Изменение спектра излучения солнца

Спектр солнечного излучения: описание, особенности и интересные факты

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

Что такое солнечная радиация?

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

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

Свет — движущаяся энергия

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

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

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

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

Источник всей энергии

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

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

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

Основные спектры солнечного излучения

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

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

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

Ультрафиолетовое излучение

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

Видимое излучение

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

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

Инфракрасное излучение

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

Заключение

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

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

Источник

Вариации солнечного излучения

Вариации солнечного излучения (солнечные вариации) — термин, характеризующий изменения во времени текущего излучения Солнца, его спектрального распределения, и сопутствующие этим изменениям явления. Различают периодические компоненты этих изменений, основным из которых является одиннадцатилетний солнечный цикл, и апериодические изменения [1] .

Изменения светимости Солнца оставались на пределе или ниже предела чувствительности приборов ИСЗ, начиная с начала эры космических полетов и начала регулярных наблюдений из космоса. Небольшая часть ультрафиолетового диапазона изменяется в пределах нескольких процентов. Общая светимость Солнца изменяется на 0,1 % или на 1,3 Вт/м² в пределах 11-летних циклов активности, что было определено в ходе наблюдений последних трех циклов из космоса [2] [3] [4] . Полное количество солнечной радиации, получаемой на верхней границе земной атмосферы, составляет в среднем 1 366 Вт/м² [5] [6] [7] .

Не существует прямых измерений более длительных изменений, а измерения на основании чувствительных к климату радиоизотопных маркеров (англ. proxy ) дают разнящиеся результаты — с одной стороны существуют свидетельства очень незначительных изменений (

0.1 %) на протяжении последних 2000 лет [8] , другие исследования указывают на увеличение светимости на

0,2 % с начала XVII столетия [9] [10] . На климат оказывает влияние также вулканическая активность, как, например, в случае минимума Маундера. Кроме изменений в яркости Солнца, более мягкое влияние на климат оказывает также магнитная активность солнечного ветра в земной магнитосфере и изменения в ультрафиолетовой части спектра Солнца, но модели такого рода воздействий на климат слабо развиты по состоянию на 2009 год [11] .

Содержание

Солнечная активность

Вариации солнечного излучения, согласно современным данным, связаны главным образом с изменениями магнитной активности Солнца.

Влияние физических параметров Солнца на Землю

Существуют гипотезы о влиянии изменений физических параметров Солнца на климат Земли, в частности, на общую инсоляцию. Некоторые вариации, такие как изменение диаметра Солнца, сейчас представляют интерес только для астрономии.

Изменения полной яркости

Общеспектральная яркость медленно изменяется на десятилетнем и более длительных интервалах времени.
Вариации в ходе последних циклов активности оставались в пределах 0,1 % [2] .
Изменения, соответствующие солнечным циклам с периодами 9-13, 18-25 и >100 лет, имеют свое отражение в температурах суши и океанов.
После минимума Маундера на протяжении 300 лет имело место увеличение светимости Солнца от 0.1 до 0,6 %, при этом климатические модели часто используют значение 0,25 % [12] .
Реконструкции яркости на основании данных «ACRIM» показывают тренд 0,04 % в десять лет, который говорит об увеличении светимости между минимумами в ходе периода наблюдений [13] . Также можно наблюдать отчетливую связь геомагнитной и солнечной активности [14][15] .

Изменение яркости в ультрафиолетовом диапазоне

Светимость в ультрафиолетовом диапазоне — длины волн UV-диапазона 200—300 нм — изменяется приблизительно на 1,5 % от солнечного минимума к максимуму [16] .
Изменения энергии в UV-диапазоне играют роль в изменении количества атмосферного озона, что объясняется следующим:
- Высота, соответствующая давлению атмосферы 30 гПа, изменялась в ходе последних четырёх циклов солнечной активности.
- Увеличение UV-светимости приводит к образованию бо́льшего количества озона, приводит к увеличению температурыстратосферы и смещает циркуляцию тропосферных и стратосферных воздушных систем в направлении к полюсам Земли.

