Солнце - источник света и тепла, в котором нуждается все живое на Земле. Но помимо фотонов света, оно излучает жесткую ионизирующую радиацию, состоящую из ядер и протонов гелия. Почему так происходит?
Причины возникновения солнечного излучения
Солнечная радиация образуется в дневные часы во время хромосферных вспышек - гигантских взрывов, происходящих в атмосфере Солнца. Часть солнечного вещества выбрасывается в космическое пространство, образуя космические лучи, главным образом состоящие из протонов и небольшого количеств ядер гелия. Эти заряженные частицы спустя 15-20 минут после того, как солнечная вспышка становится видимой, достигают поверхности земли.
Воздух отсекает первичное космическое излучение, порождая каскадный ядерный ливень, который затухает с понижением высоты. При этом рождаются новые частицы - пионы, которые распадаются и превращаются в мюоны. Они проникают в нижние слои атмосферы и попадают на землю, зарываясь вглубь до 1500 метров. Именно мюоны отвечают за образование вторичного космического излучения и естественной радиации, воздействующей на человека.
Спектр солнечного излучения
Спектр солнечного излучения включает как коротковолновые, так длинноволновые области:
- гамма-лучи;
- рентгеновское излучение;
- УФ-радиацию;
- видимый свет;
- инфракрасную радиацию.
Свыше 95% излучения Солнца приходится на область «оптического окна» - видимого участка спектра с прилегающими областями ультрафиолетовых и инфракрасных волн. По мере прохождения через слои атмосферы действие солнечных лучей ослабляется - вся ионизирующая радиация, рентгеновские лучи и почти 98% ультрафиолета задерживаются земной атмосферой. Практически без потерь до земли доходит видимый свет и инфракрасное излучение, хотя и они частично поглощаются молекулами газов и частицами пыли, находящимися в воздухе.
В связи с этим, солнечное излучение не приводит к заметному повышению радиоактивного излучения на поверхности Земли. Вклад Солнца вместе с космическими лучами в формирование общей годовой дозы облучения составляет всего 0,3 мЗв/год. Но это усредненное значение, на самом деле уровень падающего на землю излучения различен и зависит от географического положения местности.
Где солнечное ионизирующее облучение сильнее?
Наибольшая мощность космических лучей фиксируется на полюсах, а меньше всего - на экваторе. Связано это с тем, что магнитное поле Земли отклоняет к полюсам заряженные частицы, падающие из космоса. Кроме этого, излучение усиливается с высотой - на высоте 10 километров над уровнем моря его показатель возрастает в 20-25 раз. Активному воздействию более высоких доз солнечной радиации подвергаются жители высокогорий, поскольку атмосфера в горах тоньше и легче простреливается идущими от солнца потоками гамма-квантов и элементарных частиц.
Важно. Серьезного воздействия радиационный уровень до 0,3 мЗв/ч не оказывает, но при дозе 1,2 мкЗ/ч рекомендуется покинуть район, а случае крайней необходимости находится на его территории не более полугода. При превышении показаний вдвое следует ограничить пребывание в этой местности до трех месяцев.
Если над уровнем моря годовая доза космического облучения составляет 0,3 мЗв/год, то при повышении высоты через каждые сто метров этот показатель увеличивается на 0,03 мЗв/год. После проведения небольших расчетов можно сделать вывод, что недельный отпуск в горах на высоте 2000 метров даст облучение 1мЗв/год и обеспечит почти половину общей годовой нормы (2,4 мЗв/год).
Получается, что жители гор получают годовую дозу радиации, в разы превышающую норму, и должны чаще болеть лейкозом и раком, чем люди, живущие на равнинах. На самом деле, это не так. Наоборот, в горных районах фиксируется более низкая смертность от этих заболеваний, а часть населения - долгожители. Это подтверждает тот факт, что длительное нахождение в местах высокой радиационной активности не оказывает негативного влияния на организм человека.
Солнечные вспышки - высокая радиационная опасность
Вспышки на Солнце - большая опасность для человека и всего живого на Земле, поскольку плотность потока солнечного излучения может превышать обычный уровень космического излучения в тысячу раз. Так, выдающийся советский ученый А. Л. Чижевский связал периоды образования солнечных пятен с эпидемиями тифа (1883-1917 г) и холеры (1823-1923 г) в России. На основании сделанных графиков он еще в 1930 году предсказал возникновение обширной пандемии холеры в 1960-1962 годах, которая и началась в Индонезии в 1961 году, затем быстро распространилась на другие страны Азии, Африки и Европы.
Сегодня получено множество данных, свидетельствующих о связи одиннадцатилетних циклов солнечной активности со вспышками заболеваний, а также с массовыми миграциями и сезонами бурного размножения насекомых, млекопитающих и вирусов. Гематологи установили увеличение количество инфарктов и инсультов в периоды максимальной солнечной активности. Такая статистика связана с тем, что в это время у людей повышается свертываемость крови, а так как у больных с заболеваниями сердца компенсаторная деятельность угнетена, возникают сбои в его работе вплоть до некрозов сердечной ткани и кровоизлияний в мозг.
