Как получают спектр солнца

Наибольшую интенсивность непрерывный спектр имеет в области длин волн 430–500 нм. В видимой и инфракрасной областях спектр электромагнитного излучения Солнца близок к спектру излучения абсолютно черного тела с температурой 6000 К. Эта температура соответствует температуре видимой поверхности Солнца – фотосферы. В видимой области спектра Солнца наиболее интенсивны линии Н и К ионизованного кальция, линии бальмеровской серии водорода Н_?, Н_? и Н_?.

Около 9 % энергии в солнечном спектре приходится на ультрафиолетовое излучение с длинами волн от 100 до 400 нм. Остальная энергия разделена приблизительно поровну между видимой (400–760 нм) и инфракрасной (760–5000 нм) областями спектра.

Солнце – мощный источник радиоизлучения. В межпланетное пространство проникают радиоволны, которые излучает хромосфера (сантиметровые волны) и корона (дециметровые и метровые волны). Радиоизлучение Солнца имеет две составляющие – постоянную и переменную. Постоянная составляющая характеризует радиоизлучение спокойного Солнца. Солнечная корона излучает радиоволны как абсолютно черное тело с температурой = 10 6 К. Переменная составляющая радиоизлучения Солнца проявляется в виде всплесков, шумовых бурь. Шумовые бури длятся от нескольких часов до нескольких дней. Через 10 минут после сильной солнечной вспышки радиоизлучение Солнца возрастает в тысячи и даже миллионы раз по сравнению с радиоизлучением спокойного Солнца; это состояние длится от нескольких минут до нескольких часов. Это радиоизлучение имеет нетепловую природу.

Плотность потока излучения Солнца в рентгеновской области (0,1–10 нм) весьма мала (

5•10 –4 Вт/м 2 и сильно меняется с изменением уровня солнечной активности. В ультрафиолетовой области на длинах волн от 200 до 400 нм спектр Солнца также описывается законами излучения абсолютно черного тела.

В ультрафиолетовой области спектра с длинами волн короче 200 нм интенсивность непрерывного спектра резко падает и появляются эмиссионные линии. Наиболее интенсивна из них водородная линия лаймановской серии ( = 121,5 нм). При ширине этой линии около 0,1 нм ей соответствует плотность потока излучения около 5•10 –3 Вт/м 2 . Интенсивность излучения в линии приблизительно в 100 раз меньше. Заметны также яркие эмиссионные линии различных атомов, важнейшие линии принадлежат Si I ( = 181 нм), Mg II и Mg I, O II, O III, C III и другие.

Коротковолновое ультрафиолетовое излучение Солнца возникает вблизи фотосферы. Рентгеновское излучение исходит из хромосферы (

10 4 К), расположенной над фотосферой, и короны (

10 6 К) – внешней оболочки Солнца. Радиоизлучение на метровых волнах возникает в короне, на сантиметровых – в хромосфере.

Источник

Спектр солнечного излучения: описание, особенности и интересные факты

Солнце играет важную роль для нас на Земле. Оно обеспечивает планету и все, что на ней находится важными факторами, такими как свет и тепло. Но что такое солнечное излучение, спектр солнечного света, как все это влияет на нас и на глобальный климат в целом?

Что такое солнечная радиация?

Плохие мысли обычно приходят на ум, когда вы думаете о слове «радиация». Но солнечная радиация на самом деле очень хорошая вещь — это солнечный свет! Каждое живое существо на Земле зависит от него. Он необходим для выживания, согревает планету, обеспечивает питание для растений.

Солнечное излучение — это весь свет и энергия, которые исходят от солнца, и есть много различных его форм. В электромагнитном спектре различают различные типы световых волн, излучаемых солнцем. Они похожи на волны, которые вы видите в океане: они перемещаются вверх и вниз и из одного места в другое. Спектр солнечного изучения может иметь разную интенсивность. Различают ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучение.

Свет — движущаяся энергия

Спектр солнечного излучения образно напоминает клавиатуру пианино. Один ее конец имеет низкие ноты, в то время как другой — высокие. То же самое относится и к электромагнитному спектру. Один конец имеет низкие частоты, а другой — высокие. Низкочастотные волны являются длинными в течение заданного периода времени. Это такие вещи, как радар, телевизор и радиоволны. Высокочастотные излучения — это высокоэнергетические волны с короткой длиной. Это означает, что длина самой волны очень коротка для данного периода времени. Это, например, гамма-лучи, рентгеновские и ультрафиолетовые лучи.

