Пудовкин О.Л. Структура и электромагнитное излучение Солнца 0 Москва, 2014

Пудовкин О.Л. Структура и электромагнитное излучение Солнца Москва, 2014 1

УДК 52 + 55 Пудовкин О.Л. Структура и электромагнитное излучение Солнца. – Открытая платформа электронных публикаций SPUBLER. Дата публикации: 2014-08-17. - 22 с. Представлены необходимые для разработчиков космических систем дистанционного зондирования Земли и пользователей космической информацией общие сведения по теме электромагнитного излучения Солнца. Рассматривается структура Солнца и физические основы протекающих в нём про- цессов, энергетические и спектральные характеристики излучений в привязке к принятым МСЭ, IEEE и ГОСТ 24375-80 классификационным таблицам диапазонам частот. Пудовкин Олег Леонидович. Научные интересы в областях: системный анализ, теория систем и управления, техногенное и космогенное засорение космоса, международное космическое право, геофизика, глобальные космические системы связи и навигации, управление проектами. Более 100 научных публикаций и 8 монографий. Доктор технических наук, член-корреспондент Акаде- мии космонавтики и Академии военных наук. В космической отрасли с 1968 года: ВИКА им. А.Ф. Можайского, Командно-измерительный комплекс МО РФ, Научно-технический комитет РВСН, Военно- научный комитет Космический войск; вице-президент, главный конструктор, советник в организациях косми- ческой отрасли; эксперт космического кластера Фонда «Сколково». Доктор технических наук Пудовкин О.Л. e-mail: [email protected] 2

1. Структура Солнца Солнце является самой близкой к Земле звездой, удалённой от нас на расстояние в 8,32 ± 0,16 световых минут. Все другие звёзды намного дальше. Ближе всех к нам звезда Проксима Центавра [от. лат roxima - ближайшая] – красный карлик, относящийся к звёзд- ной системе Альфа Центавра, расположенный на удалении 4,2421 ± 0,0016 световых лет, что в 270 000 раз больше расстояния от Земли до Солнца. По своим размерам Солнце относится к типичным звездам - карликам спектрального класса G2 по диаграмме Герцшпрунга - Рассела. Это означает, что солнечный свет, кото- рый мы привыкли воспринимать как белый, на самом деле слегка желтоватый. Солнце удалено от Земли в среднем на расстояние 149 597 870 км. Поскольку это расстояние является важнейшим масштабом в Солнечной системе, его принимают в каче- стве одной из основных единиц измерения расстояний в астрономии и называют астро- номической единицей (au, а.е.). В системе СИ 1 au = 149 597 870 700 м. Солнце – центральное тело Солнечной системы, в нём сконцентрировано более 99,86 % всей её массы. Полагают, что планеты и Солнце возникли 4-5 млрд. лет назад из гигантской газопылевой туманности. При этом Солнце вобрало в себя наибольшую часть массы, которая в настоящее время составляет около 2×1027 тонн, что в 333 тысячи раз больше массы Земли и в 743 раза превышает массу всех планет, вместе взятых. В химическом составе солнечного вещества доминируют водород – 72% и гелий – 26 % массы Солнца. Чуть меньше процента составляет кислород, 0,4% – углерод, около 0,1% – неон. Если выразить эти соотношения в количестве атомов, то получается, что на миллион атомов водорода приходится 98 000 атомов гелия, 850 – кислорода, 360 – углеро- да, 120 – неона, 110 – азота и по 40 атомов железа и кремния. Зная расстояние до Солнца и видимый его угловой радиус, легко определить, что Солнце в 109 раз больше Земли, и его радиус достигает 696 тысяч километров. Следова- тельно, объём Солнца более чем в 1 300 000 раз превышает объём Земли, а потому средняя плотность оказывается почти в 4 раза меньше земной и составляет около 1,4 г/см3. По земным меркам светимость Солнца колоссальная и достигает 3,85×1023 кВт. Да- же ничтожная доля солнечной энергии, которая облучает земной шар (а это, примерно, одна десятимиллиардная), по своей мощности в десятки тысяч раз больше, чем суммарная мощность всех электростанций мира. Энергия солнечных лучей, падающих на перпенди- кулярную к ним площадку в 1 м2 на Земле, могла бы заставить работать двигатель мощно- стью 1,4 кВт, а 1 м2 атмосферы Солнца излучает энергию с мощностью 60 мВт. Рисунок 1 – Строение Солнца. Солнце состоит из внутренних слоёв – зо- на ядерных реакций, зона переноса лучи- стой энергии и зона конвекции, а также атмосферы, включающей фотосферу, хромосферу и корону, переходящую в солнечный ветер. 3

1.1. Внутренние слои Солнца Теоретические исследования прошлого столетия, подтверждённые эксперименталь- ными данными последних десятилетий, показали, что внутренние (непосредственно не наблюдаемые) слои Солнца состоят из трех основных частей, примерно одинаковых по глубине: зона ядерных реакций; зона переноса лучистой энергии; зона конвективная. Зона ядерных реакций (центральная часть, ядро) характеризуется максимальными значениями температуры, давления и плотности вещества, сжатого гравитацией и посто- янно подогреваемого энергией термоядерных реакций. Солнечное ядро, как полагают, простирается от центра Солнца на расстояние в около 175 000 км (приблизительно 0,2 солнечного радиуса) и является самой горячей частью Солнца. Температура в солнечном ядре составляет около 15 000 0000 К (для сравнения: тем- пература солнечной поверхности в хромосфере около 60000 К). Плотность ядра – 150 000 кг/м³, что в 150 раз выше плотности воды на Земле. Анализ данных, полученных космиче- ским аппаратом SOHO, показал, что в ядре скорость вращения Солнца вокруг своей оси значительно выше, чем на поверхности. Рисунок 2 – SOHO [от англ. Solar and Heliospheric Observatory, код обсерватории «249»] – космический ап- парат для наблюдения за Солнцем. Совместный проект ЕКА и НАСА. Запущен 2 декабря 1995 года в 08:08:000 UTC, международное обозначение 1995-065А, выведен в точку Лагранжа L1 системы Земля - Солнце, приступил к работе в мае 1996 года. В ядре осуществляется протонно-протонная термоядерная реакция, в результате ко- торой из четырёх протонов образуется самый распространённый из двух природных изо- топов гелия – 4 He, составляющий приблизительно 99,999863 % от объёма всего гелия на Земле. При этом каждую секунду в энергию превращаются 4,26 миллиона тонн вещества (3,6·1038 протонов), однако эта величина ничтожна по сравнению с массой Солнца – 2·1027 тонн. Время, через которое Солнце израсходует своё «топливо» и термоядерная реакция прекратится, оценивается в 6 миллиардов лет. Мощность ядра Солнца равна 380 иоттаваттам (1 ИВт = 1024 Вт), что эквивалентно детонации 9,1·1010 мегатонн тротила в секунду. Известно, что самым мощным энергети- ческим устройством, когда-либо приведённым в действие людьми, была советская «Царь- бомба» (кодовое название проекта – «Иван»), взорванная 30 октября 1961 года на Новой Земле. Её мощность составила 50 мегатонн, что эквивалентно 5,3 ИВт или около одного процента энергии Солнца, выделяемого за одну секунду. Ядро – единственное место на Солнце, в котором энергия и тепло получаются от термоядерной реакции, остальная часть звезды нагрета этой энергией. Вся энергия ядра 4