Большие солнечные вспышки происходят не так часто - раз в 4 года. В это время увеличивается количество и размер пятен, в солнечной короне образуются мощные коронарные лучи, состоящие из протонов и небольшого количества альфа-частиц. Самый мощный их поток астрологи зарегистрировали в 1956 году, когда плотность космического излучения на поверхности земли увеличилась в 4 раза. Еще одним последствием подобной солнечной активности стало полярное сияние, зафиксированное в Москве и Подмосковье в 2000 году.
Как себя обезопасить?
Конечно, повышенный радиационный фон в горах - не повод отказываться от поездок в горы. Правда, стоит подумать о мерах безопасности и отправиться в путешествие вместе с портативным радиометром, который поможет контролировать уровень радиации и при необходимости ограничить время пребывания в опасных районах. В местности, где показании счетчика показывают величину ионизирующего облучения в 7 мкЗв/ч, не стоит находиться больше одного месяца.
Протуберанец на поверхности
Излучение Солнца, которое известно как солнечный свет, представляет собой смесь электромагнитных волн, от инфракрасных (ИК) до ультрафиолетовых лучей (UV). Оно включает в себя видимый свет, который находится между ИК и УФ в электромагнитном спектре.
Скорость распространения электромагнитных волн
Все электромагнитные волны (ЭМ) распространяются со скоростью приблизительно 3,0х10*8 м/с в вакууме. Пространство не является идеальным вакуумом, оно, на самом деле, содержит частицы в низкой концентрации, электромагнитные волны, нейтрино и магнитные поля. Поскольку, среднее расстояние между Землей и Солнцем более 149,6 млн. км, то требуется около 8 минут, чтобы излучение добралось до Земли. Солнце светит не только в ИК, видимом и УФ диапазоне. В основном, оно выделяет гамма-лучи высокой энергии.
Однако, фотоны гамма-излучения проходят длинный путь до поверхности, они постоянно поглощаются солнечной плазмой и повторно излучаются с изменением своей частоты.
К тому времени, как они добираются до поверхности, фотоны гамма лучей представляют собой ИК, видимый и УФ спектры. Инфракрасное излучение это тепло которое мы ощущаем. Без него и видимого света, жизнь на Земле была бы невозможна. Во время солнечных вспышек, оно также испускает рентгеновские лучи. Когда электромагнитное излучение Солнца достигает атмосферы Земли, часть его поглощается, в то время, как остальное долетает до поверхности Земли.
В частности, УФ излучение поглощается озоновым слоем и повторно излучается в виде тепла, что приводит к нагреву стратосферы.
Наибольшую интенсивность непрерывный спектр имеет в области длин волн 430–500 нм. В видимой и инфракрасной областях спектр электромагнитного излучения Солнца близок к спектру излученияабсолютно 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 α , Н β и Н γ .
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 T = 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 (λ = 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 (λ = 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 (T ~ 10 4 К), расположенной над фотосферой, и короны (T ~ 10 6 К) – внешней оболочки Солнца. Радиоизлучение на метровых волнах возникает в короне, на сантиметровых – в хромосфере.
Поток солнечной радиации, приходящийся на 1 м 2 площади земной границы атмосферы, составляет 1350 Вт. Эту величину называют солнечной постоянной .
Интенсивность прямой солнечной радиации измеряют актинометром . Принцип действия его основан на использовании нагревания зачерченных поверхностей тел, происходящего от солнечной радиации. В термоэлектрическом актинометре Савинова – Янишевского приемной часть радиации является тонкий, зачерченный с наружной стороны диск 1. К диску с электрической изоляцией припаяны спаи термоэлементов 2, другие спаи 3 прикреплены к медному кольцу внутри корпуса и затенены. Под действием солнечной радиации возникает электрический ток в термобатарее, сила которого прямо пропорциональна потоку радиации.
ЛЕКЦИЯ 2.
СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ.
План:
1.Значение солнечной радиации для жизни на Земле.
2. Виды солнечной радиации.
3. Спектральный состав солнечной радиации.
4. Поглощение и рассеивание радиации.
5.ФАР (фотосинтетически активная радиация).
6. Радиационный баланс.
1. Основным источником энергии на Земле для всего живого (растений, животных и человека) является энергия солнца.
Солнце представляет собой газовый шар радиусом 695300км. Радиус Солнца в 109 раз больше радиуса Земли (экваториальный 6378,2км, полярный 6356,8км). Солнце состоит в основном из водорода (64%) и гелия (32%). На долю остальных приходится всего 4% его массы.
Солнечная энергия является основным условием существования биосферы и одним из главных климатообразующих факторов. За счет энергии Солнца воздушные массы в атмосфере непрерывно перемещаются, что обеспечивает постоянство газового состава атмосферы. Под действием солнечной радиации испаряется огромное количество воды с поверхности водоемов , почвы, растений. Водяной пар, переносимый ветром с океанов и морей на материки, является основным источником осадков для суши.
Солнечная энергия - непременное условие существования зеленых растений, превращающих в процессе фотосинтеза солнечную энергию в высокоэнергетические органические вещества.
Рост и развитие растений представляют собой процесс усвоения и переработки солнечной энергии, поэтому сельскохозяйственное производство возможно только при условии поступления солнечной энергии на поверхность Земли. Русский ученый писал: « Дайте самому лучшему повару сколько угодно свежего воздуха, солнечного света, целую речку чистой воды, попросите, чтобы из всего этого он приготовил вам сахар, крахмал, жиры и зерно, и он решит, что вы над ним смеетесь. Но то, что кажется совершенно фантастическим человеку, беспрепятственно совершается в зеленых листьях растений под действием энергии Солнца». Подсчитано, что 1 кв. метр листьев за час продуцирует грамм сахара. В связи с тем, что Земля окружена сплошной оболочкой атмосферы, солнечные лучи, прежде чем достичь поверхности земли, проходят всю толщу атмосферы, которая частично отражает их, частично рассеивает, т. е. изменяет количество и качество солнечного света, поступающего на поверхность земли. Живые организмы чутко реагируют на изменение интенсивности освещенности, создаваемой солнечным излучением. Вследствие различной реакции на интенсивность освещенности все формы растительности делят на светолюбивые и теневыносливые. Недостаточная освещенность в посевах обусловливает, например, слабую дифференциацию тканей соломины зерновых культур. В результате уменьшаются крепость и эластичность тканей, что часто приводит к полеганию посевов. В загущенных посевах кукурузы из-за слабой освещенности солнечной радиацией ослабляется образование початков на растениях.
Солнечная радиация влияет на химический состав сельскохозяйственной продукции. Например, сахаристость свеклы и плодов, содержание белка в зерне пшеницы непосредственно зависят от числа солнечных дней. Количество масла в семенах подсолнечника, льна также возрастает с увеличением прихода солнечной радиации.
Освещенность надземной части растений существенно влияет на поглощение корнями питательных веществ. При слабой освещенности замедляется перевод ассимилятов в корни, и в результате тормозятся биосинтетические процессы, происходящие в клетках растений.
Освещенность влияет и на появление, распространение и развитие болезней растений. Период заражения состоит из двух фаз, различающихся между собой по реакции на световой фактор. Первая из них - собственно прорастание спор и проникновение заразного начала в ткани поражаемой культуры - в большинстве случаев не зависит от наличия и интенсивности света. Вторая - после прорастания спор - наиболее активно проходит при повышенной освещенности.
Положительное действие света сказывается также на скорости развития патогена в растении-хозяине. Особенно четко это проявляется у ржавчинных грибов. Чем больше света, тем короче инкубационный период у линейной ржавчины пшеницы, желтой ржавчины ячменя, ржавчины льна и фасоли и т. д. А это увеличивает число генераций гриба и повышает интенсивность поражения. В условиях интенсивного освещения у этого патогена возрастает плодовитость
Некоторые заболевания наиболее активно развиваются при недостаточном освещении, вызывающем ослабление растений и снижение их устойчивости к болезням (возбудителям разного рода гнилей, особенно овощных культур).
Продолжительность освещения и растения. Ритм солнечной радиации (чередование светлой и темной части суток) является наиболее устойчивым и повторяющимся из года в год фактором внешней среды. В результате многолетних исследований физиологами установлена зависимость перехода растений к генеративному развитию от определенного соотношения длины дня и ночи. В связи с этим культуры по фотопериодической реакции можно классифицировать по группам: короткого дня, развитие которых задерживается при продолжительности дня больше 10ч. Короткий день способствует закладке цветков, а длинный день препятствует этому. К таким культурам относятся соя, рис, просо, сорго, кукуруза и др.;
длинного дня до 12-13час., требующие для своего развития продолжительного освещения. Их развитие ускоряется, когда продолжительность дня составляет около 20 ч. К этим культурам относятся рожь, овес, пшеница, лен, горох, шпинат, клевер и др.;
нейтральные по отношению к длине дня , развитие которых не зависит от продолжительности дня, например томат, гречиха, бобовые, ревень.
Установлено, что для начала цветения растений необходимо преобладание в лучистом потоке определенного спектрального состава. Растения короткого дня быстрее развиваются, когда максимум излучения приходится на сине-фиолетовые лучи, а растения длинного дня - на красные. Продолжительность светлой части суток (астрономическая длина дня) зависит от времени года и географической широты. На экваторе продолжительность дня в течение всего года равна 12 ч ± 30 мин. При продвижении от экватора к полюсам после весеннего равноденствия (21.03) длина дня увеличивается к северу и уменьшается к югу. После осеннего равноденствия (23.09) распределение продолжительности дня обратное. В Северном полушарии на 22.06 приходится самый длинный день, продолжительность которого севернее Полярного круга 24 ч. Самый короткий день в Северном полушарии 22.12, а за Полярным кругом в зимние месяцы Солнце вообще не поднимается над горизонтом. В средних же широтах, например в Москве, продолжительность дня в течение года меняется от 7 до 17,5 ч.
2. Виды солнечной радиации.
Солнечная радиация состоит из трех составляющих: прямой солнечной радиации, рассеянной и суммарной.
ПРЯМАЯ СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ S – радиация, поступающая от Солнца в атмосферу и затем на земную поверхность в виде пучка параллельных лучей. Ее интенсивность измеряется в калориях на см2 в минуту. Она зависит от высоты солнца и состояния атмосферы (облачность, пыль, водяной пар). Годовая сумма прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность территории Ставропольского края составляет 65-76 ккал/ см2/мин. На уровне моря при высоком положении Солнца (лето, полдень) и хорошей прозрачности прямая солнечная радиация составляет 1,5 ккал/ см2/мин. Это коротковолновая часть спектра. При прохождении потока прямой солнечной радиации через атмосферу происходит его ослабление, вызванное поглощением (около 15 %) и рассеянием (около 25 %) энергии газами, аэрозолями, облаками.
Поток прямой солнечной радиации, падающий на горизонтальную поверхность называют инсоляцией S = S sin ho – вертикальная составляющая прямой солнечной радиации.
S – количество тепла, получаемого перпендикулярной к лучу поверхностью,
ho – высота Солнца, т. е. угол, образованный солнечным лучом с горизонтальной поверхностью.
На границе атмосферы интенсивность солнечной радиации составляет So = 1,98 ккал/ см2/мин. – по международному соглашению 1958г. И называется солнечной постоянной. Такой бы она была у поверхности, если бы атмосфера была абсолютно прозрачной.
Рис. 2.1. Путь солнечного луча в атмосфере при разной высоте Солнца
РАССЕЯНАЯ РАДИАЦИЯ D – часть солнечной радиации в результате рассеяния атмосферой уходит обратно в космос, но значительная ее часть поступает на Землю в виде рассеянной радиации. Максимум рассеянной радиации + 1 ккал/ см2/мин. Отмечается при чистом небе, если на нем высокие облака. При пасмурном небе спектр рассеянной радиации сходен с солнечным. Это коротковолновая часть спектра. Длина волны 0,17-4мк.
СУММАРНАЯ РАДИАЦИЯ Q - состоит из рассеянной и прямой радиации на горизонтальную поверхность. Q = S + D .
Соотношение между прямой и рассеянной радиацией в составе суммарной радиации зависит от высоты Солнца, облачности и загрязненности атмосферы, высоты поверхности над уровнем моря. С увеличением высоты Солнца доля рассеянной радиации при безоблачном небе уменьшается. Чем прозрачнее атмосфера и чем выше Солнце, тем меньше доля рассеянной радиации. При сплошной плотной облачности суммарная радиация полностью состоит из рассеянной радиации. Зимой вследствие отражения радиации от снежного покрова и ее вторичного рассеяния в атмосфере доля рассеянной радиации в составе суммарной заметно увеличивается.
Свет и тепло, получаемые растениями от Солнца, - результат действия суммарной солнечной радиации. Поэтому большое значение для сельского хозяйства имеют данные о суммах радиации, получаемых поверхностью за сутки, месяц, вегетационный период, год.
Отраженная солнечная радиация. Альбедо . Суммарная радиация, дошедшая до земной поверхности, частично отражаясь от нее, создает отраженную солнечную радиацию (RK), направленную от земной поверхности в атмосферу. Значение отраженной радиации в значительной степени зависит от свойств и состояния отражающей поверхности: цвета, шероховатости, влажности и др. Отражательную способность любой поверхности можно характеризовать величиной ее альбедо (Ак), под которым понимают отношение отраженной солнечной радиации к суммарной. Альбедо обычно выражают в процентах:
Наблюдения показывают, что альбедо различных поверхностей изменяется в сравнительно узких пределах (10...30 %), исключение составляют снег и вода.
Альбедо зависит от влажности почвы, с возрастанием которой оно уменьшается, что имеет важное значение в процессе изменения теплового режима орошаемых полей. Вследствие уменьшения альбедо при увлажнении почвы увеличивается поглощаемая радиация. Альбедо различных поверхностей имеет хорошо выраженный дневной и годовой ход, обусловленный зависимостью альбедо от высоты Солнца. Наименьшее значение альбедо наблюдают в околополуденные часы, а в течение года - летом.