Вы можете думать об этом так: низкочастотные волны похожи на подъем на холм с постепенным поднятием, в то время как высокочастотные волны похожи на быстрый подъем на крутой, почти вертикальный холм. При этом высота каждого холма одинакова. Частота электромагнитной волны определяет, сколько энергии она несет. Электромагнитные волны, которые имеют большую длину и, следовательно, более низкие частоты, несут гораздо меньше энергии, чем с более короткими длинами и более высокими частотами.

Вот почему рентгеновские лучи и ультрафиолетовое излучение могут быть опасными. Они несут так много энергии, что, если попадают в ваше тело, могут повредить клетки и вызвать проблемы, такие как рак и изменение в ДНК. Такие вещи, как радио и инфракрасные волны, которые несут гораздо меньше энергии, на самом деле не оказывают на нас никакого влияния. Это хорошо, потому что вы, конечно, не хотите подвергать себя риску, просто включив стерео.

Видимый свет, который мы и другие животные можем видеть нашими глазами, расположен почти в середине спектра. Мы не видим никаких других волн, но это не значит, что их там нет. На самом деле, насекомые видят ультрафиолетовый свет, но не наш видимый. Цветы выглядят для них совсем по-другому, чем для нас, и это помогает им знать, какие растения посетить и от каких из них держаться подальше.

Источник всей энергии

Мы принимаем солнечный свет как должное, но так не обязано быть, потому что, по сути, вся энергия на Земле зависит от этой большой, яркой звезды в центре нашей Солнечной системы. И пока мы находимся в ней, мы должны также сказать спасибо нашей атмосфере, потому что она поглощает часть излучения, прежде чем оно достигнет нас. Это важный баланс: слишком много солнечного света, и на Земле становится жарко, слишком мало — и она начинает замерзать.

Проходя через атмосферу, спектр солнечного излучения у поверхности Земли дает энергию в разных формах. Для начала рассмотрим различные способы ее передачи:

1. Проводимость (кондукция) — это когда энергия передается от прямого контакта. Когда вы обжигаете руку горячей сковородой, потому что забыли надеть прихватку, это проводимость. Посуда передает тепло вашей руке через прямой контакт. Кроме того, когда ваши ноги касаются холодной плитки в ванной утром, они переносят тепло на пол через прямой контакт — проводимость в действии.
2. Рассеивание — это, когда энергия передается через токи в жидкости. Это также может быть и газ, но процесс в любом случае будет такой же. Когда жидкость нагрета, молекулы возбуждены, разрозненны и менее плотные, поэтому они стремятся вверх. Когда они остывают, снова падают вниз, создавая клеточный текущий путь.
3. Радиация (излучение) — это, когда энергия передается в виде электромагнитных волн. Подумайте о том, как хорошо сидеть рядом с костром и чувствовать, как приветственное тепло излучается от него к вам — это радиация. Радиоволны, световые и тепловые волны могут путешествовать, перемещаясь из одного места в другое без помощи каких-либо материалов.

Основные спектры солнечного излучения

Солнце обладает разным излучением: от рентгеновских лучей до радиоволн. Солнечная энергия — это свет и тепло. Его состав:

• 6-7 % ультрафиолетового света,
• около 42 % видимого света,
• 51 % ближнего инфракрасного.

Мы получаем солнечной энергии при интенсивности 1 киловатт на квадратный метр на уровне моря в течение многих часов в день. Около половины излучения находится в видимой коротковолновой части электромагнитного спектра. Другая половина — в ближней инфракрасной, и немного в ультрафиолетовом отделе спектра.

Ультрафиолетовое излучение

Именно ультрафиолетовое излучение в солнечном спектре имеет интенсивность большую, чем другие: до 300-400 нм. Часть этого излучения, которое не поглощается атмосферой, производит загар или солнечный ожог для людей, которые были в солнечном свете в течение длительных периодов времени. Ультрафиолетовое излучение в солнечном свете имеет как положительные, так и отрицательные последствия для здоровья. Он является основным источником витамина D.

Видимое излучение

Видимое излучение в солнечном спектре имеет интенсивность среднего уровня. Количественные оценки потока и вариации его спектрального распределения в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах электромагнитного спектра представляют большой интерес при изучении солнечно-наземных воздействий. Диапазон от 380 до 780 нм виден невооруженным взглядом.

Причина в том, что основная часть энергии солнечной радиации сосредоточена в этом диапазоне и она определяет тепловое равновесие атмосферы Земли. Солнечный свет является ключевым фактором в процессе фотосинтеза, используемого растениями и другими автотрофными организмами для преобразования световой энергии в химическую, которая может быть использована в качестве топлива для организма.

Инфракрасное излучение

Инфракрасный спектр, который охватывает от 700 нм до 1 000 000 нм (1мм), содержит важную часть электромагнитного излучения, которое достигает Земли. Инфракрасное излучение в солнечном спектре имеет интенсивность трех видов. Ученые делят этот диапазон на 3 типа на основе длины волны:

Заключение

Многие животные (включая человека) имеют чувствительность в диапазоне от приблизительно 400-700 нм, и полезный спектр цветового зрения у человека, например, составляет примерно 450-650 нм. Помимо эффектов, которые возникают на закате и восходе солнца, спектральный состав изменяется, в первую очередь, по отношению к тому, как непосредственно солнечный свет попадает на землю.

Каждые две недели Солнце снабжает нашу планету таким количеством энергии, что ее хватает всем жителям на целый год. В связи с этим все чаще солнечное излучение рассматривают, как альтернативный источник энергии.

Источник

Возможности получения сплошного спектра Солнца

Изучение спектров различных источников света (или веществ) лежит в основе так, называемого спектрального метода, который широко применят в различных областях деятельности человека

Скачать:

Предварительный просмотр:

Республиканская научно — практическая конференция

«Современность и будущее космонавтики»

Секция: «Исследование космического пространства»

Возможности получения сплошного спектра Солнца

Автор: Асылкаев Артур ,

9 класс, МАОУ «СОШ №56»

Научный руководитель: Тарзиманова Гюзель Раисовна, учитель физики МАОУ «СОШ №56»

Набережные Челны, 2018

Мы, люди, радуемся цвету так же, как мы радуемся, видя улыбку, без явных причин. Великий человек — Ли Хант говорил: «Природа улыбается в свете». Цвет различных предметов, освещенных одним и тем же источником светы (например, солнцем), бывает весьма разнообразен. Основную роль в таких эффектах играют явления отражения и пропускания света. При рассмотрении непрозрачного предмета мы воспринимаем его цвет в зависимости от того излучения, которое отражается от поверхности предмета и попадает к нам на глаз. При рассмотрении прозрачного тела на просвет его цвет будет зависеть от пропускания лучей различных длин волн.

Актуальность работы заключается в том, что изучение спектров различных источников света (или веществ) лежит в основе так, называемого спектрального метода, который широко применят в различных областях деятельности человека

Цель работы: экспериментально получить спектр Солнца

1. Изучить и обобщить материал из литературных источников о приборе, который способен регистрировать спектр для дальнейшего анализа состава вещества.

2. Провести опытно-экспериментальную работу для получения спектра Солнца в реальных условиях.

Методы исследования: эксперимент, наблюдение, сопоставление, анализ и синтез, обобщение.

Объект исследования: спектр Солнца

Предмет исследования: получить в школьной лаборатории спектр Солнца.

2. Основная часть

Почти невероятная новость о том, что ученые могут определять состав Солнца и других звезд, быстро распространилась по всему свету. Конечно, одним из первых вопросов, поставленных меркантильно настроенными людьми, был вопрос о том, не обнаружили ученые золото на Солнце. Не видя никакой возможности получить золота, если оно даже и существует на солнце, и не видя никаких практических применений подобных «бессмысленных исследований», один банкир сказал: «Какое мне дело до золота на Солнце, если я не могу добыть его оттуда». Вскоре после этого Кирхгоф получил из Англии золотую медаль и денежную премию за блестящие работы по изучению солнечного спектра. Показав премию банкиру, Кирхгоф сказал: «Посмотрите, а мне все-таки удалось, в конце концов, заполучить немного золота с Солнца». Можно себе представить, как был смущен этот банкир, если бы он дожил до нашего времени и узнал, что открытие Кирхгофа было лишь частью той предварительной работы, которая привела к освобождению атомной энергии.

