Спектр лучей от солнца

Солнечная радиация или ионизирующее излучение солнца

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.

Источник

Солнечная радиация

Из Википедии — свободной энциклопедии

Солнечная Радиация — электромагнитное и корпускулярное излучение Солнца. Следует отметить, что данный термин является калькой с англ. Solar radiation («Солнечное излучение»), и в данном случае не означает радиацию в «бытовом» смысле этого слова (ионизирующее излучение).

Солнечная радиация измеряется мощностью переносимой ею энергии на единицу площади поверхности (ватт/м 2 ) (см. Солнечная постоянная). В целом, Земля получает от Солнца менее 0,5×10 −9 (одной двухмиллиардной) от энергии его излучения.

Электромагнитная составляющая солнечной радиации распространяется со скоростью света и проникает в земную атмосферу. До земной поверхности солнечная радиация доходит в виде прямых и рассеянных лучей. Спектральный диапазон электромагнитного излучения Солнца очень широк — от радиоволн (Солнечные радио всплески) [1] 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 (см. 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. Подавляющая доля частиц задерживается Атмосферой Земли, либо поглощается верхними слоями земной атмосферы, поэтому в ряде приложений термин «солнечная радиация» используют в узком смысле, имея в виду только её электромагнитную часть.

Источник

Солнечный спектр

Перед вами — видимая часть солнечного спектра в интервале от 4000 до 7000 Å (ангстрем — это внесистемная единица длины, равная 10 −10 м, то есть 10 Å=1 нм). Изображение создано на основе данных цифрового атласа, полученных при помощи фурье-спектрографа обсерватории McMath-Pierce Solar Observatory, расположенной в пустыне Сонора (штат Аризона, США). Эта обсерватория является частью комплекса Национальной обсерватории Китт-Пик (Kitt Peak National Observatory).

Это сплошная, непрерывная лента перехода от красного до фиолетового, разбитая на 50 полос по 60 ангстрем. Лента испещрена вертикальными фраунгоферовыми линиями — темными перерывами в радуге солнечного спектра, разделяющими ленту на отдельные «кирпичики». Наличие этих линий объясняется присутствием в атмосфере Солнца элементов, атомы которых поглощают свет на определенных частотах. Поэтому в местах спектра, соответствующих этим частотам, образуются темные провалы.

При взгляде на Солнце невооруженным глазом мы видим его ярким желтым или белым раскаленным диском. Но еще Исаак Ньютон, разложив солнечный свет в спектр при помощи стеклянной призмы, показал, что в нем присутствуют, плавно переходя друг в друга, все видимые нами цвета от красного до фиолетового. На самом деле диапазон солнечного излучения, конечно, гораздо шире. Видимый нами свет — это узкая часть электромагнитного спектра, простирающегося от гамма-излучения до многокилометровых радиоволн (подробнее можно посмотреть на нашем интерактивном плакате).

Солнце светит, не ограничивая себя узкой полосой видимого света: внеатмосферные наблюдения зафиксировали излучение в диапазоне от 0,001 Å до 1 км (атмосфера поглощает часть солнечного излучения). Излучает Солнце и в рентгене, и в инфракрасной области, и в ультрафиолете, и даже в области радиоволн.

Солнечный спектр, как видно на главном фото, сплошной, но перекрывается темными провалами линий поглощения. Что это значит? Любое вещество, как мы знаем со времен Демокрита, состоит из атомов. Сами же атомы, чего не знал Демокрит, состоят из ядра и электронов и имеют свои энергетические уровни — фиксированные значения энергии, которыми могут обладать электроны, находящиеся вокруг ядра. Переход электрона с уровня на уровень сопровождается испусканием (или поглощением) энергии в виде света.

Рассмотрим этот процесс на примере атома водорода. Переходы могут происходить и со второго уровня на первый, и с пятого на третий. Все возможные переходы с вышележащих уровней на какой-то один называются спектральной серией. Так, переходы на первый уровень — это серия Лаймана, на второй — серия Бальмера и так далее. При этих переходах излучаются кванты света (фотоны) определенной частоты и длины волны.

