Солнце как источник освещения

Атмосферная оптика является одной из наиболее древних наук. Она зародилась тысячелетия назад в процессе наблюдения человеком окружающей природы. И началась атмосферная оптика с небесного свода, поскольку все, что мы видим в атмосфере, мы мысленно относим на небесный свод как на экран. Мы не в состоянии зрительно оценить расстояние до явлений, наблюдаемых на небосводе. Мы не чувствуем, что Солнце много дальше от Земли, чем Луна, что одни созвездия ближе, а другие дальше, что полярные сияния значительно выше, чем радуги и т. п. С древнейших времен люди следили за движением по небосводу Солнца, Луны, созвездий, за перемещением облаков, появлением световых кругов вокруг Солнца и Луны и другими явлениями. Внимание человека всегда привлекали красочные зори, сопровождающие восходы и заходы Солнца, яркие радуги, неуловимая игра красок в полярных сияниях. Появление миражей удивляло, а затмения Солнца и Луны, сложные формы гало в виде нескольких солнц на небосводе одновременно, кругов и крестов долгое время наводили суеверный страх, служили дурным предзнаменованием.

Каких только световых явлений не демонстрировала Природа на небесном своде из своих неисчерпаемых запасов! Многие из них долгое время оставались загадками небесного свода. Но когда их удавалось разгадать, Природа загадывала новые!

Прежде чем приступить к разгадыванию старых и новых загадок небесного свода, мы должны познакомиться с главным их „виновником» солнечным светом. Это его лучи, проходя через атмосферу и взаимодействуя с нею, порождают многочисленные световые явления.

Мы живем в мире солнечного света. Солнце — главный источник энергии на Земле и главный источник освещения земной поверхности. Без Солнца Земля была бы темной планетой, так как у нее нет сколько-нибудь значительных собственных источников освещения. Действительно, на Земле светятся жуки-светляки и другие наземные и морские животные, светятся гнилушки за счет микроорганизмов, вызывающих гниение. Небольшое количество света испускает атмосфера в виде ночного свечения, которое происходит повсюду на земном шаре. Более интенсивное свечение в виде полярных сияний наблюдается в полярных районах. Кратковременно Земля освещается молниями и более длительно — светом, сопровождающим извержения вулканов. Роль всех перечисленных источников в освещении земной поверхности в сравнении с солнечным светом ничтожно мала, к тому же во всех них реализуется накопленная солнечная энергия.

Что же представляет собой наше Солнце? Это огромный газообразный шар радиусом 695500 км. Масса Солнца составляет 1,98·10 30 кг. Средняя плотность солнечной материи немного больше плотности воды и равна 1,4 г/см³.

Земля вращается вокруг Солнца по эллиптической орбите. Среднее расстояние Земли от Солнца равно 149500000 км, округленно 1,5·10 11 м. Это расстояние называют астрономической единицей (а. е.). Оно принято в качестве основной единицы для измерения расстояний в Солнечной системе. На самом большом удалении от Солнца (1,067 а. е.) Земля находится 4 июля. Эта точка орбиты Земли называется афелием . На самом маленьком удалении от Солнца (0,983 а. е.) Земля находится 3 января. Эта точка орбиты называется перигелием . Видимый угловой диаметр солнечного диска составляет 32′, телесный угол, под которым мы его видим с Земли, составляет 6,8·10 -5 стерадиана.

Непрозрачная внешняя светящаяся поверхность солнечного шара называется фотосферой . Она испускает основной поток солнечной энергии. Большая яркость фотосферы — мы не можем смотреть на Солнце незащищенным глазом — обусловлена высокой температурой ее поверхности, составляющей около 6000 К. Над фотосферой расположены хромосфера , простирающаяся до высоты 10000—15000 км, и солнечная корона . Последняя представляет собой почти полностью ионизированный газ (его называют плазмой ). Солнечная корона простирается до земной орбиты. Мы живем, таким образом, в солнечной короне.