Изменения солнечного ветра и магнитного взаимодействия

Усиление солнечного ветра и, соответственно, усиление магнитного поля приводит к сокращению интенсивности космических лучей.
Изменения солнечного ветра влияют на размер гелиосферы, что выражается в её росте вместе с ростом СА.
Космогенное образование 14 C, ионизации в верхних слоях атмосферы также претерпевает изменения, но значимые изменения не очевидны.
По мере того, как поток заряженных частиц, исходящий из Солнечной короны, увеличился вдвое в течение прошлого столетия, поток космических лучей снизился на 15 %.
Исходящий от Солнца солнечный ветер должен был вырасти в 1.41 раз за период 1964-1996 гг. и в 2.3 раза за период 1901-2009 гг.

Влияние на облачность

Предполагается, что космические лучи влияют на процесс формирования облачности путем возможного образования ядер конденсации в воздухе. Изменения в уровне ионизирующего излучения влияет на количество аэрозолей в атмосфере, которые играют роль ядер конденсации при образовании облаков. Изменения на 3-4 % в уровне облачности связывают с 11-ти и 22-х летними циклами [17] . Из-за разных климатических условий на разных широтах общее влияние на уровень облачности и альбедо должно составлять 1,5-2 % [18] . Однозначного подтверждения этого явления ещё не найдено:

В период 1983-1994 гг. на основании данных «Международного спутникового проекта облачной климатологии» (англ.International Satellite Cloud Climatology Project, ISCCP) было показано, что интенсивность образования низкой облачности коррелирует с космическим излучением, впоследствии это было опровергнуто [19] .
На основании изучения освещения Луныотраженным светом Земли было определено, что альбедо планеты снизилось на 2,5 % в течение пяти лет последнего солнечного цикла в начале первой декады XXI века, что соответствует снижению облачности вместе с ростом СА.
Изучение образцов грунта из Средиземного моря показало зависимость образования планктона, схожую по времени с 11-летним циклом, а также в 3.7 раз бо́льшее количество планктона в период 1760-1950 гг. Последнее должно указывать на ме́ньший уровень облачности в указанный период.
Лабораторные эксперименты в условиях, приближенных к реальным, демонстрируют ускорение образования ядер конденсации с ростом ионизирующего излучения[20] .

Другие эффекты солнечных вариаций

Взаимодействие частиц солнечного ветра, магнитного поля Солнца и магнитного поля Земли приводит к изменениям потока заряженных частиц и электромагнитных полей около планеты. Экстремальные солнечные явления могут воздействовать и нарушать работу электрических устройств, в первую очередь работу искусственных спутников Земли. Ослабление активности Солнца считается причиной увеличения межзвездного космического излучения, достигающего окрестности Земли, что может служить причиной образования облачности, которая увеличивает альбедо планеты, тем самым усиливая охлаждающий эффект на климат.

Геомагнитные эффекты

Земные полярные сияния являются видимым результатом взаимодействия солнечного ветра, солнечной и земной магнитосфер и атмосферы. Экстремальные явления, связанные с СА, приводят к значительным возмущениям магнитного поля Земли, что становится причиной геомагнитных бурь.

Влияние солнечных протонов

Солнечные протоны высоких энергий могут достичь Земли быстрее чем за 30 мин после вспышки. Во время таких «бомбардировок солнечными протонами» Земля поливается заряженными частицами высоких энергий, в основном протонами, высвобожденными в зоне вспышки на Солнце. Некоторые из частиц достигают верхних слоев атмосферы, где они создают дополнительную ионизацию и могут вызвать значительное повышение радиационного уровня.

Галактические космические лучи

Увеличение СА c бо́льшим числом пятен приводит к усилению потока заряженных частиц или солнечного ветра. Комбинация увеличения гелиосферы и усиления солнечно-земных взаимодействий приводит к снижению интенсивности галактического космического излучения. В периоды минимумов СА происходит рост интенсивности космических лучей — они становятся основным источником ионизации в тропосфере на высоте более 1 км, ниже этой отметки основным источником является радон.

Уровни космических лучей косвенно отражаются в образовании 14 C и осцилляциях Дансгора-Эшгера. Цикл Глейшберга, продолжительностью 80-90 лет, скорее всего имеет меняющуюся длину в зависимости от продолжительности 11-ти летних циклов, что подтвержается маркерами, связанными с космическим излучением.