Собственное излучение Земли и встречное излучение атмосферы. Эффективное излучение. Земная поверхность как физическое тело, имеющее температуру выше абсолютного нуля (-273 °С), является источником излучения, которое называют собственным излучением Земли (Е3). Оно направлено в атмосферу и почти полностью поглощается водяным паром, капельками воды и углекислым газом, содержащимися в воздухе. Излучение Земли зависит от температуры ее поверхности.
Атмосфера, поглощая небольшое количество солнечной радиации и практически всю энергию, излучаемую земной поверхностью, нагревается и, в свою очередь, также излучает энергию. Около 30 % атмосферной радиации уходит в космическое пространство, а около 70 % приходит к поверхности Земли и называется встречным излучением атмосферы (Еа).
Количество энергии, излучаемое атмосферой, прямо пропорционально ее температуре, содержанию углекислого газа, озона и облачности.
Поверхность Земли поглощает это встречное излучение почти целиком (на 90...99 %). Таким образом, оно является для земной поверхности важным источником тепла в дополнение к поглощаемой солнечной радиации. Это влияние атмосферы на тепловой режим Земли называют парниковым или оранжерейным эффектом вследствие внешней аналогии с действием стекол в парниках и оранжереях. Стекло хорошо пропускает солнечные лучи, нагревающие почву и растения, но задерживает тепловое излучение нагревшейся почвы и растений.
Разность между собственным излучением поверхности Земли и встречным излучением атмосферы называют эффективным излучением: Еэф.
Еэф= Е3-Еа
В ясные и малооблачные ночи эффективное излучение гораздо больше, чем в пасмурные, поэтому больше и ночное охлаждение земной поверхности. Днем оно перекрывается поглощенной суммарной радиацией, вследствие чего температура поверхности повышается. При этом растет и эффективное излучение. Земная поверхность в средних широтах теряет за счет эффективного излучения 70...140 Вт/м2, что составляет примерно половину того количества тепла, которое она получает от поглощения солнечной радиации.
3. Спектральный состав радиации.
Солнце, как источник излучения, обладает многообразием испускаемых волн. Потоки лучистой энергии по длине волн условно делят на коротковолновую (X < 4 мкм) и длинноволновую (А. > 4 мкм) радиацию. Спектр солнечной радиации на границе земной атмосферы практически заключается между длинами волн 0,17 и 4 мкм, а земного и атмосферного излучения - от 4 до 120 мкм. Следовательно, потоки солнечного излучения (S, D, RK) относятся к коротковолновой радиации, а излучение Земли (£3) и атмосферы (Еа) - к длинноволновой.
Спектр солнечной радиации можно разделить на три качественно различные части: ультрафиолетовую (Y < 0,40 мкм), видимую (0,40 мкм < Y < 0,75 мкм) и инфракрасную (0,76 мкм < Y < 4 мкм). До ультрафиолетовой части спектра солнечной радиации лежит рентгеновское излучение, а за инфракрасной - радиоизлучение Солнца. На верхней границе атмосферы на ультрафиолетовую часть спектра приходится около 7 % энергии солнечного излучения, 46 - на видимую и 47 % - на инфракрасную.
Радиацию, излучаемую Землей и атмосферой, называют дальней инфракрасной радиацией.
Биологическое действие разных видов радиации на растения различно. Ультрафиолетовая радиация замедляет ростовые процессы, но ускоряет прохождение этапов формирования репродуктивных органов у растений.
Значение инфракрасной радиации , которая активно поглощается водой листьев и стеблей растений, состоит в ее тепловом эффекте, что существенно влияет на рост и развитие растений.
Дальняя инфракрасная радиация производит лишь тепловое действие на растения. Ее влияние на рост и развитие растений несущественно.
Видимая часть солнечного спектра , во-первых, создает освещенность. Во-вторых, с областью видимой радиации почти совпадает (захватывая частично область ультрафиолетовой радиации) так называемая физиологическая радиация (А, = = 0,35...0,75 мкм), которая поглощается пигментами листа. Ее энергия имеет важное регуляторно-энергетическое значение в жизни растений. В пределах этого участка спектра выделяется область фотосинтетически активной радиации.
4. Поглощение и рассеивание радиации в атмосфере.
Проходя через земную атмосферу, солнечная радиация ослабляется вследствие поглощения и рассеяния атмосферными газами и аэрозолями . При этом изменяется и ее спектральный состав. При различной высоте солнца и различной высоте пункта наблюдений над земной поверхностью длина пути, проходимого солнечным лучом в атмосфере, неодинакова. При уменьшении высоты особенно сильно уменьшается ультрафиолетовая часть радиации, несколько меньше – видимая и лишь незначительно – инфракрасная.
Рассеяние радиации в атмосфере происходит главным образом в результате непрерывных колебаний (флуктаций) плотности воздуха в каждой точке атмосферы, вызванных образованием и разрушением некоторых «скоплений» (сгустков) молекул атмосферного газа. Солнечную радиацию рассеивают также частицы аэрозоля. Интенсивность рассеяния характеризуется коэффициентом рассеяния.
К= добавить формулу.
Интенсивность рассеяния зависит от количеств рассеивающих частиц в единице объема, от их размера и природы, а также от длин волн самой рассеиваемой радиации.
Лучи рассеиваются тем сильнее, чем меньше длина волны. Например фиолетовые лучи рассеиваются в 14 раз сильнее красных, этим объясняется голубой цвет неба. Как отмечалось выше (см. разд. 2.2), прямая солнечная радиация, проходя через атмосферу, частично рассеивается. В чистом и сухом воздухе интенсивность коэффициента молекулярного рассеяния подчиняется закону Релея:
к= с/ Y 4 ,
где С - коэффициент, зависящий от числа молекул газа в единице объема; X - длина рассеиваемой волны.
Поскольку длина дальних волн красного света почти вдвое больше длины волн фиолетового света, первые рассеиваются молекулами воздуха в 14 раз меньше, чем вторые. Так как первоначальная энергия (до рассеяния) фиолетовых лучей меньше, чем синих и голубых, то максимум энергии в рассеянном свете (рассеянной солнечной радиации) смещается на сине-голубые лучи, что и обусловливает голубой цвет неба. Таким образом, рассеянная радиация более богата фотосинтетически активными лучами, чем прямая.
В воздухе, содержащем примеси (мелкие капельки воды, кристаллики льда, пылинки и т. д.), рассеяние одинаково для всех участков видимой радиации. Поэтому небо приобретает белесоватый оттенок (появляется дымка). Облачные же элементы (крупные капельки и кристаллики) вообще не рассеивают солнечные лучи, а диффузно их отражают. В результате облака, освещенные Солнцем, имеют белый цвет.
5. ФАР (фотосинтетическиактивная радиация)
Фотосинтетически активная радиация. В процессе фотосинтеза используется не весь спектр солнечной радиации, а только его
часть, находящаяся в интервале длин волн 0,38...0,71 мкм, - фотосинтетически активная радиация (ФАР).
Известно, что видимая радиация, воспринимаемая глазом человека как белый цвет, состоит из цветных лучей: красных, оранжевых, желтых, зеленых, голубых, синих и фиолетовых.
Усвоение энергии солнечной радиации листьями растений селективно (избирательно). Наиболее интенсивно листья поглощают сине-фиолетовые (X = 0,48...0,40 мкм) и оранжево-красные (X = 0,68 мкм) лучи, менее - желто-зеленые (А. = 0,58...0,50 мкм) и дальние красные (А. > 0,69 мкм) лучи.
У земной поверхности максимум энергии в спектре прямой солнечной радиации, когда Солнце находится высоко, приходится на область желто-зеленых лучей (диск Солнца желтый). Когда же Солнце располагается у горизонта, максимальную энергию имеют дальние красные лучи (солнечный диск красный). Поэтому энергия прямого солнечного света мало участвует в процессе фотосинтеза.
Так как ФАР является одним из важнейших факторов продуктивности сельскохозяйственных растений, информация о количестве поступающей ФАР, учет ее распределения по территории и во времени имеют большое практическое значение.
Интенсивность ФАР можно измерить, но для этого необходимы специальные светофильтры, пропускающие только волны в диапазоне 0,38...0,71 мкм. Такие приборы есть, но на сети актинометрических станций их не применяют, а измеряют интенсивность интегрального спектра солнечной радиации. Значение ФАР можно рассчитать по данным о приходе прямой, рассеянной или суммарной радиации с помощью коэффициентов, предложенных, X. Г. Тоомингом и:
Qфар = 0,43 S " +0,57 D);
составлены карты распределения месячных и годовых сумм Фар на территории России.
Для характеристики степени использования посевами ФАР применяют коэффициент полезного использования ФАР:
КПИфар= (сумма Q / фар/сумма Q / фар) 100%,
где сумма Q / фар - сумма ФАР, затрачиваемая на фотосинтез за период вегетации растений; сумма Q / фар - сумма ФАР, поступающая на посевы за этот период;
Посевы по их средним значениям КПИФАр разделяют на группы (по): обычно наблюдаемые - 0,5...1,5 %; хорошие-1,5...3,0; рекордные - 3,5...5,0; теоретически возможные - 6,0...8,0 %.
6. РАДИАЦИОННЫЙ БАЛАНС ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Разность между приходящими и уходящими потоками лучистой энергии называют радиационным балансом земной поверхности (В).
Приходная часть радиационного баланса земной поверхности днем состоит из прямой солнечной и рассеянной радиации, а также излучения атмосферы. Расходной частью баланса являются излучение земной поверхности и отраженная солнечная радиация:
B = S / + D + Ea - Е3- Rk
Уравнение можно записать и в другом виде: B = Q - RK - Еэф.
Для ночного времени уравнение радиационного баланса имеет следующий вид:
В = Еа - Е3, или В = -Еэф.
Если приход радиации больше, чем расход, то радиационный баланс положительный и деятельная поверхность* нагревается. При отрицательном балансе она охлаждается. Летом радиационный баланс днем положительный, а ночью - отрицательный. Переход через ноль происходит утром примерно через 1 ч после восхода Солнца, а вечером за 1...2 ч до захода Солнца.
Годовой радиационный баланс в районах, где устанавливается устойчивый снежный покров, в холодное время года имеет отрицательные значения, в теплое - положительные.
Радиационный баланс земной поверхности существенно влияет на распределение температуры в почве и приземном слое атмосферы, а также на процессы испарения и снеготаяния, образование туманов и заморозков, изменение свойств воздушных масс (их трансформацию).
Знание радиационного режима сельскохозяйственных угодий позволяет рассчитывать количество радиации, поглощенной посевами и почвой в зависимости от высоты Солнца, структуры посева, фазы развития растений. Данные о режиме необходимы и для оценки разных приемов регулирования температуры и влажности почвы, испарения, от которых зависят рост и развитие растений, формирование урожая, его количество и качество.
Эффективными агрономическими приемами воздействия на радиационный, а следовательно, и на тепловой режим деятельной поверхности является мульчирование (покрытие почвы тонким слоем торфяной крошки, перепревшим навозом, древесными опилками и др.), укрытие почвы полиэтиленовой пленкой, орошение. Все это изменяет отражательную и поглощательную способность деятельной поверхности.
* Деятельная поверхность - поверхность почвы, воды или растительности, которая непосредственно поглощает солнечную и атмосферную радиацию и отдает излучение в атмосферу, чем регулирует термический режим прилегающих слоев воздуха и нижележащих слоев почвы, воды, растительности.
Солнечная радиация – это интегральный поток корпускулярных частиц (протоны, γ-частицы, электроны, нейтроны, нейтрины) и электромагнитного (фотонного) излучения.
В результате солнечной активности образуется большое количество корпускулярных частиц, которые движутся со скоростью – от 300 до 2000 км/сек и достигают атмосферы Земли за 2 суток, однако задерживаются его магнитным полем. Образуется также электромагнитное излучение, двигающееся со скоростью 300 000 км/сек и достигающее Земли за 8 мин.
Корпускулярные частицы: α-частицы, β-частицы, протоны, электроны, нейтроны, позитроны и т. п.
Электромагнитный состав:
· γ- излучение (длина волны <0,1 нм) задерживаются
· рентгеновское излучение (0,1–10 нм) магнитным
· крайний, канцерогенный ультрафиолет (10-120 нм) полем Земли
· ультрафиолетовое излучение (120-400 нм; 0,6-3% достигает Земли, другая часть рассеивается)
· видимое (400–760 нм; 40% достигает Земли)
· инфракрасное (760–10 000 нм, 59% достигает Земли)
· далекое инфракрасное (10 000–100 000 нм)
· радиочастоты (>100 000 нм)
Физические свойства, биологическое действие и, соответственно, возможные нарушения, в состоянии здоровья возникающие при недостаточном или избыточном облучении, зависят от длины волны преобладающей в составе солнечной радиации на данной территории. Корпускулярные частицы и волны, имеющие длину менее чем 280 нм, полностью поглощаются в озоновом слое, в верхних слоях земной атмосферы. Однако, загрязнение атмосферы промышленными выбросами, особенно фреоном, способствует разрушению и утончению озонового слоя атмосферы, появлению в некоторых регионах так называемых “озоновых дыр”, сквозь которые к поверхности земли проникают более опасные для всего живого, с меньшей длиной волны УФ лучи.
Количество солнечного излучения, которое достигает Земли, называется световым климатом и зависит от природных и антропогенных факторов. В зависимости от обеспечения ультрафиолетом регионов выделяют зоны:
УФ-ДЕФИЦИТА (северные регионы, >57 широты);
УФ-КОМФОРТА (42-57 широты);
УФ-избытка (южные регионы, <42 широты).
Интегральный (суммарный) поток радиации Солнца измеряется пиранометром (например, пиранометр Янишевского) и выражается в мкал/см 2 ×мин.
Физические свойства и биологическое действие ультрафиолетового излучения
Весь диапазон УФ-излучения Солнца и искусственных источников делятся на три области:
· область А – длинноволновое УФ-излучение λ = 320–400 нм;
· область В – средневолновое УФ-излучение λ = 280–320 нм;
· область С – коротковолновое УФ- излучение: λ = 10–280 нм.
