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:
- 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.
- 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.
- 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
Естественное освещение
Единственным источником естественного освещения является солнце.
Оно излучает прямой солнечный свет, часть которого рассеивается в атмосфере и создает рассеянное излучение. Таким образом, различают свет, падающий непосредственно от солнца и свет «неба» — солнечного света рассеянного атмосферой.
Естественное освещение меняется в зависимости от времени дня, состояния погоды и времени года. Главная особенность естественного освещения — непостоянство интенсивности и спектрального состава его излучения. Изменение освещенности подвержено влиянию закономерных и случайных факторов.
Закономерные факторы, влияющие на изменчивость естественного освещения — высота солнца над горизонтом и географическая широта. Случайные факторы определяются состоянием атмосферы — ясно, дождь, туман. Случайным дополнительным фактором является отражение света от земли и окружающих предметов.
С восходом солнца увеличивается интенсивность света и его цветовая температура . Примечателен тот факт, что в силу преломления солнечных лучей в атмосфере мы видим восход солнца несколько раньше, а закат — чуть позже, чем это имеет место в действительности. Расчеты показывают: когда мы видим, что нижний край Солнца коснулся горизонта, в действительности оно уже зашло.
Лучи, входящие в состав солнечного света, фиолетовые, синие, голубые и зеленые, преломляются в атмосфере Земли сильнее, чем желтые и красные. Поэтому первые лучи при восходе Солнца — синий и зеленый, так же как и последний луч заходящего солнца.
Из-за рассеивания в атмосфере синий луч не наблюдается. Зеленый луч — редкое зрелище. Его удается увидеть при очень чистом, спокойном и однородном воздухе, когда вплоть до горизонта отсутствуют конвекционные восходящие потоки в атмосфере. Чаще всего зеленый луч наблюдают на берегу спокойного моря.
Спектральная характеристика естественного освещения
Фазы дневного освещения
Цветовая температура излучения, К
Прямые солнечные лучи при восходе и заходе солнца
Прямой солнечный свет через час после восхода солнца
Прямой солнечный свет ранним утром и в предвечернее время
Солнечный свет в полдень летом
Рассеянный дневной свет в тени летом
Рассеянный дневной свет в пасмурную погоду
Свет от голубого неба
Данные приведены для средней полосы (широта 55°)
В зависимости от высоты солнца над горизонтом естественное освещение делится на периоды эффективного, нормального и зенитного освещения.
Период эффективного освещения характеризуется малой освещенностью и большим содержанием оранжево-красных лучей в естественном свете. При восходе и закате они равноценны свету ламп накаливания (см. табл. 1.2). Их цветовая температура составляет 3000. 3200°К.
Благоприятным для глаз является период нормального освещения. В это время плавно изменяется освещенность и незначительно изменяется спектр естественного освещения.
Период зенитного освещения характеризуется наибольшей разницей освещения горизонтальных и вертикальных поверхностей. Он неприятен для глаз из-за высокого контраста между освещенными участками и освещенностью в тенях. Высокий контраст при зенитном освещении наиболее остро ощущается в южных широтах.
Освещенность земной поверхности в различные периоды года и часы дня, %
Время суток, час
Данные приведены для средней полосы (широта 55°)
В безоблачную погоду, при отсутствии дымки, колебания освещенности, связанные с влиянием атмосферных факторов, невелики. Относительные средние характеристики естественного освещения в безоблачную погоду в зависимости от времени суток приведены в табл. 1.3.
На характер естественного освещения значительное влияние оказывает состояние атмосферы — густота облаков, их высота и расположение по отношению к солнцу, дымка, туман, дождь, снег. При этом изменяется освещенность объектов, контрастность и спектральная характеристика света.
Например, при наличии кучевой облачности освещенность незатененных объектов, освещенных солнцем, увеличивается на 25%, а освещенность в тени возрастает в два с половиной раза. Контрастность освещения снижается приблизительно в два раза в сравнении с освещением в безоблачную погоду. При сплошной облачности наблюдается значительное уменьшение освещенности и контрастности освещения.
С восхождением солнца постепенно увеличивается не только интенсивность света, но и его цветовая температура. Взвешенные в воздухе частицы меньше рассеивают лучи коротковолновой части спектра — фиолетовых, синих и голубых. Увеличение доли синих лучей приводит к расширению коротковолновой части спектра и, следовательно, к увеличению цветовой температуры дневного освещения.
Цветовая температура — это мера объективного впечатления от цвета данного источника света. По определению, цветовой температурой характеризуются источники света с непрерывным спектром излучения, которые излучают свет от нагретого тела.
Зимнее и летнее время
Рис. 1.6. Изменение светлого и темного времени суток в течение года для широты 50°
Человек стремится вставать с рассветом, чтобы максимально использовать световой день. Отсюда берет начало идея летнего и зимнего времени, по которому сейчас живут во многих странах мира. Совмещение времени бодрствования со светлыми часами суток позволяет экономить потребление электроэнергии: весной стрелки часов, идущих по поясному времени, переводят на час вперед, а осенью ставят опять по поясному времени.
На рис. 1.6 показано изменение светлого и темного времени суток в течение года для широты 50° (широта Киева). Границей между светлым и темным временем принято считать начало или конец так называемых гражданских сумерек, то есть времени, когда Солнце опустилось за горизонт на 6°. По вечерам к этому моменту на улицах города следует включать освещение. На графике указано солнечное истинное время.
Среднестатистический человек встает в 7 утра и ложится в 23 часа по местному времени. На графике время бодрствования такого человека отмечено двумя горизонтальными пунктирными линиями. Начиная с марта, он встает после рассвета. Переводя часы вперед, его заставляют вставать раньше (сплошные горизонтальные линии). Это оправдано тем, что он будет вставать в светлое время суток, и расходовать меньше электроэнергии на освещение.
Возвращение на зимнее время в октябре к экономии электроэнергии не приводит. Как оказалось, это делается исключительно для того, чтобы зимой люди не вставали много раньше восхода Солнца. Поэтому переход на зимнее время представляется не оправданным.
Рационально вернуться к декретному времени, отказаться от ежегодного перевода часов и жить при неизменном отсчете, который будет отличаться на один час вперед в сравнении с поясным временем. Такой ритм жизни, с биологической точки зрения, наиболее благоприятен для человека.
Источник