последовательно проходит сквозь слои, вплоть до фотосферы, с которой излучается в виде солнечного света и кинетической энергии. Во время движения высокоэнергичных фотонов (гамма и рентгеновские лучи) к по- верхности Солнца, они рассеивают часть энергии в менее энергичных слоях, по сравне- нию с ядром. Оценки «времени прохождения фотона» варьируются от 40 000 лет до 50 миллионов лет. Каждый гамма-квант из ядра Солнца преобразуется в несколько миллио- нов видимых фотонов, которые и излучаются с его поверхности. Зона переноса лучистой энергии (лучистая зона, зона радиации) – зона переноса энергии ядра посредством излучения отдельных атомов, которые постоянно её поглощают и переизлучают по всем направлениям. Зона располагается непосредственно над солнеч- ным ядром, на расстояниях примерно от 0,2-0,25 до 0,7 радиуса Солнца от его центра. Нижней границей зоны считают линию, ниже которой происходят ядерные реакции, верх- ней – границу, выше которой начинается активное перемешивание вещества (конвектив- ная зона). Перепад температур от 7 000 0000 К до 2 000 0000 К. Водород в зоне лучистого переноса сжат настолько плотно, что соседние протоны не могут поменяться местами, из-за чего перенос энергии путём перемешивания вещества очень затруднён. Дополнительные препятствия для перемешивания вещества создаёт низ- кая скорость убывания температуры по мере движения от нижних слоёв к верхним слоям, которая обусловлена высокой теплопроводностью водорода. Прямое излучение наружу также невозможно, поскольку водород непрозрачен для излучения, возникающего в ходе реакции ядерного синтеза. Перенос энергии, кроме теплопередачи, происходит также пу- тём последовательного поглощения и излучения фотонов отдельными слоями частиц. В силу того, что энергия излучённого фотона всегда меньше энергии поглощённо- го, спектральный состав излучения по мере прохождения лучистой зоны меняется. Если на входе в зону всё излучение представлено чрезвычайно коротковолновым гамма- излучением, то покидая лучистую зону световой поток излучения представляет собой «смесь», охватывающую практически все длины волн, включая и видимый. Зона конвективная начинается на глубине в 0,3 радиуса и простирается вплоть до поверхности Солнца (вернее, его атмосферы). Её нижняя часть нагрета до 2 000 0000 К, в то время как температура внешней границы не достигает 60000 К. Суть конвекции на Солнце заключается в том, что более плотный газ распределяется по поверхности, остужается на ней, затем вновь устремляется к центру. Таким образом, в конвективной зоне Солнца по- стоянно происходит процесс перемешивания. Полагают, что движущиеся в нём потоки плазмы вносят основной вклад в формирование магнитного поля Солнца. Масса конвективной зоны составляет всего два процента массы Солнца. У нижней границы плотность плазмы равна 0,2 плотности воды, а при выходе в атмосферу Солнца она уменьшается до 0,0001 плотности земного воздуха над уровнем моря. Вещество конвективной зоны перемещается весьма сложным образом. Из глубины восходят мощные, но медленные потоки горячей плазмы с поперечником в сотню тысяч километров, скорость которых не превышает нескольких сантиметров в секунду. Им навстречу опускаются не столь могучие струи менее нагретой плазмы, скорость которых измеряется уже метрами в секунду. На глубине в несколько тысяч километров восходящая высокотемпературная плазма разделяется на гигантские ячейки, наиболее крупные из них имеют линейные размеры около 30-35 тысяч километров и называются супергранулами. Ближе к поверхности образуются мезогранулы с характерным размером около 5000 кило- метров, а ещё ближе к поверхности – в 3-4 раза меньшие гранулы. В зависимости от раз- меров гранулы живут от суток до долей часа. Когда эти продукты коллективного движе- ния плазмы добираются до поверхности Солнца, их легко можно наблюдать посредством телескопа со специальным фильтром. 5

1.2. Атмосфера Солнца Атмосферой Солнца называют три его внешних слоя – фотосферу, хромосферу и ко- рону. Корона переходит в солнечный ветер. Слои расположены выше конвективной зоны и состоят в основном (по числу атомов) из водорода, гелия – 10%, углерода, азота и кис- лорода – 0,0001%, металлов вместе со всеми остальными химическими элементами – 0,00001% . Самый глубокий из внешних слоёв – фотосфера, которую часто неправомерно назы- вают «поверхностью Солнца», хотя у газообразного шарообразного тела поверхности не может быть. Условились под радиусом Солнца понимать расстояние от центра до слоя с минимальным значением температуры. Фотосфера [перевод с греческого - «сфера света»] – слой атмосферы звезды, кажу- щаяся поверхность Солнца. В фотосфере формируется доходящий до нас непрерывный спектр оптического излучения. Толщина фотосферы Солнца около 500 км. Для Солнца температура в фотосфере уменьшается с высотой от 8 000 - 10 0000 К до минимальной на Солнце температуры около 43000 К. Плотность фотосферы составляет от 10-8 до 10-9 г/см3 (концентрация частиц от 1015 до 1016 см-3), давление около 0,1 атмосферы. При таких условиях все атомы с небольшими потенциалами ионизации (например, Na, K, Ca) оказываются ионизованными. Остальные элементы, в том числе водород, энер- гия ионизации которого около 13,6 эВ (2,18·10−18 Дж), остаются преимущественно в нейтральном состоянии, поэтому фотосфера является единственным на Солнце слоем, где водород почти нейтрален. Поверхность фотосферы Солнца покрыта гранулами, размер которых от 200 до 2000 км, продолжительность их существования от 1 до 10 мин. Гранулы являются верхушками конвективных ячеек, образующихся в конвективной зоне. Основным источником солнечного света является нижний слой фотосферы в 150 км. Вдоль толщины слоя температура плазмы снижается от 64000 до 44000 К, при этом посто- янно возникают области понижения температуры до 37000 К, которые светятся слабее и обнаруживаются в виде тёмных пятен. Их количество изменяется с периодом 11 лет, но они никогда не покрывают более 0,5 % солнечного диска. Рисунок 3 – Группа пятен на Солн- це, сфотографированная в видимом свете космическим аппаратом HINODE-3, декабрь 2006 года. Хромосфера [от др. греч. χρομα - цвет, σφαίρα - шар, сфера) – внешняя оболочка Солнца толщиной около 2000 км, окружающая фотосферу. Происхождение названия этой части солнечной атмосферы связано с её красноватым цветом, вызванным тем, что в ви- димом спектре хромосферы доминирует красная H-альфа линия излучения водорода из серии Бальмера. Верхняя граница хромосферы не имеет выраженной гладкой поверхно- сти, из неё постоянно происходят горячие выбросы, называемые спикулами. 6

Спикула – основной элемент тонкой структуры хромосферы Солнца. Если наблю- дать лимб Солнца в свете определённой и строго постоянной частоты, то спикулы будут видны как столбики светящегося газа, достаточно тонкие в солнечных масштабах с диа- метром около 1000 км. Эти столбики сначала поднимаются из нижней хромосферы на 5000-10000 км, а потом падают обратно, где затухают. Всё это происходит со скоростью около 20 000 м/с. Спикула живёт 5-10 минут. Количество одновременно существующих на Солнце спикул превышает десятки ты- сяч и может доходить до миллиона. Из них практически состоит хромосферная сетка. Температура хромосферы увеличивается с высотой от 40000 К до 20 0000 К. Плотность хромосферы мала, поэтому яркость недостаточна для наблюдения в обычных условиях. Но при полном солнечном затмении, когда Луна закрывает яркую фотосферу, располо- женная над ней хромосфера становится видимой и светится красным цветом. Её можно также наблюдать в любое время с помощью специальных узкополосных оптических фильтров. Кроме уже упомянутой линии H-альфа с длиной волны 656,3 нм, фильтр также может быть настроен на линии Ca II K (393,4 нм) и Ca II H (396,8 нм). Основные хромосферные структуры, которые видны в этих линиях: хромосферная сетка, покрывающая всю поверхность Солнца и состоящая из линий, окружающих ячейки супергранул размером до 30 тысяч км в поперечнике; флоккулы – светлые облакоподобные образования, чаще всего приуроченные к рай- онам с сильными магнитными полями – активным областям, окружающим солнечные пятна; волокна и волоконца (фибриллы) – тёмные линии различной ширины и протяжённо- сти, как и флоккулы, часто встречающиеся в активных областях. Рисунок 4 – Солнечное затмение 11 августа 1999 года. Хромосфера видна в виде тонкой красной по- лоски вокруг диска, корона – в виде ареала. Корона – последняя внешняя оболочка Солнца. Корона в основном состоит из про- туберанцев и энергетических извержений, исходящих и извергающихся на несколько со- тен и даже более миллиона километров в пространство, образуя солнечный ветер. Средняя температура короны составляет от 1 000 0000 К до 2 000 0000 К, а макси- мальная, в отдельных участках, – от 8 000 0000 К до 20 000 0000 К. Несмотря на такую вы- сокую температуру, она видна невооружённым глазом только во время полного солнечно- го затмения, так как плотность вещества в короне мала, а потому невелика и яркость. Форма короны меняется в зависимости от фазы цикла солнечной активности: в пе- риоды максимальной активности она имеет округлую форму, а в минимуме – вытянута вдоль солнечного экватора. Поскольку температура короны очень велика, она интенсивно излучает в ультрафи- олетовом и рентгеновском диапазонах. Эти излучения не проходят сквозь земную атмо- сферу, но изучаются с помощью космических аппаратов. Излучение в разных областях короны происходит неравномерно. 7