Биологическое действие УФИ:
А. Биогенное:
1. Общестимулирующее – В-спектр. Благодаря фотолизу белков кожи (УФ лучи проникают в кожу на глубину 3-4 мм) с образуются токсичные продукты фотолиза – гистамин, холин, аденазин, пиримидиновые соединения и др. Последние всасываются в кровь, стимулируют обмен веществ в организме, ретикулоэндотелиальную систему, костный мозг, повышают количество гемоглобина, эритроцитов, лейкоцитов, активность тканевых ферментов, функцию печени, стимулируют деятельность нервной системы и так далее.Общестимулирующее действие УФИ усиливается благодаря ее эритемному эффекту – рефлекторному расширению капилляров кожи, особенно наряду с интенсивным инфракрасным облучением. Эритемный эффект при избыточном облучении может закончиться ожогом кожи.
2. Д-витаминообразующее воздействие УФИ свойственно для области В. Эффект заключается в расщеплении кальциферола: из эргостерина (7,8-дегидрохолестерина) в кожном жире (секрете сальных желез) под воздействием УФО вследствии расщепления бензолового кольца образуется витамин Д 2 (ергохолекальциферол) и витамин Д 3 (холекальциферол), а из провитамина 2,2-дегидроэргостерина – витамин Д 4 .
3. Пигментообразующий эффект УФИ – область А, В. Обусловлен образованием меланина. Меланин защищает кожу (и весь организм) от избытка УФИ, видимого и инфракрасного излучения.
Б. Абиогенное:
1. Бактерицидное действие свойственно для области С. Под влиянием УФИ сначала возникает возбуждение бактерий с активацией их жизнедеятельности, которое с увеличением дозы УФИ сменяется бактериостатическим эффектом, а затем – фотодеструкцией, денатурацией белков, гибелью микроорганизмов.
2. Канцерогенное действие УФИ появляется в условиях жаркого тропического климата и на производстве с высоким уровнем и длительным воздействием технических источников УФИ (электросварка и т. п.).
3. Мутагенное.
4. Аллергическое.
Недостаточность УФ-излучения (световое голодание) приводят к:
· снижению резистентности организма и, как следствие, к увеличению заболеваемости, обострению хронической патологии
· возникновению рахита у детей
· возникновению остеопороза у взрослых
Профилактика: солнечная ванна, солярии, фотарии, витамин D в медикаментозной форме
Избыток УФ-излучения приводят к:
· эритеме, ожогам
· снижению резистентности организма и, как следствие, увеличению заболеваемости, обострению хронической патологии
· поражению глаз (фотоофтальмия при природном происхождении УФИ, например, в горах, электрофтальмия при искусственном происхождении, например, у электросварщиков, кератоконъюнктивиты, катаракта, птеригий – рак роговицы)
· фотодерматозу, солнечному эластозу (нарушение образования коллагена)
· рак кожи
· выведению из организма витаминов В 2 , РР, С
· нарушению липидного обмена
Профилактика: одежда из натуральной ткани, головные уборы, солнцезащитные и специальные очки, используемые на производстве.
Методы определения интенсивности УФИ:
1) Фотохимический по Н.З.Куличковой – основанный на распаде щавелевой кислоты пропорционально интенсивности и длительности УФ-облучения. Прибором для измерения интенсивности ультрафиолетового излучения фотохимическим методом является кварцевая пробирка с раствором щавелевой кислоты и азотнокислого уранила. Единица измерения: миллиграмм распавшейся щавелевой кислоты на см 2 поверхности раствора за единицу времени (мин, час). Физиологичная доза облучения – 1 мг/см 2 , профилактическая доза – 0,5 мг/см 2 .
2) Фотоэлектрический метод – измерение интенсивности УФИ ультрафиолетметром или уфиметром (фотоинтенсиметром или фотоэкспозиметром) в мкВт/см 2
3) Биологический (эритемний) метод – определение эритемной дозы при помощи биодозиметра М.Ф. Горбачева. Биологическая (эритемная) доза (биодоза) является минимальным временем облучения участка кожи ультрафиолетовым излучением, в результате которого возникает ее слабое покраснение (эритема ). Биодозиметр является планшеткой с 6 отверстиями-окошками, которые закрываться двигающейся пластинкой. Биодозиметр располагается на незагорелой чувствительной к ультрафиолетовому излучению части кожи (нижняя часть кожи живота либо внутренняя часть предплечья) исследуемого, располагающегося на расстоянии 0,5 м от источника излучения.
В начале исследования открывают все отверстия. В дальнейшем, через 1 минуту закрывают первое, через 2 минуты – второе, через 3 минуты – третье и т.д.
Контроль появления эритемы следует проводить через 6 – 8 часов после облучения. Биодозу (в минутах) определяют в соответствии с номером отверстия (по времени экспозиции), в котором было зарегистрировано наименьшее покраснение.
Профилактическая доза ультрафиолетового излучения составляет 1/8 биодозы, физиологическая доза –1/4-1/2 биодозы. Максимальная доза – 1 биодоза для детей и 2 биодозы для взрослых.
Например:
Для определения биологической (эритемной) дозы биодозиметр Горбачева-Дальфельда разместили на коже нижней трети брюшной полости школьника и облучали на протяжении 6 минут.