Солнце излучает радиацию в широком диапазоне длин волн. 99% его энергии заключено в интервале 0,10—4 мкм. Солнечный спектр делят на три части: ультрафиолетовую (УФ) область с длинами волн короче 0,39 мкм, видимую, или световую, часть спектра с длинами волн от 0,39 до 0,76 мкм и инфракрасную (ИК) область с длинами волн более 0,76 мкм. Распределение солнечной энергии между этими тремя областями следующее: на УФ-область приходится около 9%, на видимую —47% и на ИК-область — 44%.

Общее количество солнечной радиации, поступающее в единицу времени на единичную площадку на внешней границе атмосферы, перпендикулярную солнечным лучам, при среднем расстоянии Земли от Солнца называют солнечной постоянной . Значение солнечной постоянной определялось тщательными измерениями на протяжении длительного времени, сейчас оно принято равным 1370 Вт/м². Это означает, что на каждый квадратный метр поверхности, перпендикулярной солнечным лучам и удаленной от Солнца на 1 а. е., падает 1370 Вт солнечной энергии.

Световые явления, описанные в данной книге, создаются не всем солнечным потоком, а только его световой частью. Электромагнитные волны не только от Солнца, но и от любого другого источника, длины которых заключены между 0,39 и 0,76 мкм, как известно, обладают особыми свойствами: попадая в глаз человека, они вызывают ощущение света . Поэтому их и назвали световыми или видимыми. Подробнее свойства световых потоков и их характеристики будут рассмотрены в главе 8.

Световое излучение любого источника света характеризуется специальными световыми величинами , для измерения которых применяются световые единицы . Приведем основные световые характеристики Солнца. Начнем с освещенности.

Световой поток солнечных лучей, поступающий на внешнюю границу атмосферы, создает там освещенность на площадке, перпендикулярной лучам, равную 135000 лк. Эту освещенность назвали световой солнечной постоянной или заатмосферной освещенностью . Обозначим ее Е ₀ .

Все световые характеристики связаны между собой определенными простыми соотношениями. Например, освещенность Е связана с силой света I зависимостью:

Отсюда, зная Е ₀ , создаваемую Солнцем на расстоянии L = 1 а. е., вычислим силу света Солнца I:

Яркость солнечного диска составляет 2·10 9 кд/м². Вычислим общий световой поток F, испускаемый Солнцем во всевозможные направления с одинаковой силой света I. Учитывая, что полный телесный угол равен стерадиан, получим:

Общий поток энергии Ф, излучаемой Солнцем во всех длинах волн в окружающее пространство, составляет 3,9·10 26 Вт. Солнечные лучи несут с собою солнечную массу. Дошедшая до Земли солнечная энергия — это часть массы Солнца. Чтобы нагляднее представить себе, насколько велик общий поток энергии, излучаемой Солнцем каждую секунду, подсчитаем, какую массу теряет Солнце за счет излучения потока в 3,9·10 26 Вт. Для решения воспользуемся формулой, связывающей полную энергию тела или системы Ф с его массой m:

(1.2)

Здесь с — скорость света в пустоте, равная 3·10 8 м/с. Отсюда

Таким образом, Солнце «худеет» каждую секунду на 4,3 млн. т!

Однако масса Солнца настолько велика (1,98·10 30 кг), что для него такая потеря совсем неощутима. Из 4,3 млн. т массы, излучаемой Солнцем в окружающее пространство, на земную поверхность падает (на половину Земли, освещенную Солнцем) всего около 1,9 кг. Вот из этих 1,9 кг солнечной массы и черпается энергия на все процессы, протекающие в атмосфере и на земной поверхности!

Источник

Естественный свет: как использовать то, что дает нам солнце

Если вы только начинаете работать в мире фотографии и не можете пока что позволить себе современные осветительные приборы, естественный свет станет вашим лучшим другом. Кроме того, чтобы стать продвинутым и профессиональным фотографом, очень важно изначально понимать, как лучше всего работать с солнцем, чтобы создавать прекрасные фотографии, используя только солнечный свет.