Существуют горячие активные и спокойные области, а также коронные дыры с от- носительно невысокой температурой в 600 0000 К, из которых в пространство выходят магнитные силовые линии. Такая «открытая» магнитная конфигурация позволяет части- цам беспрепятственно покидать Солнце, поэтому солнечный ветер испускается в основ- ном из корональных дыр. Видимый спектр солнечной короны состоит из трех различных составляющих, названных L, K и F компонентами (или, соответственно, L-корона, K-корона и F-корона; еще одно название L-компоненты – E-корона). K-компонента – непрерывный спектр ко- роны. На его фоне до высоты 9-10′ от видимого края Солнца видна эмиссионная L- компонента. Начиная с высоты около 3" (угловой диаметр Солнца – около 30") и выше виден фра- унгоферов спектр, такой же как и спектр фотосферы. Он составляет F-компоненту сол- нечной короны. На высоте 20" F-компонента доминирует в спектре короны. Высота 9"-10" принимается за границу, отделяющую внутреннюю корону от внешней короны. Солнечный ветер истекает из внешней части солнечной короны и представляет со- бой поток ионизированных частиц (в основном протонов, электронов и α-частиц), распро- страняющийся с постепенным уменьшением своей плотности, до границ гелиосферы. Солнечный ветер разделяют на два компонента – медленный солнечный ветер и быстрый солнечный ветер. Медленный солнечный ветер имеет скорость около 400 км/с и температуру 1,4·10 6 - 1,6·106 0К и по составу близко соответствует короне. Быстрый солнечный ветер имеет скорость около 750 км/с, температуру 8·105 0К, и по составу похож на вещество фотосфе- ры. Медленный солнечный ветер вдвое более плотный и менее постоянный, чем быстрый. Медленный солнечный ветер имеет более сложную структуру с регионами турбулентно- сти. В среднем Солнце излучает с ветром около 1,3·1036 частиц в секунду. Следователь- но, полная потеря массы Солнцем на данный вид излучения составляет за год 2-3·10−14 солнечной массы. Это эквивалентно потере массы, равной земной, за 150 миллионов лет. Многие природные явления на Земле связаны с возмущениями из-за солнечного ветра, в том числе геомагнитные бури и полярные сияния. 2. Спектр электромагнитного излучения Солнца Солнце генерирует и отпускает в космическое пространство два основных потока энергии – электромагнитное излучение (солнечная радиация, лучистая энергия) и корпус- кулярное излучение (солнечный ветер). Исходящее из центральной области Солнца излучение, по мере движения к внешним сферам, перестраивается из коротковолнового в длинноволновое. Если в центре присут- ствуют гамма-излучение и рентгеновское, то в средних слоях солнечного шара преобла- дают ультрафиолетовые лучи, а в излучающей поверхности Солнца – фотосфере – они оказываются трансформированными уже в волны светового диапазона излучения. Спектр лучистой энергии Солнца на верхней границе атмосферы Земли представляет собой распределение с единственным максимумом, который достаточно хорошо описыва- ется моделью спектра излучения абсолютно чёрного тела при температуре около 60000 К. Распределение энергии по спектру неравномерное. На всю коротковолновую часть спектра – гамма-лучи, рентгеновские и ультрафиолетовые лучи – приходится только 7% энергии солнечной радиации, на оптический диапазон спектра – 48% энергии солнечной радиации. Именно к оптическому диапазону приурочен максимум излучения, соответ- ствующий сине-зеленому интервалу световой гаммы излучения. Остальные 45% энергии 8

солнечной радиации содержатся в основном в инфракрасном диапазоне, и лишь незначи- тельная часть приходится на радиоизлучение. Абсолютно чёрное тело это такое тело, которое поглощает на все 100% любое из- лучение, которое падает на него (коэффициент поглощения равен 1, коэффициент отраже- ния – 0). Имеется в виду не только видимый свет, но и радиоволны, ультрафиолет, рентге- новские лучи и т.д. Если абсолютно чёрное тело нагреть, то оно начнёт излучать электро- магнитные волны во всём диапазоне от радиоволн до гамма-излучения. Причём оно излу- чает во всём спектре электромагнитного излучения, но не равномерно. Спектральная плотность имеет пик. Чем сильнее нагрев, тем больше смещение в сторону высоких ча- стот. Абсолютно чёрные тела в природе не существуют – это математическая модель. Ближе всего к спектру излучения абсолютно чёрного тела спектр излучения звёзд. Поэто- му холодные звёзды красного цвета, а горячие – голубые. Излучение Солнца происходит из разных слоёв. В качестве температуры рассматри- вается диапазон 5712-58120 К, для которого диапазон длин волн составляет 0,499-0,5077 мкм (граница голубого и зелёного цвета). Среднее значение – 57850 К, длина волны – 0,5012 мкм. Спектральное распределение излучения абсолютно чёрного тела описывается зако- ном Планка: . (1) Данную формулу обычно записывают в виде: . (2) Здесь – спектральная плотность излучения, Вт·см-2·мкм-1; λ – длина волны, мкм; h – постоянная Планка (6,6256±0,0005)·10-34 Вт·с2; Т – абсолютная температура, 0К; с – скорость света (2,997925 ± 0,000003) ·1010 см·с-1; = (3,7415 ± 0,0003)·104 Вт· см-2·мкм4; = (1,43879 ± 0,00019)·104 мкм·0К; k – постоянная Больцмана (1,38054 ± 0,00018)·10-23 Вт·с·0К-1. Полный поток излучаемой абсолютно чёрным телом энергии определяется законом Стефана-Больцмана (интеграл уравнения Планка): ∫ (3) где σ = (5,6697 ± 0,0029) 10-12 Вт·см-2 · 0К-4. Таким образом, полное излучение абсолютно чёрного тела увеличивается пропорци- онально четвёртой степени температуры. Продифференцировав уравнение Планка, получается закон смещения Вина: (4) где λmax – длина волны, на которой наблюдается максимум распределения спек- тральной плотности излучения по длинам волн; а = 2897,8 ± 0,4 мкм·0К. 9

Лучистая энергия Солнца является основным источником энергии для Земли. Радиа- ция от звезд и Луны по сравнению с солнечной ничтожно мала и существенного вклада в процессы на Земле не вносит. Также ничтожно мал поток энергии, который направлен к поверхности Земли из глубины планеты. Количество приходящей от Солнца к Земле энергии определяется интегральным па- раметром, который весьма мало зависит от времени и называется солнечной постоянной. Солнечная постоянная S0 – количество солнечной энергии, приходящей за единицу времени на перпендикулярную солнечным лучам единичную площадку на среднем рас- стоянии Земли от Солнца. По последним данным её значение составляет 1366±1 Вт·м-2. Распределение электромагнитного излучения, испускаемого Солнцем и приходящего на верхнюю границу атмосферы Земли в зависимости от длины волны λ, называется спектром Солнца. В определение спектра Солнца удобно добавить требования из определения солнеч- ной постоянной как приходящей солнечной энергии в единицу времени на единичную площадку, на определённой частоте, перпендикулярную лучам, на среднем расстоянии от Земли до Солнца. Такую величину часто называют спектральной солнечной постоянной S0(λ). Тогда для солнечной постоянной, введённой ранее определение, уточняется терми- ном – интегральная солнечная постоянная. Стандартный спектр Солнца c «грубым спектральным разрешением» и спектр абсо- лютно черного тела при Т = 57850 К представлены на рисунке 5. Рисунок 5 – Стандартный спектр Солнца с грубым спектральным разрешением и спектр абсолютно черного тела, Т=57850 К. УФ, ВД, ИК, Микроволны – ультрафиолетовое, видимое, инфракрасное и микроволновое излучения. Если рассмотреть спектр Солнца при высоком спектральном разрешении, то картина не такая гладкая, а имеет много фраунгоферовых линий, обусловленных, поглощением различных элементов в фотосфере и хромосфере. Из рисунка видно, что функция Планка при Т = 57850 К хорошо аппроксимирует спектр Солнца в его средней части – диапазон длин волн от 0,2 мкм до 1 см. Это обуслов- лено тем, что формирование уходящего излучения Солнца в различных спектральных об- ластях происходит на различных высотах при различных температурах. 10