Фотоны в видимом диапазоне излучаются только при переходах с верхних уровней на второй уровень. Все переходы на первый уровень (серия Лаймана) лежат в ультрафиолетовой области, на третий и выше — в инфракрасной. Чем больше энергия фотона, тем больше его частота и тем, соответственно, меньше длина волны. Переход с третьего уровня на второй излучает меньше всего энергии, так как разница между столь близкими уровнями невелика. Поэтому фотон получается самый низкоэнергетичный для этой серии и с самой большой длиной волны — 6565 Å (или 656,5 нм). Он дает красную полосу в спектре водорода (поскольку 6565 Å — это длина волны красного цвета). «Падения» с более высоких уровней будут давать фотоны со всё большим смещением в фиолетовую часть спектра.

Спектры излучения атомов имеют, таким образом, четкие раздельные светящиеся линии, частота которых соответствует частотам излученных фотонов. Такой спектр называется линейчатым. В 1859 году физик Густав Кирхгоф и химик Роберт Бунзен показали, что спектрам излучения атомов различных веществ соответствуют различные наборы линий в спектрах. Иными словами, линейчатый спектр каждого элемента уникален, как отпечаток пальца, и по этому отпечатку его можно идентифицировать. Так появился спектральный анализ.

Благодаря этим уникальным портретам атомов стало возможным выявить присутствие вещества в любом теле, смеси жидкостей или газов, спектр которого мы получили и можем рассмотреть. Но чтобы обладать линейчатым спектром, вещество должно состоять из таких отдельных атомов, то есть быть разреженным атомарным газом. Например, в хромосфере (части атмосферы) Солнца присутствует в виде очень разреженного газа ионизированный кальций.

Если же вещество состоит из молекул, а не из отдельных атомов, его спектры становятся более «размазанными», состоящими из широких полос. В молекулах из-за взаимодействия атомов появляются новые энергетические уровни с близкими значениями энергий, и картина от них выглядит как широкие полосы. В том же случае, когда вещество находится в твердом или жидком состоянии или представляет собой газ, находящийся под высоким давлением, его молекулы постоянно взаимодействуют и порождают уже не уровни, а целые энергетические зоны, переходы между которыми и внутри которых дают сплошной спектр излучения.

Вот такой же сплошной спектр и у Солнца. Сплошным спектром обладают плотные, жидкие или твердые тела, притом тела горячие, нагретые достаточно, чтобы тепловое взаимодействие их молекул создавало множественные энергетические зоны. Для описания такого теплового излучения физики (а именно, всё тот же Густав Кирхгофф) ввели понятие абсолютно черного тела (АЧТ) — некоего абстрактного идеального объекта, который всю полученную энергию возвращает только в виде теплового излучения. Абсолютно черное тело не отражает ничего из падающего на него излучения — ни единого кванта ни в каком диапазоне. Всё, что попадает на него, идет на увеличение его внутренней энергии. Нагреваясь, АЧТ начинает излучать само, давая тот самый сплошной спектр нагретых тел. Цветовая температура, указываемая на некоторых осветительных приборах, например на лампах (6000 К — «холодный белый свет» и т. д.), — это как раз температура АЧТ, при которой оно излучает свет того же цвета (тона), что и маркируемый прибор (К, кельвин — температурная шкала, предложенная лордом Кельвином, начало которой совпадает с абсолютным нулем, а шаг равен градусу по шкале Цельсия).

В 2014 году был создан искусственный материал из углеродных нанотрубок, больше всего приближающийся по своим свойствам к гипотетическому АЧТ, — vantablack. В видимом диапазоне он поглощает 99,965% падающего на него света (см. картинку дня Самый черный материал). В прошлом году был создан еще более черный материал с коэффициентом поглощения 99,995%, что в 10 раз чернее vantablack.

