Спектральный состав 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:

1. 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.
2. 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.
3. 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

Спектральный состав солнечной радиации

ТЕМА: СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ

1. Солнечная радиация. Виды радиационных потоков.

2. Спектральный состав солнечной радиации.

3. Изменение солнечных лучей в атмосфере.

4. Радиационный баланс и его составляющие.

5. Приход солнечной радиации на различные формы рельефа и посевы.

1. Солнечная радиация

Солнечная радиация – это излучение Солнца, состоящее из электромагнитных волн различной длины (от 0,2 до 24 мкм) 1 мкм = 10 -6 м. Интенсивность солнечной радиации измеряется в [Вт/м 2 ] или [Дж/м 2 .сек], солнечные лучи преодолевают расстояние от Солнца до Земли за 8,5 минут со скоростью 300 тысяч км/сек, и приносят на Землю свет и тепло, необходимые для существования биосферы.

(от Солнца до Земли ≈ 150 млн. км.)

Виды радиационных потоков:

Прямая солнечная радиация – это солнечная радиация, поступающая на Земную поверхность, непосредственно от Солнечного диска в виде пучка параллельных, солнечных лучей. ( S ) ,[Вт/м 2 ].

Рассеянная солнечная радиация – это солнечная радиация, которая при прохождении через земную атмосферу, рассеивается молекулами атмосферных газов аэрозолей.

(Аэрозоль – мельчайшие твердые и жидкие частицы, взвешенные в атмосфере).

Отраженная солнечная радиация – это та часть солнечной радиации, которая отражается от земной поверхности. (R_к)

(Земля, как и любое тело, имеющее температуру выше абсолютного нуля, то есть –273 0 С, излучает тепло)

Тепло, которое излучает Земля в атмосферу, называется — тепловое излучение Земли. (Е_з)

(Атмосфера поглощает это тепло, так же часть солнечной радиации. В результате она нагревается и начинает излучать тепло ≈ 30% — в космос и ≈ 70% — в сторону, навстречу Земле).

Тепло, которое излучает атмосфера в сторону Земли, называется встречное излучение атмосферы (Е_з).

Разность между тепловым излучением Земли и встречным излучением атмосферы, называется эффективное излучение ( Е_эф)

2. Спектральный состав солнечной радиации

УФ – лучиВидимая часть спектраИК – лучи

(λ ‹ 0,4 мкм) (λ от 0,4 до 0,76 мкм) (λ › 0,76 мкм)

1. УФ – лучи практически не достигают земной поверхности, поглощаясь озоновым слоем. Негативно влияют на рост растений.

2. ИК – лучи по биологическому действию подразделяют на две группы:

а) ближнее ИК – излучение (λ до 4мкм ). Эти лучи невидимы и дают тепло. Они активно поглощаются водой, содержащейся в растениях, и ускоряют их рост и развитие.

б) дальнее ИК – излучение (λ более 4 мкм). Также невидимы, дают тепло, но не оказывают существенного влияния на растения.

3. Видимая часть спектра состоит из цветных лучей, в совокупности дающих белый цвет.

В диапазоне от 0,38 до 0,71 мкм находится ФАР – это часть солнечной радиации, которая поглощается растениями и используется в процессе фотосинтеза.

Известно, что наиболее интенсивно растения поглощают сине-фиолетовые и красно-оранжевые лучи, меньше – желто-зеленые.

Для того, чтобы образование органических веществ, в процессе фотосинтеза, превышало распад органических веществ в процессе дыхания,необходимо, чтобы освещенность, создаваемая солнечным излучением, была выше определенного значения, называемого компенсационной точкой. Если освещенность выше этой точки, происходит накопление органических веществ. Для светолюбивых растений компенсационная точка ≈ 20 – 35 Вт/м 2 , у теневыносливых она меньше (до 15 Вт/м 2 )

3. Изменение солнечных лучей в атмосфере

При прохождении через атмосферу УФ – лучи практически полностью поглощаются ее верхними слоями. Инфракрасные и видимые лучи частично поглощаются водяным паром и СО₂. Поэтому, чем большее количество водяного пара содержится в атмосфере, тем меньше количество солнечной радиации достигает земной поверхности. В среднем в атмосфере поглощается ≈15% солнечной энергии. Кроме того, ≈ 255 солнечной радиации рассеивается облаками, молекулами атмосферных газов и аэрозолями.

Интенсивность рассеяния солнечных лучей в атмосфере зависит от следующих факторов:

1). Высоты Солнца над горизонтом (Чем меньше высота Солнца, тем больший путь луча через атмосферу и тем сильнее поглощаются и рассеиваются солнечные лучи).

2). Концентрации в атмосфере рассеивающих частиц (чем больше концентрация, тем рассеивание интенсивнее).

3). Длины волны солнечных лучей (чем меньше длина волны, тем сильнее рассеиваются такие лучи).

Закон рассеяния лучей Релея —

(где С – коэффициент, зависящий

от числа рассеивающих частиц

в единицу объема)

а). Наименьшая длина волны у фиолетовых лучей, чуть больше у голубых и синих.

Но так как именно последние имеют максимальную в спектре квантовую энергию, то и в рассеянном свете наибольшая энергия смещается на сине-голубые лучи, что и обуславливает голубой цвет неба.

б). Чем ниже Солнце, тем больше путь лучей и тем сильнее они рассеиваются. А так как наиболее интенсивно рассеиваются коротковолновые лучи, то достигают Земли лучи с наибольшей длиной волны, то есть красные. Поэтому заходящее Солнце –красное.

в). Капли тумана и облаков одинаково рассеивают лучи с любой длиной волны (нейтральное рассеяние), поэтому они кажутся белыми.