Коротковолновая часть спектра наиболее губительна для жизни на Земле и включает в свой состав: гамма-излучение (гамма-лучи, γ-лучи) – вид электромагнитного излучения с чрезвы- чайно малой длиной волны – менее 5·10-3 нм (частота – более 6·1019 Гц), ярко выражен- ными корпускулярными и слабо выраженными волновыми свойствами. Источник – ядер- ные и космические процессы, радиоактивный распад; рентгеновское излучение – электромагнитные волны, энергия фотонов которых ле- жит на шкале электромагнитных волн между ультрафиолетовым и гамма-излучением, что соответствует длинам волн от 5·10−3 нм до 10 нм и частотам 3·1016 - 6·1019 Гц. Источник – атомные процессы при воздействии ускоренных заряженных частиц; ультрафиолетовое излучение – излучение атомов под воздействием ускоренных электронов. Из 7% коротковолновой солнечной радиации наибольшая часть приходится на уль- трафиолетовое излучение, которое сильно поглощается атмосферой Земли. Спектр по- глощения озона имеет пик примерно на длине волны 250 нм, у кислорода два пика – 110 и 200 нм. Коротковолновый диапазон ультрафиолета по поглощению перекрывается кисло- родом, в среднем диапазоне – озоном. При длине электромагнитной волны 250 нм озон поглощает практически всё излучение, при 300 нм – 97%. Ультрафиолетовая часть спектра занимает диапазон между фиолетовой границей видимого излучения и рентгеновским излучением. В 1801 году немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер обнаружил, что хлорид сере- бра, разлагающийся под действием света, быстрее всего разлагается под действием неви- димого излучения за пределами фиолетовой области спектра. Тогда многие ученые, вклю- чая Риттера, пришли к соглашению, что свет состоит из трех отдельных компонентов: окислительного или теплового (инфракрасного) компонента, осветительного компонента (видимого света) и восстановительного (ультрафиолетового) компонента. В то время уль- трафиолетовое излучение называли также актиническим излучением, по способности воз- действовать на конкретные светочувствительные материалы предусмотренным способом. В соответствии со стандартом ISO-DIS-2134 введены характеристики ультрафиоле- тового солнечного излучения, таблица 1. Представленные в таблице диапазоны УФ-А, УФ-В, УФ-С введены биологами, как наиболее важные в их работе. Таблица 1 – Характеристики ультрафиолетового солнечного излучения Количество энергии Наименование Аббревиатура Длина волны, нм на фотон, эВ Ближний NUV 400 нм - 300 нм 3.10 - 4.13 эВ Средний MUV 300 нм - 200 нм 4.13 - 6.20 эВ Дальний FUV 200 нм - 122 нм 6.20 - 10.2 эВ Экстремальный EUV, XUV 121 нм - 10 нм 10.2 - 124 эВ Ультрафиолет А, длинноволновой УФ-А, UVA 400 нм - 315 нм 3.10 - 3.94 эВ диапазон Ультрафиолет B, средневолновой УФ-В, UVB 315 нм - 280 нм 3.94 - 4.43 эВ диапазон Ультрафиолет С, коротковолновой УФ-С, UVC 280 нм - 100 нм 4.43 - 12.4 эВ диапазон 11

Ближний ультрафиолетовый диапазон часто называют «чёрным светом», так как он не распознаётся человеческим глазом, но при отражении от некоторых материалов спектр переходит в область видимого излучения. Для дальнего и экстремального диапазона часто используется термин «вакуумный» (VUV), в виду того, что волны этого диапазона сильно поглощаются атмосферой Земли. Большая часть ультрафиолетового излучения УФ-А не поглощается кислородом и озоном атмосферы и достигает поверхности Земли. Ультрафиолетовое излучение УФ-В поглощается озоном и то, какая его часть достигнет поверхности, зависит от содержания озона в атмосфере Земли. Ультрафиолетовое излучение УФ-С поглощается озоном и кис- лородом атмосферы, а поверхности Земли достигает очень малая часть этого излучения. Ультрафиолет может быть весьма вреден для здоровья человека, поэтому в 1994 го- ду Всемирная метеорологическая организация совместно с Всемирной организацией здра- воохранения предложили ввести индекс солнечного ультрафиолета – UV-индекс, Вт/м2. Видимая часть спектра (видимый свет, или просто свет) воспринимаемая человече- ским глазом, занимает диапазон с длинами волн от 380 нм (фиолетовый) до 780 нм (крас- ный), или частотый диапазон от 400 до 790 терагерц (1 ТГц = 1012 Гц). Наибольшую чув- ствительность к свету человеческий глаз имеет в области 555 нм (540 ТГц) – зелёная часть спектра. Хотя явление радуги объяснил преломлением солнечных лучей в каплях дождя ещё в 1267 году Роджер Бэкон, но проанализировать свет смог только Ньютон. Преломив луч света через призму, он сначала насчитал пять цветов: красный, желтый, зеленый, синий, фиолетовый. Затем добавил ещё два цвета и стал отцом семицветной радуги. Следует от- метить, что вопрос «цветов радуги» не из сферы физики и биологии. Им должны зани- маться лингвисты и филологи. В радуге славянских народов семь цветов только потому, что есть отдельное название для голубого цвета (по сравнению с англичанами) и для зеле- ного (по сравнению с японцами). С точки зрения современной биологии физиологически в радуге человек видит три цвета: красный, зеленый, синий. Поэтому вопрос практически не имеет смысла, а диапазоны видимого цвета можно обозначить какими удобно цветами. Первые объяснения спектра видимого излучения дали Исаак Ньютон в книге «Опти- ка» и Иоганн Гёте в работе «Теория Цветов». Ньютон открыл дисперсию света в призмах и первым использовал слово спектр [от лат. spectrum - видение, появление] в печати в 1671 году. Он сделал наблюдение, что когда луч света падает на поверхность стеклянной призмы под углом к поверхности, часть света отражается, а часть проходит через стекло, образуя разноцветные полосы. Рисунок 6 – Круг цветов Ньютона из книги «Оптика» (1704 год), показывающий взаимо- связь между цветами и музыкальными нота- ми. Цвет спектра от «красного» до «фиолето- вого» разделены нотами, начиная с ноты «ре» (D). Круг составляет полную октаву. 12

При разложении луча белого цвета в призме образуется спектр, в котором излучения разных длин волн преломляются под разным углом. Цвета, входящие в спектр, то есть та- кие цвета, которые могут быть получены световыми волнами одной длины (или очень уз- ким диапазоном), называются спектральными цветами. Основные спектральные цвета ви- димого света имеют собственные названия, а их характеристики представлены в таблице. Таблица 2 – Характеристики видимого света Диапазон Диапазон длин Диапазон Цвет энергии волн, нм частот, ТГц фотонов, эВ Фиолетовый 380 - 440 790 - 680 2,82 - 3,26 Синий 440 - 485 680 - 620 2,56 - 2,82 Голубой 485 - 500 620 - 600 2,48 - 2,56 Зелёный 500 - 565 600 - 530 2,19 - 2,48 Жёлтый 565 - 590 530 - 510 2,10 - 2,19 Оранжевый 590 - 625 510 - 480 1,98 - 2,10 Красный 625 - 740 480 - 400 1,68 - 1,9 Видимое излучение попадает в «оптическое окно» и практически не поглощается земной атмосферой. Чистый воздух рассеивает голубой свет несколько сильнее, чем свет с большими длинами волн (в красную сторону спектра), поэтому полуденное небо выглядит голубым. Инфракрасная часть электромагнитного спектра занимает диапазон между крас- ным концом видимого спектра с длиной волны 0,74 мкм и началом микроволнового излу- чения с длиной волны 1 мм. Последнее время длинноволновую окраину этой части спектра выделяют в отдель- ный, независимый диапазон электромагнитных волн – терагерцовое излучение с длиной волны 3-0,03 мм (1011-1013 Гц), или субмиллиметровое излучение с длиной волны 1-0,1 мм. Инфракрасное излучение также называют «тепловым» излучением, так как инфра- красное излучение от нагретых предметов воспринимается кожей человека как ощущение тепла. При этом длины волн, излучаемые телами, зависят от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения. Инфракрасное излучение было открыто в 1800 году английским астрономом Уилья- мом Гершелем, который обнаружил, что в полученном с помощью призмы спектре Солн- ца за границей красного цвета (в невидимой части спектра) температура термометра по- вышается. В XIX веке было доказано, что инфракрасное излучение подчиняется законам опти- ки и имеет ту же природу, что и видимый свет. Сейчас весь диапазон инфракрасного излучения делят на три поддиапазона: коротковолновый 0,74 - 2,5 мкм; средневолновый 2,5 - 50 мкм; длинноволновый 50 - 2000 мкм. В коротковолновом поддиапазоне инфракрасное излучение рассеивается почти так- же как в видимом диапазоне и основным источником этого излучения является Солнце. В среднем поддиапазоне большая часть излучения поглощается компонентами атмосферы 13

