьшения прямого излучения, одновременно рассеянное резко возрастает.
Возможны и такие дни, когда прямое излучение по своей силе приблизительно такое же, как рассеянное. Суточная суммарная величина может быть даже больше, нежели излучение, свойственное совсем безоблачному дню.
В расчете на 12 месяцев особенное внимание необходимо уделять астрономическим явлениям как определяющим общие численные показатели. При этом облачность приводит к тому, что реально радиационный максимум может наблюдаться не в июне, а месяцем раньше или позже.
Радиация в космосе
С границы магнитосферы нашей планеты и дальше в космические пространства солнечная радиация становится фактором, сопряженным со смертельной опасностью для человека. Еще в 1964 был выпущен важный научно-популярный труд, посвященный методам защиты. Его авторами выступили советские ученые Каманин, Бубнов. Известно, что для человека доза облучения в расчете на неделю должна быть не более 0,3 рентгена, при этом за год - в пределах 15 Р. При кратковременном облучении пределом для человека обозначено 600 Р. Полеты в космос, особенно в условиях непредсказуемой солнечной активности, могут сопровождаться значительным облучением астронавтов, что обязывает принимать дополнительные меры защиты от волн разной длины.
После миссий "Аполлон", в ходе которых тестировались способы защиты, исследовались факторы, влияющие на человеческое здоровье, прошло не одно десятилетие, но и по сей день ученые не могут найти результативные, надежные методы прогнозирования геомагнитных бурь. Можно составить прогноз в расчете на часы, иногда - на несколько дней, но даже для недельного предположения шансы реализации - не более 5%. Солнечный ветер - еще более непредсказуемое явление. С вероятностью один к трем космонавты, отправляясь в новую миссию, могут попасть в мощные потоки излучений. Это делает еще более важным вопрос как исследования и прогнозирования радиационных особенностей, так и разработки методов защиты от него.