Спектральный анализ – физический метод качественного и количественного определения атомного и молекулярного спектра состава вещества, основанный на исследовании его спектра. В основе спектрального анализа лежит явление дисперсии.

Дисперсия света — это совокупность явлений, обусловленных зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от частоты света, или, то же самое, зависимостью фазовой скорости света в веществе от частоты.

Открыто явление в 1666 году Исааком Ньютоном, который, обратив внимание на радужную окраску изображений звезд в телескопе, поставил опыт, в результате которого открыл дисперсию света и создал новый прибор – спектроскоп. Ньютон направил пучок света на призму, а потом для получения более насыщенной полосы заменил круглое отверстие щелевым. Благодаря дисперсии белый свет разлагается в спектр при прохождении через стеклянную призму.

Большой вклад в исследование дисперсии и создание ахроматических линз внес Йозеф Фраунгофер. Чтобы произвести точные измерения дисперсии света в призмах, Фраунгофер в качестве источника света использовал свечу или лампу. При этом он обнаружил в спектре яркую желтую линию, известную теперь как желтая линия натрия. Вскоре установили, что эта линия находится всегда в одном и том же месте спектра, так что ее очень удобно использовать для точного измерения показателей преломления. Фраунгофер открыл сотни таких линий и внимательно их исследовал. Наиболее резко выраженные линии он обозначил большими и малыми буквами латинского алфавита (А, В. Z, а, b. ) и зафиксировал их постоянное положение в спектре, ясно понимая их значение для измерения показателей преломления. Он установил, что линия D солнечного спектра находится в том же положении, что и яркая линия натрия в спектре лампы. Его спектроскоп состоял из коллиматора, призмы и зрительной трубы, т. е. по существу из тех же элементов, что и современные спектроскопы. Фраунгофер направил спектроскоп на Венеру и обнаружил, что свет этой планеты содержит те же темные линии, что и солнечный спектр. Исследование спектра электрических искр позволило обнаружить большое число ярких линий. Заслугой Фраунгофера является введение решеток для исследования спектров. Фраунгофер изготовлял решетки из тончайших близко расположенных параллельных нитей или же наносил на стеклянной пластинке параллельные штрихи алмазом. Изготовление решетки требует большого искусства, потому что для получения спектра необходимо, по крайней мере, 40 линий на миллиметре поверхности. Фраунгоферу удалось изготовить решетки, содержащие свыше 300 линий на миллиметре. Объектом исследований Фраунгофера был солнечный свет. В 1814 г. учёный обнаружил на непрерывном солнечном спектре отчётливые тёмные линии. Такие же линии он увидел и в спектрах Венеры и Сириуса, а также искусственных источников света. Но линии эти стали называться Фраунгоферовы линии, а сам спектр — Фраунгоферовым спектром.

Спектроскопом называют настольный прибор, с помощью которого вручную рассматривают участки различных спектров и первым создателем спектроскопа считают немецкого физика Йозефа Фраунгофера. Спектроскопическая установка, созданная им, представляла собой щель в ставне, через которую солнечный свет падал на призму Спектроскоп, который способен регистрировать спектр для его дальнейшего анализа с помощью различных методов, называется спектрометром. Если окуляр спектроскопа заменить регистрирующим прибором, то получится спектрограф.

Спектрометры способны исследовать спектры в широком диапазоне волн: от гамма до инфракрасного излучения.

Конечно, современные спектроскопы отличаются от своих предков. И хотя они имеют множество модификаций, функции их остались прежними.

Спектроскоп — основной инструмент спектроскопии. Без спектроскопа не могут обойтись химики и астрономы. С помощью спектроскопа можно определить химический состав вещества, структуру поверхности, физические параметры объекта, исследовать космические объекты, находящиеся от нас на громадных расстояниях. Метод спектрального анализа определяет незначительное содержание химического элемента в составе сложного вещества и возможность применения этого метода в тех случаях, когда другими методами нельзя исследовать химический состав вещества. В связи со своей универсальностью и простотой в применении спектральный анализ используется почти во всех областях человеческой деятельности: промышленности, медицине, геологии, химии, судебной практике, экологии, космологии.