(водяной пар, углекислый газ). В дальнем поддиапазоне меньше энергии рассеивается в атмосфере, а основным источником излучения является поверхность Земли. Таблица 3 – Характеристики инфракрасного излучения Цвет Диапазон длин волн Диапазон частот Коротковолновый ИК-А 740 нм - 2,5 мкм 400 ТГц - 120 ТГц Средневолновый ИК-В 2,5 мкм - 50 мкм 120 ТГц – 6 ТГц Длинноволновый ИК-С 50 мкм - 2 мм 6 ТГц - 150 ГГц Рассмотренные диапазоны электромагнитного излучения Солнца имеют определя- ющее значение для жизни на земле. Ультрафиолетовое излучение УФ-С менее 280 нм является гибельным для растений. При его воздействии через 10-15 минут теряют структуру растительные белки и прекра- щают деятельность клетки. Внешне это проявляется в пожелтении и побурении листьев, скручивании стеблей и отмирании точек роста. Но солнечная часть жесткого ультрафио- лета не достигает земной поверхности, задерживаясь озоновым слоем. Ультрафиолетовое излучение ЦФ-А более 315 нм необходимо для обмена веществ и роста растений. Оно задерживает вытягивание стеблей, повышает содержание витамина C. Ультрафиолетовое излучение ЦФ-В (280 - 315 нм) действует наподобие пониженных температур, способствует процессу закаливания растений и повышает их холодостой- кость. На хлорофилл ультрафиолетовые лучи практически не действуют. Лучи фиолетовые и синие тормозят рост стеблей, листовых черешков и пластинок, формируют компактные растения и более толстые листья, позволяющие лучше поглощать и использовать свет в целом. Эти лучи стимулируют образование белков, органосинтез растений, переход к цветению короткодневных растений, замедляют развитие растений длиннодневных. Синяя и фиолетовая части спектра света почти полностью поглощается хлорофиллом, что создает условия для максимальной интенсивности фотосинтеза. Зеленые лучи практически проходят через листовые пластинки, не поглощаясь ими. Последние под их действием становятся очень тонкими, а осевые органы растений вытя- гиваются. Уровень фотосинтеза – самый низкий. Красные лучи в сочетании с оранжевыми представляют собой основной вид энергии для фотосинтеза. Наиболее важной является область 625-680 нм, способствующая интен- сивному росту листьев и осевых органов растений. Этот свет очень полно поглощается хлорофиллом и увеличивает образование углеводов при фотосинтезе. Зоны красного и оранжевого света имеют решающее значение для всех физиологи- ческих процессов в растениях. Ученые установили способность красных лучей (600-690 нм) низкой интенсивности (не выше 620 лк) активно воздействовать на физиологические процессы в растениях, чувствительных к смене света темнотой и обратно (фотопериоди- ческих). Инфракрасные лучи различно воздействуют на растения. На инфракрасный свет до 1100 нм слабо реагируют, например, томаты и довольно сильно огурцы. Этот диапазон света действует на растяжение подсемядольного колена, стеблей и побегов. Ближнее из- лучение при низких температурах может частично поглощаться хлорофиллом и не пере- гревать лист, что будет полезно для фотосинтеза. 14

Рисунок 7 – Влияние длины волны на развитие растений Радиоволны (микроволны). Солнце излучает не только энергию от гамма до ин- фракрасного излучения, но и радиоволны, которые пропускаются атмосферой Земли в диапазоне длин от нескольких миллиметров до десятков метров. Несмотря на ряд ранних попыток зарегистрировать радиоволны от Солнца, они были обнаружены только в февра- ле 1942 как источник помех на экранах английских радиолокаторов во время Второй Ми- ровой войны. После её окончания в 1945 начинается быстрое развитие радиоастрономии, в том числе и солнечной. Если радиоизлучение Солнца в 1942 году связали с его активностью и влиянием на радиолокацию, то в 1963 году солнечную активность стали уже измерять параметром «Индекс F10.7», который определяется величиной потока радиоизлучения на волне 10,7 см (частота 2800 МГц). Данный индекс хорошо соотносится с «Числом Вольфа» – названный в честь швейцарского астронома Рудольфа Вольфа числовой показатель количества пятен на Солнце. Является одним из самых распространённых показателей солнечной активно- сти. Радиоволны излучаются горячими, сильно ионизованными газами внешней атмо- сферы Солнца. Эти разреженные газы, практически прозрачные для видимого света, ока- зываются непрозрачными для радиоизлучения с определенными длинами волн. Непро- зрачность растет с увеличением концентрации свободных электронов и уменьшением температуры, а также с увеличением длины волны. Хромосфера, которая имеет достаточно высокую концентрацию электронов и темпе- ратуру 5000-100000 К, непрозрачна для дециметровых и метровых волн, поэтому выйти из неё и достичь Земли могут только сантиметровые волны. Метровые же волны могут прий- ти только из лежащей выше более разрежённой и горячей солнечной короны с температу- рой около 1000 000 - 2000 0000 К. Поскольку волны разной длины приходят от разных слоев солнечной атмосферы, это позволяет исследовать свойства хромосферы и короны по их радиоизлучению. В радиоди- апазоне размер солнечного диска зависит от длины волны, на которой ведется наблюде- ние. На метровых волнах радиус Солнца больше, чем на сантиметровых, и в обоих случа- ях он больше радиуса видимого диска. Радиоизлучение Солнца включает тепловую и нетепловую составляющие. Тепловое радиоизлучение, обусловленное столкновениями электронов и ионов, движущихся с теп- ловыми скоростями, определяет нижнюю границу интенсивности радиоизлучения «спо- койного» Солнца. Интенсивность радиоизлучения принято характеризовать величиной яркостной температуры Tb. 15

Рисунок 8 – Зависимость интенсивности основных компонентов радиоизлучения Солнца (их яркостной температуры) от частоты (длины волны) Яркостная температура – фотометрическая величина, характеризующая интенсив- ность излучения. Часто используется в радиоастрономии. По определению, яркостная температура – это такая температура, которую имело бы абсолютно чёрное тело, облада- ющее такой же интенсивностью в данном диапазоне частот. Нужно отметить, что яркост- ная температура не является температурой в привычном понимании. Она характеризует излучение, и в зависимости от механизма излучения может значительно отличаться от фи- зической температуры излучающего тела. Например, у пульсаров она достигает 1026 0К. В случае излучения «спокойного» Солнца на сантиметровых волнах T b ~ 104 0К, а на метровых Tb ~ 106 0К. Естественно, что для теплового излучения величина Tb совпадает с кинетической температурой слоя, откуда излучение выходит, если этот слой непрозрачен для данного излучения. Представление об уровне радиоизлучения «спокойного» Солнца является идеализа- цией, в действительности же Солнце никогда не бывает совершенно спокойным: бурные процессы в солнечной атмосфере приводят к появлению локальных областей, радиоизлу- чение которых намного увеличивает наблюдаемую величину интенсивности по сравне- нию с уровнем «спокойного» Солнца. Образование на поверхности Солнца центров активности (факелов и пятен) сопро- вождает появлением над ними корональных конденсаций – плотных и горячих, как бы накрывающих активную область. Непосредственно над пятнами горячая корона как бы опускается до высот 2-3 тыс. км, где напряженность магнитного поля около 1000 Э. Тогда электроны помимо излучения при соударениях с протонами (тормозное излучение) долж- ны излучать и при движении вокруг магнитных силовых линий (магнитотормозное излу- чение). Такое излучение обусловливает возникновение над активными областями ярких радиопятен, которые появляются и исчезают примерно в то же время, что и видимые пят- на. Поскольку пятна изменяются медленно (дни и недели), то столь же медленно меня- ется радиоизлучение корональных конденсаций. Поэтому его называют медленно меняю- щимся компонентом. Этот компонент проявляется в основном в диапазоне волн от 2 до 50 см. В основном он тоже является тепловым, поскольку излучающие электроны имеют тепловое распределение скоростей. Однако на определенной стадии развития активной 16