Наше Солнце по своему спектру очень близко к излучению АЧТ, нагретого до температуры 6000 К. Однако природа его излучения совсем другая, чем у твердого нагретого тела. Ответственность за изображение Солнца, каким мы его видим, несет фотосфера — часть атмосферы Солнца, где и формируется непрерывный спектр солнечного излучения. Это небольшой слой глубиной порядка 300–400 км. Фотосфера представляет собой вовсе не твердое тело — это газ, раскаленный и очень сильно разреженный (плотность фотосферы равна в среднем 10 −9 г/см 3 — одна миллиардная грамма на кубический сантиметр, в миллион раз меньше плотности воздуха). Газ этот состоит из водорода (74%), гелия (25%), а также кислорода и находящихся в газообразном состоянии прочих элементов (железа, углерода, магния, серы и других), на долю которых приходится примерно 1% от общей массы. Тем не менее спектр его излучения вовсе не линейчатый.

В фотосфере присутствуют металлы, которые очень легко ионизируются то есть теряют электроны с внешних оболочек, слабо связанных с ядром. Температуры фотосферы недостаточно, чтобы ионизировать гелий или водород, а вот электроны металлов, «разогреваясь», получают достаточно энергии, чтобы покинуть атом металла и отправиться в свободный полет. Врезаясь в атомы водорода, они «остаются там жить», порождая очень любопытное явление — отрицательные ионы водорода (см. Hydrogen anion). «Вселяясь» на свободные энергетические уровни, электроны испускают разницу между своей прежней энергией и энергией своего новообретенного уровня в атоме водорода в виде кванта света.

Этот процесс подобен описанному выше излучению при переходах между уровнями, однако, поскольку электрон прилетает извне и может обладать абсолютно любой энергией, а не только строго равной энергии вышележащих слоев, излучение происходит не в узких линейчатых диапазонах, соответствующих разностям значений энергии перехода, а в любом диапазоне. Иными словами, если переходы внутри того же атома водорода дают, как мы видели на изображении его спектра, набор излучений на одном и том же наборе частот, то излучение кванта от «приземлившегося» внешнего электрона может быть каким угодно и дать линию в любой части спектра.

Однако остается атом в этом состоянии недолго. По сотне миллионов раз в секунду он испускает фотоны, переводя электроны на более низкие энергетические уровни, сталкивается с новыми электронами, поглощает фотоны и так далее. Жизнь кипит: атом водорода постоянно излучает и поглощает фотоны, теряет электроны, сталкивается с новыми, снова излучает, но уже в другом месте спектра. Из-за обилия таких актов излучения, а также из-за огромного количества атомов все длины волн в спектре излучения оказываются занятыми. Фотосфера излучает во всем диапазоне, образуя таким образом сплошной спектр.

Как мы уже сказали, атом может не только излучать фотоны, но и поглощать. И кроме спектров излучения бывают и спектры поглощения, которые выглядят как темные провалы (полоски) в сплошном красивом спектре. Они возникают, когда те же самые атомы сами оказываются в потоке света. Тогда летящие фотоны возбуждают электроны и «закидывают их наверх», на высокоэнергетические уровни. Электроны держатся там недолго и снова спрыгивают вниз, однако переизлучают уже во всех возможных направлениях без разбору, из-за чего в направлении первоначального пучка света лучей именно с такой длиной волны отправится гораздо меньше, и в этом месте у спектра будет провал.

Именно такие провалы на главном изображении и делят непрерывные красочные полоски солнечного спектра на отдельные «кирпичики». Обнаружил их в 1802 году английский химик Уильям Воластон, правда не придав этому никакого значения. А вот немецкий физик Йозеф Фраунгофер придал и взялся в 1814 году за их изучение. Он описал более пятисот таких темных «провалов» в солнечном спектре, и они называются теперь фраунгоферовыми линиями.