Образование радиоуглерода

Образование 14 C связано с солнечной активностью. Радиоуглерод получается при облучении атмосферного изотопа азота β-распад и образует тяжелый изотоп углерода. Увеличение СА ведет к уменьшению скорости образования радиоуглерода из-за частичной экранировки галактического излучения [21] . Путем измерения количества изотопа 14 C, вступившего в органические связи при росте многолетних растений, и подсчетом колец этих деревьев определяют скорость образования этого изотопа в атмосфере. На основании анализа данных за последние 10 000 лет было определено, что образование 14 C было максимальным во время Голоцена 7 000 лет назад и уменьшалась вплоть до момента времени 1000 лет назад. Кроме изменений СА, долговременные тренды 14 C связаны с изменением геомагнитного поля и с изменением циркуляции углерода в биосфере, например, во время ледникового периода [22] .

Глобальное потепление

Примерно до 2009 года наиболее влиятельная группа экспертов полагала, что вариации солнечного излучения не оказывают решающей роли в современном изменении климата [23] . Межправительственная группа экспертов по изменению климата в своем третьем оценочном отчете (англ. IPCC Third Assessment Report ) утверждает, что измеренная величина современной солнечной активности гораздо менее значима по сравнению с влиянием на климат парниковых газов в атмосфере [24] .

Теория изменений на Солнце

Изменения полной солнечной светимости считаются наиболее вероятной причиной значительных изменений климата до наступления индустриальной эры [12] . Последние исследования также указывают на значительный вклад повышенной солнечной активности в современное глобальное потепление [25] . Это контрастирует с результатами более ранних исследований, которые основывались на климатических моделях, согласно которым, существующих изменений яркости Солнца недостаточно для значимого влияния на климат [26] . Таким образом, на 2009 год оценка влияния солнечной активности является областью активных научных исследований.

В целом, теории, описывающие современное изменение климата по причине вариаций солнечного излучения, можно отнести к одной из следующих трех групп:

первая группа исходит из предположения, что изменения видимой светимости непосредственно воздействуют на климат. Обычно это утверждение считается маловероятным по причине малой амплитуды изменения яркости;
следующая группа предполагает, что наиболее существенное влияние на климат оказывают изменения в UV-части спектра. Так как амплитуда вариаций этой части спектра гораздо выше средних общеспектральных изменений, эти изменения могут быть причиной бо́льшого влияния на климат;
третья группа относится к изучению побочных эффектов, сопутствующих снижению солнечной активности, при котором имеет место усиление галактического космического излучения, что усиливает образование облачности и влияет на климат.

В 1991 году была обнаружена взаимосвязь между количеством пятен и изменением температуры в северном полушарии на основании сопоставления астрономических и метеорологических данных на интервале времени с 1861 по 1989 гг., позже эти исследования были подтверждены и расширены на несколько столетий [27] . Однако после исключения ошибок в этих данных сенсационное подтверждение связи солнечной активности и современного глобального потепления было опровергнуто. Несмотря на это, данный график достаточно часто представляют связью между уровнем солнечной активности и климатом, что неверно [19] .

В 2000 году была опубликована работа, в которой утверждалось, что увеличение солнечной активности ответственно за половину температурного роста с 1900 года, но не может объяснить рост на 0.4 °C с 1980 г. Дополнительный рост объясняется повышением концентрации парниковых газов в атмосфере [28] . В этом же году вышла работа, в которой использовалась наиболее современная модель климата XX века с учетом изменений солнечной активности, влияния вулканических извержений и антропогенных факторов, то есть с учетом роста концентрации парниковых газов и сульфатных аэрозолей. Также принимались в расчет неодинаковое изменение светимости Солнца в разных участках спектра и не рассматривалось усиление влияния космического излучения при слабой солнечной активности. Итогом этой работы стало заключение, что изменение солнечной активности играло доминирующую роль в начале двадцатого века, а парниковый эффект ответственен за потепление в конце столетия и будет играть все усиливающуюся роль в климате планеты [29] . Вдобавок подчеркивается неопределенность в «исторически-обусловленном влиянии на климат» или неполная картина влияния большой теплоемкости океанов на текущее состояние климата [30] . Графическое представление [31] взаимосвязи между естественными и антропогенными вкладами в изменения климата представлены в отчете Межправительственной группы экспертов по изменению климата «Изменение климата 2001: Научный базис» (англ. Climate Change 2001: The Scientific Basis ) [32] . Современные исследования предполагают вклад вариаций солнечной активности в современный климат на уровне от 16 % до 36 % [33] .

Источник