области в пространстве между пятнами наблюдаются источники, имеющие, по-видимому, нетепловую природу. Иногда в области конденсаций наблюдаются внезапные усиления радиоизлучения на тех же волнах – сантиметровые всплески. Их длительность меняется от нескольких минут до десятков минут или даже часов. Такие радиовсплески связаны с быстрым нагревом плазмы и ускорением частиц в области солнечной вспышки. Увеличение температуры и плотности газа в конденсации может быть причиной генерации сантиметровых всплесков с Tb в 107-108 К. Более интенсивные всплески на сантиметровых волнах обусловлены, по- видимому, циклотронным или плазменным излучением субрелятивистских электронов с энергией от десятков до сотен кэВ во вспышечных магнитных арках. Еще выше над корональными конденсациями также наблюдается усиленное радио- излучение, но уже на метровых волнах около 1,5 метра – так называемые шумовые бури; они могут наблюдаться в течение часов и даже дней. Здесь много всплесков длительно- стью около 1 секунды (радиовсплески I типа) в узких интервалах частот. Это радиоизлу- чение связано с плазменной турбулентностью, которая возбуждается в короне над разви- вающимися активными областями, содержащими крупные пятна. Выбросы быстрых электронов и других заряженных частиц из области хромосфер- ной вспышки вызывают ряд эффектов в радиоизлучении активного Солнца. Самые обыч- ные из них – радиовсплески III типа. Их характерной особенностью является то, что ча- стота радиоизлучения меняется со временем, причем в каждый момент времени оно появ- ляется сразу на двух частотах (гармониках), относящихся как 2:1. Всплеск начинается на частоте около 500 МГц (λ ~ 60 см), а затем частота его обеих гармоник быстро уменьша- ется, примерно на 20 МГц в 1 секунду. Весь всплеск длится около 10 секунд. Радиовсплески III типа создаются потоком частиц, выброшенным вспышкой и дви- жущимися через корону. Поток возбуждает колебания плазмы (плазменные волны) на ча- стоте, которая определяется электронной плотностью в том месте короны, где поток в данный момент находится. А поскольку электронная плотность уменьшается при удале- нии от поверхности Солнца, то движение потока сопровождается постепенным уменьше- нием частоты плазменных волн. Часть энергии этих волн может превращаться в электро- магнитные волны с той же или удвоенной частотой, которые и регистрируются на Земле в виде радиовсплесков III типа с двумя гармониками. Как показали наблюдения на косми- ческих аппаратах, потоки электронов, распространяясь в межпланетном пространстве, ге- нерируют радиовсплески III типа вплоть до частот 30 кГц. Вслед за радиовсплесками III типа в 10% случаев наблюдается радиоизлучение в широком интервале частот с максимумом интенсивности на частоте ~ 100 МГц (λ ~ 3 м). Это излучение называется радиовсплесками V типа, всплески длятся около 1-3 мин. По- видимому, они также обусловлены генерацией плазменных волн. При очень сильных вспышках на Солнце возникают радиовсплески II типа, тоже с меняющейся частотой. Их длительность примерно 5-30 мин, а диапазон частот 200-30 МГц. Порождается всплеск ударной волной, движущейся со скоростью v ~ 108 см/с, кото- рая возникает в результате расширения газа при сильной вспышке. На фронте этой волны образуются плазменные волны. Затем они, также как и в случае радиовсплесков III типа, частично переходят в электромагнитные волны. Сходство радиовсплесков II и III типов подчеркивается и тем, что для всплесков характерно излучение на двух гармониках. При распространении в межпланетном пространстве вспышечная ударная волна продолжает генерировать радиовсплеск II типа на волнах гектометрового и километрового диапазо- нов. Когда сильная ударная волна достигает верхней части короны, появляется непре- рывное радиоизлучение в широком диапазоне частот – радиоизлучение IV типа. Оно по- хоже на радиовсплески V типа, но отличается от последних большей длительностью (ино- гда до несколько часов). Радиоизлучение IV типа генерируется субрелятивистскими элек- тронами в плотных облаках плазмы с собственным магнитным полем, которые выносятс я 17

в верхние слои короны. Обычно источники радиоизлучения IV типа поднимаются в ко- роне со скоростью в несколько сотен км/с и прослеживаются до высот 5 солнечных ради- усов над фотосферой. Вспышки, с которыми связаны интенсивные сантиметровые всплес- ки и радиоизлучение II и IV типов на метровых волнах, часто сопровождаются геофизиче- скими эффектами – повышением интенсивности потоков протонов в околоземном косми- ческом пространстве, прекращением радиосвязи на коротких волнах через полярные обла- сти, геомагнитными бурями и т.д. Радиоизлучение в широком диапазоне частот может быть использовано для краткосрочного прогнозирования этих эффектов. Практически все указанные типы всплесков имеют разнообразную тонкую структу- ру. Перечисленными типами всплесков не ограничивается радиоизлучение Солнца, одна- ко описанные выше компоненты являются основными. В соответствии с регламентом Международного союза электросвязи (МСЭ) радио- волны разделены на диапазоны от 0.3·10N Гц до 3·10N Гц, где N - номер диапазона. Рос- сийский ГОСТ 24375-80 почти полностью повторяет эту классификацию. Следует отме- тить, что данная классификация не получила широкого распространения. Радиоизлучение Солнца соответствует диапазонам 8-11, которые широко использу- ются в практике телевизионного и радиовещания, радиосвязи, навигации, персональной связи, локации и т.д. Следует отметить, что данная классификация не получила широкого распространения. Таблица 4 – Классификация радиоволн по регламенту МСЭ и ГОСТ 24375-80 Диапазон N - Диапазон Диапазон Название Диапазон Название обозначение длин энергии волн частот частот МСЭ волны фотонов 1 – ELF 10 - 100 Мм Декамегаметровые 3 - 30 Гц Крайне низкие (КНЧ) 12,4 - 124 фэВ 2 – SLF 1 - 10 Мм Мегаметровые 30 - 300 Гц Сверхнизкие (СНЧ) 124фэВ - 1,24 пэВ 3 – ULF 100 - 1000 км Гектокилометровые 300 - 3000 Гц Инфранизкие (ИНЧ) 1,24 - 12,4 пэВ 4 – VLF 10 - 100 км Мириаметровые 3 - 30 кГц Очень низкие (ОНЧ) 12,4 - 124 пэФ 5 – LF 1 - 10 км Километровые 30 - 300 кГц Низкие (НЧ) 124 пэФ - 1,24 нэФ 6 – MF 100 - 1000 м Гектометровые 300 - 3000 кГц Средние (СЧ) 1,24 - 12,4 нэФ 7 – HF 10 - 100 м Декаметровые 3 - 30 МГц Высокие (ВЧ) 12,4 - 124 нэФ Очень высокие 8 – VHF 1 - 10 м Метровые 30 - 300 МГц 124 нэФ - 1,24 мкэФ (ОВЧ) 300 - 3000 Ультра высокие 9 – UHF 10 cм - 1 м Дециметровые 1,24 - 12,4 мкэФ МГц (УВЧ) 10 – SHF 10 - 100 мм Сантиметровые 3 - 30 ГГц Сверхвысокие (СВЧ) 12,4 - 124 мкэФ Крайне высокие 124 мкэФ - 11 – EHF 1 - 10 мм Миллиметровый 30 - 300 ГГЦ (КВЧ) 1,24 мэФ 300 - 3000 12 – THF 0,1 - 1 мм Децимиллиметровые Гипервысокие 1,24 - 12,4 мэФ ГГц В мире широко используется классификация, которая была принята в IEEE. Институт инженеров по электротехнике и электронике – IEEE [от англ. Institute of Electrical and Electronics Engineers] – международная некоммерческая ассоциация специа- листов в области техники. IEEE появилась в 1963 году в результате слияния Института радиотехников [от англ. Institute of Radio Engineers, IRE], созданного в 1912 году и Американского института ин- 18

женеров-электриков [от англ. American Institute of Electrical Engineers, AIEE], созданного в 1884 году. Главная цель IEEE – информационная и материальная поддержка специалистов для организации и развития научной деятельности в электротехнике, электронике, компью- терной технике и информатике, приложение их результатов для пользы общества, а также профессиональный рост членов IEEE, распространение информации о новейших исследо- ваниях и разработках в радиоэлектронике и электротехнике. Таблица 5 – Классификация радиоволн по IEEE Диапазон Диапазон Диапазон Этимология частот длин волн HF Англ. High freguency 3-30 МГц 10-100 м P Англ. Previous Менее 300 МГц Более 1м VHF Англ. Very high freguency 50-330 МГц 0,9-6 м UHF Англ. Ultra high freguency 300-1000 МГц 0,3-1 м L Англ. Long 1-2 ГГц 15-30 см S Англ. Short 2-4 ГГц 7,5-15 см C Англ. Compromise 4-8 ГГц 3,75-7,5 см X 8-12 ГГц 2,5-3,75 см KU Англ. Unter K 12-18 ГГц 1,67-2,5 см K Нем. Kurz - короткий 18-27 ГГц 1,11-1,67 см KA Англ. Abode K 27-40 ГГц 0,75-1,11 см mm 40-300 ГГц 0,1-7,5 см V 40-75 ГГц 0,4-7,5 мм W 75-110 ГГц 0,27-0,4 мм На первый взгляд классификация радиоволн по IEEE не столь системна как класси- фикация по МСЭ, но более удобна в области микроволн и пришла от практики. Например, X-диапазон – диапазон частот сантиметровых длин волн, используемых для наземной и спутниковой радиосвязи. По определению IEEE простирается от 8 до 12 ГГц (от 3,75 до 2,5 см), хотя в спутниковой связи «сдвинут» в сторону С-диапазона и лежит примерно между 7 и 10,7 ГГц. Во время Второй Мировой войны Х-диапазон был засекречен, и по- этому получил название X-диапазона. 19

3. Солнечная инсоляция на верхней границе атмосферы Земли Важнейшим параметром, определяющим физические условия на планетах солнечной системы, является количество получаемой энергии от Солнца, которая характеризуется солнечной постоянной S0. Для планеты Земля изменение значения солнечной постоянной за последние 35 лет представлено на рисунке. Рисунок 9 – Изменение значения солнечной постоянной за последние 35 лет. Из рисунка следует, что значение солнечной постоянной для Земли находится в ин- тервале 1367±0,13 Вт/м² и имеет период изменения около 11 лет. Красным цветом показа- но усреднение за месяц, чёрным – за год. Солнечная постоянная определяется для любой планеты солнечной системы и пред- ставляет собой характеристику количества солнечной энергии приходящей за единицу времени на перпендикулярную солнечным лучам единичную площадку на среднем рас- стоянии планеты от Солнца. Инсоляция – это поток солнечного излучения, падающего на единичную горизон- тальную площадку, в течение заданного отрезка времени (): ∫ () (4) Инсоляции на верхней границе атмосферы Земли определяет величины энергии, приходящие от Солнца на различных широтах и в различное время года. Поток солнечной энергии на верхней границе атмосферы определяется формулой () () (5) где – поток на перпендикулярную направлению солнечного излучения единичную площадку на верхней границе атмосферы, θ – зенитный угол Солнца в рассматриваемой точке и в рассматриваемое время. Если учесть, что расстояние между Землёй и Солнцем меняется при движении Земли по орбите, то можно записать (6) где r0 и r – среднее и мгновенное расстояния Земли от Солнца. 20