Эти линии дают входящие в состав фотосферы элементы, причем любопытно, что большой вклад вносят те, чье присутствие весьма невелико, например те же металлы. Связано это с низкими потенциалами ионизации металлов: их внешним электронам, слабо связанным с ядром, для перехода на другой энергетический уровень и, соответственно, для поглощения кванта света нужно в несколько раз меньше энергии, чем водороду. Водороду же, чтобы поглощать в видимом спектре, необходимо иметь электрон не на основном уровне, а на втором. Как мы говорили, электроны, спускаясь с более высоких уровней на второй, испускают фотоны в видимом диапазоне. Это серия Бальмера. И наоборот, чтобы поглотить фотон в видимом спектре, атом должен иметь электрон на этом втором уровне, чтобы энергии фотона было достаточно ровно на «закидывание» электрона на один из «верхних рубежей». Но чтобы иметь электрон на «втором этаже», атому водорода необходимо быть возбужденным, чего в условиях фотосферы сложно достичь: слишком низка температура. Поэтому количество таких возбужденных и потому поглощающих водородных атомов крайне мало — относительно их общего числа, конечно же.

Таким образом, при температуре фотосферы водород остается нейтральным (за исключением описанных выше отрицательных ионов, но таким становится только один атом водорода на сто миллионов, и вклад они вносят в спектр излучения фотосферы, а не поглощения), а металлы и прочие элементы фотосферы ионизируются, поглощая для этого фотоны, и почти все их атомы участвуют в создании темных полос спектра поглощения (более подробный вывод см. в новости Сесилия Пейн — хозяйка звездной кухни в разделе «Солнце: кальций и водород», «Элементы», 27.05.2020).

Упрощенная версия главного изображения: линии поглощения в солнечном спектре. Каждая из этих темных полос соответствует какому-либо элементу. В центре видны линии дублета натрия. Справа — H-α — линия водорода, доминирующая в видимой части спектра (тот самый переход со второго энергетического уровня на третий с поглощением фотона с длиной волны 656 нм). Слева оставляют след атомы кальция, потерявшие один электрон (ионы Ca II); они излучают и поглощают свет на нескольких длинах волн, в частности, на 396,8 нм и 393,3 нм в фиолетовой области спектра. Это линии Ca-H и Ca-K (более сильные, то есть более интенсивные, линии обозначают буквами от A до K) однократно ионизированного кальция. Прочие черные линии соответствуют спектрам поглощения других элементов; установить, каким, можно по буквенным обозначениям, соответствующим фраунгоферовым линиям. Изображение с сайта ru.wikipedia.org

Со времен Фраунгофера, открывшего и описавшего свыше 500 линий поглощения, их число выросло более чем до 25 000 — это, конечно, уже во всем спектре, не только в видимой его части. По этим спектральным провалам можно делать выводы о строении и составе Солнца (так, например, был открыт гелий, в честь Солнца и названный).

Изучение Солнца в различных электромагнитных диапазонах позволяет делать выводы о его активности и происходящих там процессах; собственно, это основной способ получения информации о преобразованиях энергии, происходящих в нашей звезде. Например, в ультрафиолете получены картины движения плазмы, сопровождающие пересоединение магнитных линий в атмосфере — основного кандидата на объяснение повышенной температуры солнечной короны (см. задачу «Магнитное пересоединение»).

Линии поглощения помогают получать информацию о солнечной структуре из разных слоев. С высотой меняются физические характеристики солнечной атмосферы и, соответственно, состояние элементов, что сказывается на их спектрах. Линии поглощения позволяют рассматривать Солнце без ослепляющей засветки фотосферы — для этого нужно использовать светофильтр, имеющий узкую полосу пропускания именно на частоте линии поглощения. Так рассматривают свет, идущий от хромосферы, обычно невидимой в ярком свете фотосферного слоя.

Текст: Василий Деревянко. Источник: elementy

Источник