Photo by Pasi Hotti, GuruShots Master, Minimalist B&W Challenge

Время суток

Самое важное, что нужно понимать при использовании естественного света — это то, что очень многое зависит от времени суток во время съемки. Температура света и его интенсивность отличаются в зависимости часа, когда происходит фотографирование, что может существенно повлиять на всю работу в целом. Если вы ищете мягкий и приятный свет, который подчеркивает цвета пейзажей или отдельных объектов съемки, лучшее время для вас — на рассвете или закате. Обычно это считается лучшим временем для съемок, потому что солнце находится низко на небе, что может создать эффектное освещение (всеми любимый золотой час).

James Swartz, гуру GuruShots, Favortie Time of Day challenge

Если вы ищете сильные и резкие тени, контрастное изображение, рассмотреть нужно съемку среди бела дня. И, тем не менее, этот свет может быть слишком интенсивным, поэтому в арсенале фотографа должен быть лайт-диск для смягчения нежелательных теней, особенно когда речь идет о портретной фотографии.

Третий вариант съемки — во время «синего часа». Это особое время суток сразу после захода солнца или непосредственно перед его восходом. В это время дня солнце находится прямо за горизонтом и по-прежнему обеспечивает освещение картины, хотя и уже намного мягче. Эти мягкие цветовые тона могут подарить новый взгляд на пейзаж.

Создание теней

Объекты в вашем пейзаже с интересными и уникальными формами могут создавать мощные тени. Используйте для этих целей все, что находится поблизости. Это может особенно хорошо работать при съемке черно-белой пейзажной фотографии. Контраст, который обеспечивают тени, придает картине глубину и создает интерес. Если вам нужны как можно более драматичные тени на снимке, лучшее время дня для такой съемки — полдень, ведь именно тогда контраст между светом и тенями самый высокий.

Где снимать

Когда вы работаете с солнцем как с единственным источником освещения, важно решить, хотите ли вы снимать прямо на солнце или использовать солнце для выделения своего объекта на фотографии. Солнце может светить непосредственно на объект съемки, что может создать яркий и теплый вид (снова-таки, в зависимости от времени суток, когда вы снимаете).

Если вы решите проводить съемку прямо на свету, будьте готовы, что ваш объект на изображении будет иметь резкие тени или ярко насыщенный силуэт при съемке в контражуре.

Самый ходовой и хорошо работающий способ съемки в той же пейзажной фотографии, например, боковое освещение. В этом случае получаются прекрасные драматические тени, а также хорошо передаются цвета и четкая детализация.

James Swartz, мастер GuruShots, Minimalist B&W Challenge

Снимайте в любую погоду

Почему-то считается, что в дождливую, пасмурную или ветреную погоду нежелательно снимать пейзаж. Довольно ошибочное заблуждение! Это время может подарить самые впечатляющие фотографии! Хотя солнечного света будет не так уж и много, чтобы помочь вам с освещением, пасмурная погода поможет получить необходимые эффекты для придания мистической атмосферы кадру.

Используйте туман, тени и облака в своих интересах, чтобы получать многослойность и, соответственно определенную глубину в пейзаже, который бы в других условиях выглядел просто и плоско. Облака могут выступать в качестве естественного софтбокса, помогающего рассеивать освещение в условиях с резким освещением. Хотя цвета пейзажа будут разниться при полном солнечном освещении, они все равно остаются такими же сочными, когда солнце светит сквозь тучи в облачную погоду.

В пейзажной фотографии, в классических условиях, иногда единственным источником света является предоставленный вам естественный свет от солнца. Учитесь использовать его на все сто, чтобы не оставалось никаких секретов и загадок и вы всегда смогли сделать ту самую отличную фотографию.

Источник

Солнце как источник освещения

Формирование Солнечной системы

Солнечная система сформировалась приблизительно 5 миллиардов лет назад в результате сжатия газово-пылевого облака, размеры её весьма внушительны: диаметр орбиты самой дальней карликовой планеты Плутон составляет 15 триллионов километров, световой луч преодолевает их за 11 часов. А между тем солнечная система составляет лишь очень малую часть нашей Галактики — млечного Пути, чей диаметр около 100 тысяч световых лет. Мы, земляне, живём практически на полпути от центра Галактики до её края — 27 тысяч световых лет в обе стороны.

Что такое Солнце?

Cолнце — единственная звезда и центральное тело солнечной системы — вращается вокруг галактического центра со скоростью 220 км/с и совершает полный оборот за 226 миллионов лет — столько времени длится галактический год. По сравнению с земным годом — 365 дней размеры Галактики представляются просто грандиозными. Солнце – это небесное тело – источник света, тепла и жизни на Земле.

По своей структуре Солнце представляет собой огромный газовый шар, внутри и на поверхности которого уже на протяжении миллиардов лет сохраняется предельно высокая температура. На Солнце постоянно происходит процесс преобразования водорода в гелий.

Этот процесс ученые называют термоядерной реакцией. Водород составляет 74% от массы солнечного ядра, гелий – 25% от этой массы. При преобразовании одного химического элемента в другой частички водорода объединяются в более тяжелые частички, и одновременно высвобождается большое количество энергии в виде тепла и света.

Из-за высокой температуры частицы газов на Солнце – ядра атомов и свободные электроны – движутся с сумасшедшей скоростью. В каждом ядре атома есть частицы, называемые протонами и нейтронами. Протоны имеют положительный электрический заряд, нейтроны же заряда не имеют. Атомы различных элементов отличают друг от друга по количеству протонов и нейтронов, которые служат своеобразными «кирпичиками» для построения. В каждом ядре атома водорода содержится один протон, в атоме гелия – два протона и два нейтрона.

Когда четыре ядра водорода соединяются вместе, они образуют одно ядро гелия, фотоны и прочие мелкие частицы. Именно фотоны и представляют собой свет, разлетающийся во все стороны. По подсчетам ученых, каждую секунду в солнечном ядре в лучистую энергию превращается около четырех миллионов тонн вещества. Эта энергия рассеивается в космосе и достигает Земли. Стоит отметить, что вблизи солнечного ядра температура составляет около 14-ти миллионов градусов, а мощность излучения, доходящего до нашей планеты, составляет приблизительно 1000 ватт на квадратный метр поверхности.

Гелиоцентрическая система Коперника

Солнце по-гречески называется Гелиос. Греки считали, что Гелиос живёт на востоке в прекрасном дворце, окружённом временами года — летом, зимой, весной и осенью. Когда утром Гелиос выезжает из своего дворца, звёзды гаснут, ночь сменяется днём. Звёзды вновь появляются на небе, когда вечером Гелиос исчезает на западе, где он пересаживается из колесницы в прекрасную лодку и переплывает море к месту восхода.

В Древней Руси тоже поклонялись богу Солнца. Его называли Ярило и в честь него каждый год весной устраивали празднества и гулянья.

На протяжении очень долгого времени люди считали, что в центре Вселенной покоится неподвижная Земля, а вокруг неё движутся все небесные тела, включая Солнце. (Такая модель называется геоцентрической: греческое слово «geo» означает «Земля».) У астрономов возникала масса трудностей в изучении движения звёзд и планет. Получалось, что они движутся по замысловатым траекториям, выделывая сложные петли и зигзаги.

Но вот, наконец, в XVI веке польский астроном Николай Коперник разработал гелиоцентрическую систему мира. В её основе лежали следующие утверждения:

1) в центре мира находится не Земля, а Солнце;

2) Земля вращается вокруг своей оси;

3) Земля, как и все другие планеты, обращается вокруг Солнца по окружности.