Относительное изменение солнечного потока на верхней границе атмосферы Земли (()) для различных месяцев года представлены в таблице. Таблица 6 – Относительные изменения солнечного потока по месяцам Номер месяца 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 в году d, % 3,4 2,8 1,8 0,2 -1,5 -2,8 -3,5 -3,1 -1,7 -0,3 1,6 1,8 Из таблицы следует, что Земля получает от Солнца больше энергии зимой, чем ле- том. Земля зимой ближе к Солнцу, чем летом и поэтому получает почти на 7% больше энергии. Полная солнечная энергия, приходящая за день на единичную площадку, может быть определена на основе выражения [ ()], (7) где Н – половина светового времени суток, т.е. от восхода и заката Солнца до полудня; ω – угловая скорость вращения Земли; φ – географическая широта; δ – склонение Солнца. Результаты расчётов полной солнечной энергии, приходящей за день на единичную площадку на верхней границе атмосферы, в зависимости от широты и дня года приведены на рисунке. Рисунок 10 – Суточные суммы солнечной энергии, приходящие на единичную площадку на верхней границе атмосферы, в зависимости от широты и времени года (Ку-Нан Лиоу, Основы радиационных процессов в атмосфере. Л.: Гидроме- теоиздат, 1984. - 376 с.). 21

Поскольку Солнце ближе всего подходит к Земле в январе (зима северного полуша- рия), распределение суточных сумм солнечной энергии происходит не совсем равномер- но. Максимальная инсоляция имеет место летом на полюсах, что связано с длительностью светового времени суток (24 часа). Минимальное количество равно нулю на полюсах во время полярных ночей. ⃰ ⃰ ⃰ Солнце – центральное тело Солнечной системы, в нём сконцентрировано более 99,86% всей её массы и удалено от Земли в среднем на расстояние 149 597 870 км. По земным меркам светимость Солнца колоссальна и достигает 3,85·1023 кВт. Даже ничтож- ная доля энергии, которая облучает земной шар (а это, примерно, одна десятимиллиард- ная) по своей мощности в десятки тысяч раз больше, чем могут выработать все электро- станции мира. Энергия солнечных лучей, падающих на перпендикулярную к ним площад- ку в 1 м2 на Земле, могла бы заставить работать двигатель мощностью 1,4 кВт, а 1 м 2 ат- мосферы Солнца излучает энергию с мощностью 60 мВт. Спектр электромагнитного излучения Солнца близок к спектру излучения абсолют- но чёрного тела с температурой около 60000 К. Суточные суммы солнечной энергии, при- ходящие на единичную площадку на верхней границе атмосферы, зависят от широты и времени года. Максимальная инсоляция на верхней границе атмосферы имеет место летом на полюсах, что связано с длительностью светового времени суток (24 часа), минималь- ная – на обоих полюсах во время полярных ночей. Для решения задач дистанционного зондирования Земли из космоса наиболее важ- ными являются отражённые от земных объектов солнечные электромагнитные излучения в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном частях спектра. Большая часть ультрафиолетового излучения УФ-А не поглощается кислородом и озоном атмосферы и достигает поверхности Земли. Ультрафиолетовое излучение УФ-В поглощается озоном и то, какая его часть достигнет поверхности, зависит от содержания озона в атмосфере Земли. Ультрафиолетовое излучение УФ-С поглощается озоном и кис- лородом атмосферы, а поверхности Земли достигает очень малая часть этого излучения. Видимое излучение попадает в «оптические окна» и практически не поглощается земной атмосферой. Чистый воздух рассеивает голубой свет несколько сильнее, чем свет с большими диапазонами волн, поэтому полуденное небо выглядит голубым. Инфракрасное излучение также называют «тепловым» излучением, так как инфра- красное излучение от нагретых предметов воспринимается кожей человека как ощущение тепла. В коротковолновом поддиапазоне инфракрасное излучение рассеивается почти также как в видимом диапазоне и основным источником этого излучения является Солн- це. В среднем поддиапазоне большая часть излучения поглощается компонентами атмо- сферы (водяной пар, углекислый газ). В дальнем поддиапазоне меньше энергии рассеива- ется в атмосфере, а основным источником излучения является поверхность Земли. Помимо знания спектральных характеристик электромагнитного излучения Солнца, приходящего на верхнюю границу атмосферы Земли, разработчикам космических систем ДЗЗ и пользователям космической информацией необходимо знать зависимость поступа- ющей энергии электромагнитного излучения Солнца от времени и географической широ- ты объекта мониторинга. 22

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.

СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ

СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ - электромагнитное и корпускулярное излучение Солнца. Электромагнитная радиация распространяется в виде электромагнитных волн со скоростью света и проникает в земную атмосферу . До земной поверхности солнечная радиация доходит в виде прямой и рассеянной радиации.
Солнечная радиация - главный источник энергии для всех физико-географических процессов, происходящих на земной поверхности и в атмосфере (см. Инсоляция). Солнечная радиация обычно измеряется по ее тепловому действию и выражается в калориях на единицу поверхности за единицу времени. Всего Земля получает от Солнца менее одной двухмиллиардной его излучения.
Спектральный диапазон электромагнитного излучения Солнца очень широк - от радиоволн до рентгеновских лучей - однако максимум его интенсивности приходится на видимую (жёлто-зелёную) часть спектра.
Существует также корпускулярная часть солнечной радиации, состоящая преимущественно из протонов, движущихся от Солнца со скоростями 300-1500 км/с (солнечный ветер). Во время солнечных вспышек образуются также частицы больших энергий (в основном протоны и электроны), образующие солнечную компоненту космических лучей.
Энергетический вклад корпускулярной составляющей солнечной радиации в её общую интенсивность невелик по сравнению с электромагнитной. Поэтому в ряде приложений термин «солнечная радиация» используют в узком смысле, имея в виду только её электромагнитную часть.
Количество солнечной радиации зависит от высоты солнца, времени года, прозрачности атмосферы . Для измерения солнечной радиации служат актинометры и пиргелиометры. Интенсивность солнечной радиации обычно измеряется по её тепловому действию и выражается в калориях на единицу поверхности за единицу времени.
Солнечная радиация сильно влияет на Землю только в дневное время, безусловно - когда Солнце находится над горизонтом. Также солнечная радиация очень сильна вблизи полюсов, в период полярных дней, когда Солнце даже в полночь находится над горизонтом. Однако зимой в тех же местах Солнце вообще не поднимается над горизонтом, и поэтому не влияет на регион. Солнечная радиация не блокируется облаками, и поэтому вс равно поступает на Землю (при непосредственном нахождении Солнца над горизонтом). Солнечная радиация - это сочетание ярко-жёлтого цвета Солнца и тепла, тепло проходит и сквозь облака . Солнечная радиация передаётся на Землю посредством излучения, а не методом теплопроводности.
Сумма радиации, полученной небесным телом, зависит от расстояния между планетой и звездой - при увеличении расстояния вдвое количество радиации, поступающее от звезды на планету уменьшается вчетверо (пропорционально квадрату расстоянию между планетой и звездой). Таким образом, даже небольшие изменения расстояния между планетой и звездой (зависит от эксцентристета орбиты) приводят к значительному изменению количества поступающей на планету радиации. Эксцентристет земной орбиты тоже не является постоянным - в с течением тысячелетий он меняется, периодически образуя то практически идеальный круг, иногда же эксцентристет достигает 5% (в настоящее время он равен 1,67%), то есть в перигелии Земля получает в настоящее время в 1,033 больше солнечной радиации, чем в афелии, а при наибольшем эксцентристите - более чем в 1,1 раза. Однако гораздо более сильно количество поступающей солнечной радиации зависет от смен времён года - в настоящее время общее количество солнечной радиации, поступающее на Землю, остаётся практически неизменным, но на широтах 65 С.Ш (широта северных городов России, Канады) летом количество поступающей солнечной радиации более чем на 25% больше, чем зимой. Это происходит из-за того, что Земля по отношению к Солнцу наклонена под углом 23,3 градуса. Зимние и летние изменения взаимно компенсируются, но тем не менее по росту широты места наблюдения всё больше становится разрыв между зимой и летом, так, на экваторе разницы между зимой и летом нет. За Полярным кругом же летом поступление солнечной радиации очень высоко, а зимой очень мало. Это формирует климат на Земле. Кроме того, периодические изменения эксцентристета орбиты Земли могут приводить к возникновению различных геологических эпох: к примеру,

Дажьбог у славян, Апполон у древних греков, Митра у индоиранцев, Амон Ра у древних египтян, Тонатиу у ацтеков – этими именами в древнем пантеизме люди называли Бога-Солнце.