2.3. Получение сплошного спектра

Веками белый цвет считался цветом, символизирующий чистоту. Кажется, что связывать белый свет с чистотой – правильно. Белый – это цвет главного источника естественного освещения, нашего солнца, когда оно стоит высоко в небе. Белыми мы видим наиболее яркие поверхности – такие как снег, который лучше всего отражает солнечный свет. Но научный анализ говорит нам о другом. Свой первый спектроскоп создали и мы. Для эксперимента необходимы кусок картона, обычный стакан с водой и белая бумага.

1. Прорежем в картоне длинную узкую щель
2. На солнечном месте поставим на белую бумагу стакан, а между ним и Солнцем – картон со щелью.

Рисунок 1 Спектр Солнца

Рисунок 2 Сплошной спектр Солнца

Можно увидеть, что солнечные лучи, проходя через щель, а затем через воду в стакане, разлагаются на разные цвета (на бумаге появится последовательность цветовых полосок).

Примерно так же школьный спектроскоп дает спектры излучения далеких светил.

Рисунок 3 Школьный спектроскоп Рисунок 4 Спектр Солнца на экране

В следующем опыте узкий параллельный пучок белого света направляли на боковую грань трехгранной стеклянной призмы. На границах раздела воздух – стекло и стекло – воздух свет 2 раза испытывал преломление и пучок света отклонялся от первоначального направления распространения. При этом свет после прохождения призмы разлагался в веер пучков света разного цвета, от фиолетового до красного.

Разложение пучка белого света стеклянной призмы показывает, что для света с разной частотой показатели преломления вещества оказываются различными. Наибольшее преломление испытывают лучи фиолетового света, наименьшее – лучи красного света.

Абсолютный показатель преломления света обратно пропорционален скорости его распространения в веществе, скорость света в вакууме, как показали опыты, одинаково для света с любой частотой. Поэтому можно сделать вывод, что фиолетовый свет, имеющий наибольший абсолютный показатель преломления распространяется в прозрачном веществе с наименьшей скоростью, а

красный свет, имеющий наименьший абсолютный показатель преломления, распространяется в веществе с наибольшей скоростью.

При спектральном разложении белого света от Солнца или от нагретых до высокой температуры твердых или жидких тел между пучками света разного цвета нет темных промежутков, один свет плавно переходит в другой. Это доказывает, что Солнце или нагретое твердое тело испускает электромагнитные волны всех возможных частот. Излучение, состоящее из электромагнитных волн всех возможных частот без пропусков, называется излучением со сплошным спектром.

Цвета спектра, в которые белый свет предварительно разложен при помощи призмы, могут быть вновь собраны в белый свет с использованием второй призмы. Если собирается не весь спектр, а только его часть, то на выходе получится не белый свет, а смесь тех цветов, которые прошли через всю оптическую систему. В случае, когда источником света служит естественный свет солнца и экспериментатор отсекает синюю часть спектра, то в выходящем свете преобладает зеленый. Если позволить достигать второй призмы лишь узкому диапазону спектральных лучей.

Суть эксперимента в том, что с помощью второй призмы можно обратить разделение лучей и вернуться к белому свету, неотличимому по своим свойствам от того солнечного света, который был изначально. Как видно на картинке, можно поступить и иначе, скомбинировав вновь только часть спектра. Тогда мы получаем лучи промежуточных цветов, но не белого цвета. Таким образом, призма выполняет анализ входящего в нее белого света.

Подведем итог всему сказанному

1. Изучив литературу, мы узнали, что свет распадается на спектр.

2. Опытным путем получили, что фиолетовый свет, имеющий наибольший абсолютный показатель преломления распространяется в прозрачном веществе с наименьшей скоростью, а красный свет, имеющий наименьший абсолютный показатель преломления, распространяется в веществе с наибольшей скоростью.

3. Мы убедились в том, что спектр Солнца сплошной.

4. Мы сделали первые шаги в изучении спектрального анализа и его применении.

Источник