С открытием Коперника всё встало на свои места: стало понятно, как движутся планеты вокруг Солнца, и нашло объяснение видимое движение Солнца среди звёзд. Солнце удерживает своим притяжением планеты и их спутники, астероиды, метеориты и прочие тела, которые вращаются вокруг него в одном направлении по эллиптическим орбитам. Самой большой угловой скоростью обладает ближайшая к Солнцу планета Меркурий — она совершает полный оборот вокруг Солнца всего за 88 земных суток; самая удалённая планета Нептун — за 165 лет. Между ними расположились Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн и Уран. Плутон, открытый в 1930 году, считался планетой до 24 августа 2006 года. В тот день на основании результатов последних исследований Международный астрономический союз лишил его этого статуса.

Почему Солнце светит и греет

Солнце находится на расстоянии 150 миллионов километров от Земли. Несмотря на такую в буквальном смысле слова космическую дистанцию, все жизненно важные процессы на нашей планете зависят именно от Солнца.

Мы бы не могли существовать, если бы Солнце вдруг перестало светить и греть. Наша планета стала бы холодной и мертвой. На Земле стало бы так холодно, что замёрзла бы не только вода в реках, морях и океанах, но даже и воздух, которым дышат люди, животные и растения. Солнечное излучение поддерживает жизнь на Земле, влияет на погоду и климат, участвует в фотосинтезе.

А светит и греет Солнце потому, что оно очень горячее: у поверхности — почти 6 тысяч градусов, а в центре — 15 миллионов градусов. При такой температуре железо и другие металлы не просто плавятся, а превращаются в раскалённые газы. Значит, Солнце — огромный, массивный шар, состоящий из раскалённого газа. На самом деле, на Солнце не могут существовать даже крохотные частички — атомы, из которых вообще состоит всё живое и неживое в природе. Атомы, очень прочные на Земле, на Солнце расщепляются на ещё более мелкие частицы. Каждую секунду в энергию превращается 4,26 миллиона тонн солнечного вещества, но это ничтожное количество по сравнению с массой Солнца. Даже на огромном расстоянии Солнце может растопить льды, поднять температуру воды в реках и морях, согреть или остудить Землю — оно может всё!

Каким же образом внутри Солнца всё время поддерживается температура в миллионы градусов? Это очень сложный и важный вопрос, над которым долго размышляли многие астрономы и физики. Сейчас почти все они не сомневаются в том, что в центральной части Солнца идут термоядерные реакции, в результате которых водород превращается в гелий. Причём плотность вещества там в 150 раз больше плотности воды и в 7 раз больше плотности самого тяжёлого металла на Земле — осмия. Такой необыкновенный «костёр» пылает внутри Солнца миллиарды лет. И пока он там пылает, Солнце будет посылать свет и тепло каждому из нас и всему живому на Земле. Многие задаются вопросом: что произойдет, когда потухнет Солнце? Ученые отвечают: в скором будущем такого поворота опасаться не стоит. Солнце может потухнуть только после того, как растратит весь имеющийся на нем водород, и процесс его трансформации в гелий прекратится. Но за все время существования Солнечной системы в гелий превратилось меньше половины имеющегося на Солнце водорода. А значит, Солнце будет светить и греть еще очень долго.

Наблюдения людей за Солнцем

Первым астрономическим инструментом для наблюдений за Солнцем была обыкновенная палка. Ею пользовались когда-то древние астрономы. Палка — инструмент, конечно, очень простой, но если воткнуть её вертикально в землю, то можно наблюдать за тенью, которую она отбрасывает, когда освещается Солнцем. В астрономии её называют «гномон». Чем выше поднимается Солнце, тем короче тень от гномона. Самая короткая тень бывает в полдень, когда Солнце находится на юге, в наиболее высокой точке своего пути.

Люди придумали разные способы, с помощью которых можно определить расстояние до небесных тел — Луны, Солнца, звёзд. Для этого потребовались и математика, и очень точные измерительные приборы, и многое другое. Но самым главным помощником в определении расстояния до звёзд и планет стал световой луч. Проворнее луча нет ничего, только он может за одну секунду пролететь целых 300 тысяч километров. Например, световой луч от Солнца достигает Земли за 8 минут 20 секунд и пролетает за это время почти 150 миллионов километров — именно на таком расстоянии от Солнца находится наша Земля. +Вообразить себе 150 миллионов километров очень трудно, в обычной жизни людям с такими расстояниями не приходится иметь дело. Если человек отправляется из Москвы в Санкт-Петербург, ему предстоит проехать или пролететь всего около 700 километров. Тысячи километров отделяют Москву от Владивостока. Десятки тысяч километров потребуется преодолеть, чтобы совершить кругосветное путешествие. Конечно, быстрее всех Землю облетали космонавты. Например, Юрий Алексеевич Гагарин — первый в мире космонавт — облетел Землю за 108 минут с первой космической скоростью — 8 км/с. А до Солнца даже при второй космической скорости — 11,2 км/с — пришлось бы лететь несколько месяцев.

Когда люди узнали, на каком расстоянии от Земли находится Солнце, они поняли, что оно очень большое. С чем же сравнить Солнце, чтобы понять, как оно велико? Наверное, лучше всего — с Землёй, на которой мы живём. Попробуем вообразить себе большущий пустой шар такой величины, как Солнце, и много «маленьких» шариков размером с Землю. Сколько же «маленьких» шариков поместится в одном большом? Оказывается, 1 миллион 300 тысяч! Диаметр Земли — 12 756,2 километра, а Солнца — в 109 тысяч раз больше. В Солнце сосредоточено около 99,8 процента массы всех тел Солнечной системы, вместе взятых, — это приблизительно 2 • 1027 тонн.

Почему происходят затмения Солнца

Нам часто приходится наблюдать, как в ясный солнечный день тень от облака, подгоняемого ветром, пробегает по Земле и достигает того места, где мы находимся. Облако скрывает Солнце. Во время солнечного затмения Луна проходит между Землей и Солнцем и скрывает его от нас. +Наша планета Земля вращается в течение суток вокруг своей оси, одновременно движется вокруг Солнца и за год делает полный оборот. Луна — спутник нашей Земли — движется вокруг Земли и полный оборот совершает за 27,3 суток. Взаимное расположение всех трех небесных тел все время меняется. При своем движении вокруг Земли Луна оказывается между Землей и Солнцем. Луна — темный непрозрачный твердый шар, она, словно громадная заслонка, закрывает собой Солнце.

Солнечное затмение может наступить только во время новолуния, когда Луна обращена к Земле темной неосвещенной стороной. Луна, по сравнению с Солнцем, ближе к нам почти в 400 раз, и в то же время ее диаметр меньше диаметра Солнца также приблизительно в 400 раз. Поэтому видимые размеры Солнца и Луны почти одинаковые, и Луна, таким образом, может закрыть Солнце.

Расстояния Солнца и Луны от Земли не остаются постоянными, а слегка изменяются, так как орбиты Земли вокруг Солнца и Луны вокруг Земли не окружности, а эллипсы. В связи с этим солнечные затмения бывают полными, когда Луна целиком закрывает Солнце, или кольцеобразными, когда Луна от Земли в наибольшем удалении и лунный диск меньше солнечного. Если Луна проходит не посередине Солнца, а по краю, говорят, что это частичное затмение.

Тень, которую Луна отбрасывает на Землю, движется по поверхности Земли со скоростью 1 км/с, т.е. быстрее ружейной пули. Поперечник теневого пятна менее 270 км. +Полоса солнечного затмения очень мала по сравнению с площадью поверхности Земли, Вокруг пятна тени располагается область полутени, она значительно больше (6—7 тыс. км). Здесь наблюдается частичное затмение.

Источник