С древних времен люди понимали, какое большое значение для жизни на Земле имеет Солнце, и обожествляли его.

Светимость Солнца огромная и составляет 3,85х10 23 кВт. Солнечная энергия, воздействующая на площадь всего в 1 м 2 способна зарядить двигатель в 1,4 кВт.

Источником энергии является термоядерная реакция, проходящая в ядре звезды.

Образующийся при этом 4 He составляет, без малого (0,01%) весь гелий земли.

Звезда нашей системы испускает электромагнитное и корпускулярное излучение. С внешней стороны короны Солнца в космическое пространство «дует» солнечный ветер, состоящий из протонов, электронов и α-частиц. С солнечным ветром теряется ежегодно 2-3х10 -14 массы светила. С корпускулярным излучением связаны магнитные бури и полярное сияние.

Электромагнитное излучение (солнечная радиация) достигает поверхности нашей планеты в виде прямых и рассеянных лучей. Спектральный диапазон его составляют:

• ультрафиолетовое излучение;
• рентгеновские лучи;
• γ-лучи.

На коротковолновую часть приходится всего 7% энергии. Видимый свет составляет 48% энергии радиации Солнца. В основном он составлен сине-зеленым спектром излучения, 45% составляет инфракрасное излучение и только незначительная часть представлена радиоизлучением.

Ультрафиолетовое излучение, в зависимости от длины волны, подразделяют на:

Большая часть ультрафиолетового излучения с большой длиной волны достигает поверхности земли. Количества дошедшей до поверхности планеты УФ-В энергии зависит от состояния озонового слоя. УФ-С почти полностью поглощается озоновым слоем и газами атмосферы. Еще в 1994 г. ВОЗ и ВМО предложили ввести индекс ультрафиолета (UV, Вт/м 2).

Видимая часть света и не поглощается атмосферой, но волны некоторого спектра рассеиваются. Инфракрасный цвет или тепловая энергия в средневолновом диапазоне, в основном, поглощается водяным паром и углекислым газом. Источником длинноволнового спектра является земная поверхность.

Все перечисленные выше диапазоны имеют огромное значение для жизни на Земле. Значительная часть солнечной радиации не попадает на поверхность Земли. У поверхности планеты регистрируется следующие виды излучения:

• 1% ультрафиолетового;
• 40% оптического;
• 59% инфракрасного.

Виды излучений

Интенсивность солнечной радиации зависит от:

• широты;
• сезона;
• времени суток;
• состояния атмосферы;
• особенностей и рельефа земной поверхности.

В разных точках Земли солнечная радиация по-разному влияет на живые организмы.

Фотобиологические процессы, протекающие под действием энергии света, в зависимости от их роли, можно подразделить на следующие группы:

• синтез биологически активных веществ (фотосинтез);
• фотобиологические процессы, помогающие ориентироваться в пространстве и помогающие получить информацию (фототаксис, зрение, фотопериодизм);
• повреждающее воздействие (мутации, канцерогенные процессы, деструктивное воздействие на биоактивные вещества).

Расчет инсоляции

Световое излучение оказывает стимулирующий эффект на фотобиологические процессы в организме – синтез витаминов, пигментов, клеточная фотостимуляция. В настоящее время изучается сенсибилизирующее влияние солнечного света.

Ультрафиолетовое излучение, воздействуя на кожные покровы человеческого тела, стимулирует синтез витаминов D, В4 и белков, являющихся регуляторами многих физиологических процессов. Ультрафиолетовое излучение оказывает воздействие на:

• обменные процессы;
• иммунную систему;
• нервную систему;
• эндокринную систему.

Сенсибилизирующее влияние ультрафиолета зависит от длины волны:

Стимулирующее действие солнечных лучей выражается в повышении специфического и неспецифического иммунитета. Так, например, у детей, которые подвергаются умеренному природному УФ облучению, количество простудных заболеваний снижается на 1/3. При этом эффективность лечения повышается, отсутствуют осложнения, сокращается период заболевания.

Бактерицидные свойства коротковолнового спектра УФ излучения применяются в медицине, пищевой промышленности, фармацевтическом производстве для обеззараживания сред, воздуха и продукции. Ультрафиолетовое излучение уничтожает туберкулезную палочку в течение нескольких минут, стафилококк – за 25 минут, а возбудителя брюшного тифа – за 60 мин.

Неспецифический иммунитет, в ответ на ультрафиолетовое облучение, отвечает увеличением титров комплимента и агглютинации, повышением активности фагоцитов. Но повышенное УФ-облучение вызывает патологические изменения в организме:

• рак кожи;
• солнечную эритему;
• повреждение иммунной системы, которое выражается в появлении веснушек, невусов, солнечных лентиго.

Видимая часть солнечного света:

• дает возможность получения 80% информации с помощью зрительного анализатора;
• ускоряет обменные процессы;
• улучшает настроение и общее самочувствие;
• согревает;
• влияет на состояние ЦНС;
• определяет суточные ритмы.

Степень воздействия инфракрасного излучения зависит от длины волны:

• длинноволновое – обладает слабой проникающей способностью и в значительной степени поглощается поверхностью кожи, вызывая эритему;
• коротковолновое – проникает вглубь организма, оказывая сосудорасширяющее действие, болеутоляющее, противовоспалительное.

Кроме воздействия на живые организмы, солнечная радиация имеет большое значение в формировании климата Земли.

Значение солнечной радиации для климата

Солнце является главным источником тепла, формирующим земной климат. На ранних этапах развития Земли Солнце излучало на 30% меньше тепла, чем сейчас. Но благодаря насыщению атмосферы газами и вулканической пылью климат на Земле был влажный и теплый.

В интенсивности инсоляции отмечается цикличность, которая обуславливает потепление и похолодание климата. Цикличностью объясняется малый ледниковый период, наступивший в XIV-XIX вв. и потепление климата, наблюдавшееся в период 1900-1950 гг.

В истории планеты отмечается периодичность изменения наклона оси и экстреситет орбиты, что изменяет перераспределение солнечной радиации на поверхности и влияет на климат. Так, например, эти изменения отражаются на увеличении и уменьшении площади пустыни Сахары.

Межледниковые периоды длятся около 10000 лет. Сейчас Земля находится в межледниковом периоде, который называется гелиоценом. Благодаря ранней сельскохозяйственной деятельности человека этот период длиться дольше, чем рассчитано.

Учеными описаны 35-45 летние циклы изменения климата, во время которых сухой и теплый климат меняется на прохладный и влажный. Они влияют на наполнение внутренних водоемов, уровень Мирового океана, изменение оледенения в Арктике.

Солнечная радиация по-разному распределяется. Так, например, в средних широтах в период с 1984 по 2008 год отмечалось увеличение суммарной и прямой солнечной радиации и уменьшение рассеянной. Изменение интенсивности отмечается и в течение года. Так, пик приходится на май-август, а минимум – на зимний период.

Так как высота Солнца и продолжительность светового дня в летнее время больше, то на этот период приходится до 50% суммарной годовой радиации. А в период с ноября по февраль – всего 5%.

Количество солнечной радиации, попадающей на определенную поверхность Земли, влияет на важные климатические показатели:

• температуру;
• влажность;
• атмосферное давление;
• облачность;
• осадки;
• скорость ветра.

Увеличение солнечной радиации увеличивает температуру и атмосферное давление, остальные характеристики находятся в обратном отношении. Ученые выяснили, что наибольшее влияние на климат оказывают уровни суммарной и прямой радиации Солнца.

Меры защиты от солнечного излучения

Сенсибилизирующее и повреждающее воздействие на человека солнечная радиация проявляет в виде теплового и солнечного удара, негативного воздействия излучения на кожу. Сейчас большое количество знаменитостей присоединились к движению против загара.

Анжелина Джоли, например, говорит, что ради двух недель загара она не хочет жертвовать несколькими годами жизни.

Чтобы защититься от солнечной радиации, необходимо:

1. загорать в утренние и вечерние часы – самое безопасное время;
2. пользоваться солнцезащитными очками;
3. в период активного солнца:

• покрывать голову и открытые участки тела;
• использовать солнцезащитный крем с УФ-фильтром;
• приобрести специальную одежду;
• защищать себя с помощью широкополой шляпы или зонта от солнца;
• соблюдать питьевой режим;
• избегать интенсивных физических нагрузок.

При разумном использовании, солнечная радиация оказывает благотворное влияние на организм человека.

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.