4. Радиационный баланс и его составляющие

Радиационный баланс – разность между приходящими земной поверхности и уходящими от нее потоками лучистой энергии.

Если приход больше расхода, то радиационный баланс положительный и земная поверхность нагревается, а если наоборот – охлаждается.

Радиационный баланс становится положительным через 1 час после восхода Солнца, отрицательным за 1 – 2 часа до захода

S` -прямая солнечная радиация, приходящая на горизонтальную поверхность

Д – рассеянная солнечная радиация

R _к – отраженная коротковолновая солнечная радиация

Е_эф – эффективное излучение

1. Прямая солнечная радиация, поступающая на горизонтальную поверхность и рассеянная солнечная радиация вместе составляют суммарную солнечную радиацию.

Соотношение прямой и рассеянной солнечной радиации в составе суммарной зависит:

А). От высоты Солнца над горизонтом (чем выше Солнце, тем больше доля прямой солнечной радиации и меньше рассеянной)

Б). От облачности и загрязненности атмосферы (чем прозрачнее атмосфера, тем больше доля прямой солнечной радиации. Облака, даже не закрывающие Солнце, значительно увеличивают приход рассеянной солнечной радиации).

В). От высоты местности над уровнем моря (чем выше пункт над уровнем моря, тем быстрее приход прямой солнечной радиации и меньше рассеянной).

Кроме того, зимой вследствие отражения солнечной радиации от снега и вторичного ее рассеяния в атмосфере, доля рассеянной солнечной радиации в составе суммарной, заметно увеличивается.

Мощность потока прямой солнечной радиации выше, чем рассеянной. Поэтому прямая солнечная радиация приносит намного больше света и тепла.

2. Величина отраженной солнечной радиации в значительной степени зависит от альбедо земной поверхности.

Альбедо – отражательная способность любой поверхности.

Чем больше альбедо поверхности, тем интенсивнее отражаются от нее солнечные лучи и, следовательно, тем меньше нагревается эта поверхность.

Максимальное альбедо в природе у свежего снега: 80 – 95%, минимальное у темных почв (5 –15%).

Альбедо зависит цвета поверхности (у темных меньше, чем у светлых); от шероховатости поверхности (у гладких выше, чем у шероховатых). Кроме того, альбедо зависит от высоты Солнца над горизонтом: у любой поверхности максимальное альбедо утром и вечером, минимальное в полдень (так как в это время меньше рассеянной солнечной радиации, а именно она лучше отражается).

3.

Эффективное излучение — это непосредственно то тепло, которое безвозвратно теряет наша планета. Чем выше эффективное излучение, тем больше охлаждается земная поверхность.

Величина Е_эф зависит от соотношения теплового излучения Земли (Е_з) и встречного излучения атмосферы (Е_а). При повышении температуры земной поверхности, увеличивается излучение земли, следовательно, эффективное излучение так же возрастает. При этом земная поверхность интенсивно теряет тепло. Встречное излучение атмосферы, наоборот, является источником тепла в дополнении к солнечной радиации.

Так, подсчитано, что если бы атмосфера, не возвращала тепло обратно на Землю, то средняя температура земной поверхности была бы не +15 0 С, а –23 0 С. Такое влияние атмосферы на тепловой режим Земли называют парниковым эффектом.

Величина излучения атмосферы прямо пропорциональна содержанию СО₂ и водяного пара в атмосфере, а также количеству облаков.

(Чем больше и плотнее облачность, тем выше излучение атмосферы и ,следовательно, меньше охлаждается земная поверхность.)

(Вот почему, в пасмурные ночи заморозки на почве гораздо реже, чем в ясные).

Зависимость радиационного баланса земной поверхности

Радиационный баланс и связанный с ним тепловой режим планеты в холодное время года (то есть зимой, ранней весной и поздней осенью) определяется, главным образом, эффективным излучением. А так как эффективное излучение тем ниже, чем больше и плотнее облачность, то в пасмурную, облачную погоду температура воздуха и почвы будет всегда выше, чем в ясную, безоблачную погоду.

А в теплое время года ( летом, поздней весной и ранней осенью) температура на Земле определяется прямой солнечной радиацией . Ее интенсивность тем меньше, чем больше облачность. Поэтому в пасмурную погоду, в это время года всегда прохладнее, чем в ясную, безоблачную погоду.

Количество солнечной радиации, поступающей на земную поверхность в течении года, равно количеству солнечной радиации, уходящей от планеты за год.

Поэтому, в целом за год радиационный баланс Земли равен нулю.

5. Приход солнечной радиации на различные формы рельефа и посевы

Поступление прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность зависит от угла падения солнечных лучей. Максимальное количество солнечной радиации получает земная поверхность тогда, когда угол 90 0 . Чем меньше угол (то есть, чем ниже Солнце над горизонтом), тем меньшее количество солнечной радиации поступает на единицу поверхности.

Приход прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность:

S – прямая солнечная радиация на поверхность,

перпендикулярную солнечным лучам.

Пример: если S = 100 Вт/м 2 h_○ = 30 0

Sin 30 0 = 0,5 и S´ =100/2 = 50 Вт/м 2

Поступление солнечной радиации на различные формы рельефа зависит, главным образом, от экспозиции склонов. Склоны южной экспозиции получают максимальное количество тепла и света, северные – минимальное. Восточные и западные – меньше, чем южные, но больше, чем северные.

Основной фактор, определяющий поглощение ФАР посевами –это отношение площади листовой поверхности к площади поля (L).

Поглощение ФАР растениями максимальное, если L = 4 ,то есть

40 000 м 2 листовой поверхности

При дальнейшем возрастании L, поглощение ФАР посевами не увеличивается.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник