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
Электромагнитное излучение в космосе.
Наибольшая часть наших сведений о Вселенной получена благодаря исследованию света звезд. Свет, излучаемый звездой, распространяется в космосе в форме волны. Волна — это поднимающееся и опадающее периодическое колебание, которое переносит энергию от источника к приемнику без переноса вещества.
Световая волна — электромагнитное колебание. Световые волны переносят энергию от звезд (источник) к сетчатке нашего глаза (приемник). Расстояние от какой-либо точки на волне до следующей такой же самой точки, например, от гребня до гребня, называется длиной волны.
Человеческий глаз ощущает свет с очень короткой длиной волны. Волны, благодаря которым мы видим, называются видимым светом. Длины волн видимого света обычно измеряют в ангстремах. Один ангстрем равен одной стомиллионной доле сантиметра (10-8 см). Видимый свет имеет длины волн между 4000 А и 7000 А.
Различные длины волн видимого света воспринимаются как разные цвета. Расположение цветов по длинам волн называется спектром.
Видимый свет — это лишь небольшая доля всего электромагнитного излучения в космосе. Энергия переносится также в форме гамма-лучей, рентгеновских лучей, ультрафиолетового излучения, инфракрасного излучения и радиоволн.
Нам известно, что гамма-лучи используют в медицине для лечения опухолевых заболеваний, а рентгеновские — для диагностики. Ультрафиолетовые лучи вызывают на теле загар, а инфракрасные — согревают. Радиоволны используются для связи.
Все эти формы излучения представляют собой тот же вид энергии, что и видимый свет. Отличаются они только длиной волны. Эта же причина приводит к резко различным свойствам излучения. Самые короткие волны (гамма-лучи) имеют наибольшую энергию, в то время как самые длинные (радиоволны) — наименьшую энергию.
Все семейство электромагнитного излучения, составленное согласно длинам волн, называется электромагнитным спектром.
Все виды электромагнитных волн распространяются в пустом пространстве с одной и той же скоростью, а именно со скоростью света. Скорость света в вакууме составляет примерно 299 793 км/с. Для расчетов берется значение 300 000 км/с. Ни один из известных объектов во Вселенной не может двигаться быстрее света. Во всех других средах (например, в воздухе, в стекле) скорость света меньше.
Световой год — это расстояние, которое проходит свет в пустоте за один год.
Задача. Сколько километров содержится в одном световом году?
1 св. год = скорость света x 1 год. Так как в 1 году содержится 3,156∙107 секунд, то 1 св. год = 299 793 км/с ∙ 3,156∙107 с = 9,46 триллионов км.
Волновое движение может быть описано либо с помощью понятия длины волны, либо с помощью понятия частоты. Частота волны — это число волн, которые прошли за данное время через данную точку пространства. Например, за 1 секунду. Количество колебаний в секунду измеряется в герцах (Гц).
Человеческий глаз воспринимает световые волны различных цветов, обладающие очень высокой частотой.
Для всех видов волнового движения справедливо соотношение:
V=v*λ, где V — скорость волны, ν — частота волны, λ — длина волны. Для электромагнитных волн в пустоте скорость V равна скорости света с.
Звезды, как и другие горячие тела, излучают энергию во всех длинах волн (закон излучения Планка). Чем горячее звезда, тем больше энергии она излучает. Температура звезды также определяет, какая длина волны соответствует самому интенсивному излучению.
Чем звезда горячее, тем на более короткие длины волн приходится максимум света. Это есть закон смещения излучения Вина. По цвету звезды можно узнать ее температуру. Горячие звезды выглядят бело-голубыми (короткие длины волн), а холодные — красными (длинные волны). Самые горячие (очень короткие длины волн) и самые холодные (очень длинные волны) практически невидимы.
Для астрономов важны электромагнитные волны всех длин, потому что каждая волна несет особенную ценную информацию о наблюдаемом объекте. Земная атмосфера поглощает большую часть излучения из космоса, и до телескопов, находящихся на земной поверхности, доходят лишь волны некоторых диапазонов.
Астрономы видят Вселенную с Земли через три «окна прозрачности»:
оптический (видимый), радио, инфракрасный. Современная техника дает возможность поднять инструменты над земной атмосферой, то есть, проводить наблюдения из космоса. Современная астрономия стала всеволновой — ей доступны все длины волн. Оказалось, что в различных диапазонах электромагнитного излучения небо «выглядит» совершенно по-разному. Объекты, яркие в одних лучах, могут быть невидимы в других, и наоборот. Например, на «радионебе» ярче всего «светит» центр нашей Галактики и отдельный источник в созвездии Кассиопеи — остаток взрыва Сверновой. В рентгеновских и гамма-лучах наблюдается множество источников, которые вообще не видны в других диапазонах, и о которых ранее даже не догадывались.
Электромагнитные волны разной длины воспринимаются разными приемниками излучения.
Приемником видимого света является человеческий глаз. Все оптические телескопы в итоге направляют световое излучение от звезд в глаз наблюдателя. На выходе телескопа можно также установить камеру с фотопленкой.
Существуют две основные конструкции оптических телескопов — рефракторы (преломляющие лучи линзовые системы) и рефлекторы (отражающие свет зеркальные устройства).
Увеличение телескопа определяется следующим образом:
увеличение = фокусное расстояние объектива / фокусное расстояние окуляра
Приемником радиоволн является антенна радиотелескопа. Чем больше размеры антенны, тем более слабый источник может «видеть» радиотелескоп. Основные достоинства радиотелескопов: 1) «видят» источники, скрывающиеся за облаками межзвездной пыли; 2) могут работать и днем и в облачную погоду; 3) изучают объекты, восприятие которых находится за пределами наших органов чувств.
Приемниками инфракрасного излучения являются специальные приборы — термопары и болометры. Они охлаждаются до температуры космического пространства и надежно защищаются от окружающей наземной среды. Существуют также и специальные фотопленки, чувствительные к тепловому инфракрасному излучению.
Астрофизика высоких энергий изучает объекты являющиеся источниками ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения. Приемниками этих видов волн являются особые составы — люминофоры, светящиеся под воздействием лучей и сложные устройства (пузырьковая камера, счетчик Гейгера), устанавливаемые на космических аппаратах-обсерваториях.
Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов
Источник
Виды электромагнитных волн
Какие бывают виды электромагнитных волн
Электромагнитная волна — распространяющееся в пространстве возмущение электромагнитного поля.
Первыми материалами о существовании предполагаемых электромагнитных волн поделился английский ученый-физик Фарадей в 1832 году. Позднее Дж.Максвелл выстроил теорию электромагнитного поля, обосновав ее математическим путем. Выводы Максвелла подтвердил практическим экспериментом Герц, хотя первоначально он стремился их опровергнуть.
Успешной в изучении электромагнитных волн была деятельность П.Н. Лебедева.
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.
Электромагнитное поле распространяется в пространстве посредством электромагнитных волн (ЭМВ). Те из них, которые возникают вокруг электрического заряда и способны распространяться вдаль от самого движущегося заряда, относят к понятию «излучение». При этом его сила по мере увеличения расстояния постепенно затухает. Исключение составляет вакуумная среда, т.е. пространство, в котором нет прочих тел или веществ, способных поглотить существующие либо испустить новые волны.
В физике в зависимости от диапазона существует следующая классификация видов ЭМВ:
- радиоволны;
- терагерцевые;
- инфракрасные;
- видимые (свет);
- ультрафиолетовые;
- рентгеновские;
- гамма-излучение.
Для гамма-излучения существует параллельный термин «жесткое».
Скорость распространения ЭМВ зависит от ее длины. В вакууме она равна скорости света, в других средах имеет более низкие значения. Этим показателем определяется, будет ли излучение подчиняться законам геометрической оптики. Это происходит тогда, когда расстояние в несколько раз превышает длину волны.
Еще одной важной характеристикой является частота излучения, которая обозначается λ.
Частота излучения равна числу гребней, проходящих через регистрационное устройство за единицу времени — секунду.
С учетом положений теории колебаний и электродинамики, для ЭМВ характерно существование 3х векторов, располагающихся перпендикулярно друг к другу. Это вектора:
- волновой;
- напряженности электрополя (обозначение Е) и магнитного поля (обозначение Н).
Классификация, частотные диапазоны
В основе классификации ЭМВ лежат характерные для каждой из подгрупп частотные диапазоны. Между ними не существует резких, четко очерченных границ, порой их значения могут перекрывать один другого. Скорость излучения постоянна только в вакууме, поэтому частота взаимосвязана с длиной ЭМВ в таких же условиях.
Радиоволны
Диапазон радиоволн занимает отрезок от низких до инфракрасных частот (до 3 ТГц). Их распространение происходит без волноводов, поэтому можно не учитывать атомистическое строение окружающей среды.
Радиоволны подразделяются на:
Источником являются атмосферные, а также магнитные природные явления. Второй источник — радиосвязь. Ультракороткие волны образуются при физических явлениях — грозах.
Ультракороткие радиоволны
Длина волны ультракоротких лучей — 10м-1мм, сверхдлинных — более 10км. При этом частота ультракоротких — 30 МГц-300 ГГц, ультрадлинных — менее 30 кГц.
Ультракороткие радиоволны можно зарегистрировать при прохождении тока переменной частоты, что используется в радиотехнике, например, при сооружении антенн.
Группа подразделяется на метровые, деци-, санти-, мили-, субмилли- и микрометровые. Если длина волны менее 1-го метра (при частоте сверх 300 МГц), то она относится к микроволнам или СВЧ (сверх высоких частот).
Инфракрасное излучение
Начиная от красного цвета видимого света (длина 0,74 мкм) до микроволны (1-2 мм) занимает инфракрасное излучение. Это самый большой промежуток спектра, который могут излучать твердые и жидкие тела, имеющие определенную температуру. В таком случае про них говорят, что происходит излучение энергии в инфракрасном диапазоне. Важно, что длина волн, которые такие тела излучают, прямо пропорциональна температуре.
Тепловое излучение тем интенсивнее, чем выше температура нагретого тела и короче длина ЭМВ.
В том свете, который видит человеческий глаз, содержится 7 основных цветов. При этом красные области спектра находятся после инфракрасных, а за фиолетовыми следуют ультрафиолетовые. Однако ни тот, ни другой край не способен видеть глаз человека.
Поверхность Солнца (фотосфера) имеет температуру 6000оС. Ее цвет — желтый, а источник излучения является оптическим. Наши органы чувств способны воспринимать такой участок спектра излучения.
Оптический диапазон излучения обусловлен тепловым движением молекул и атомов. При определенной скорости их движения тело нагревается и начинает светиться сначала красным светом, затем — желтым.
В окружающей среде чаще встречаются тела, которые излучают свет, состоящий из ЭВМ разной длины, сложного состава спектра. Их энергия воспринимается глазом человека и может ощущаться неоднозначно. Происходит это по причине различной чувствительности глаза к волнам неодинаковой длины.
Наряду с тепловым излучением, излучать оптическую энергию могут химические и биологические процессы. В качестве примера приема оптического излучения можно привести фотографирование.
Жесткие лучи
К данной группе относятся рентгеновское излучение. В естественных условиях оно образуется в ходе ионизации атомов, сопровождающей радиоактивный распад. Еще одной причиной образования является космическое излучение.
Область рентгеновского излучения отделена от гамма-диапазона условно. Ориентировочно его энергия заключена в диапазоне 20 эВ-0,1 МэВ, в отличие от гамма-энергии, диапазон которой более 0,1 МэВ.
УФ лучи
«По соседству» с рентген-излучением находятся UV лучи. Их диапазон делится на ближний и дальний (вакуумный). Ближний занимает нишу 380-200 нм, дальний — 200-10 нм. Дальний также может называться вакуумным. Он интенсивно поглощается атмосферными массами и подвергается исследованиям в использованием вакуумного оборудования.
История открытия УФО связана с именем И.В. Риттера. который в 1801 году сделал вывод, что хлорид серебра под воздействием невидимого излучения с длиной волны, находящейся за пределами фиолетового света, разлагается быстрее.
УФ излучение с длинными волнами
Данный поддиапазон содержит волны не интенсивной активности. Однако они также вызывают пигментацию кожи и в небольших дозах оздоравливают человеческий организм.
Длинноволновое УФ излучение характеризуется свечением определенных веществ, благодаря чему оно находит применение в изготовлении люминесцентных предметов, а также в качестве маркера в некоторых химических реакциях.
УФ излучение со средней длиной волн
Под действием таких ЭМВ витамин D в организме человека превращается в физиологическую форму и служит для профилактики рахита. Средневолновое УФ излучение тонизирует системы организма, вызывает выработку мелатонина, однако губительно для растений.
УФ излучение с короткой длиной волн
Обладает бактерицидным эффектом, благодаря чему используется в обеззараживающих установках. С его участием идет дезинфекция и стерилизация медицинского оборудования и предметов быта.
УФ облучение поступает на землю от Солнца. Удельный вес различных вариантов данного излучения непостоянен, он зависит от многих факторов окружающей среды.
Существуют и искусственные доноры УФ излучения. Такие источники нашли применение в медицинских приборах, оборудовании санитарно-гигиенического профиля, а также в борьбе с вредителями сельского хозяйства.
Гамма-излучение
Относится к коротковолновым ЭМИ. Характеризуются корпускулярными свойствами и обладают значительным травмирующим воздействием на человеческий организм. Его нельзя почувствовать или ощутить. Это ионизирующее излучение, при котором устойчивые атомы превращаются в ионы. Скорость лучей находится в световом диапазоне.
Среди источников гамма-излучения можно назвать квазары и пульсары. Когда звезда преобразуется в сверхновую, наблюдается выделение энергии и гамма-излучение.
Что является источником электромагнитных волн
Синтезировать ЭМВ может электрический колебательный контур (проводник). Примером являются лампы, магнетроны, транзисторы. Наиболее простой источник — точечного характера. Его размеры намного меньше того расстояния, на протяжении которого действуют излучаемые им ЭМВ. Причем излучение происходит равномерно интенсивное во всех направлениях.
Самое коротковолновое излучение осуществляют атомные ядра, хотя большого различия между соседними по классификации группами нет. Обнаружение ЭМВ происходит по результатам воздействия на заряженные частицы.
Ученым удалось установить естественный волновой фон, в котором человек адаптировался. В то же время существование на Земле двух полюсов ведет к тому, что на человека постоянно оказывается излучение определенного спектра. Когда электромагнитное поле у живого индивидуума претерпевает изменения, у него могут возникнуть довольно серьезные проблемы со здоровьем.
Исторически доказаны факты, что во время и после вспышек на Солнце часты катаклизмы и войны. Это результат сдвига в магнитном поле Земли.
Шкала и сфера применения
Расположение ЭМВ в порядке возрастания частоты (либо уменьшения λ) возникает система, которая называется шкалой электромагнитных волн. По сути, это — непрерывный ряд частот ЭМИ, который носит условный характер.
Широко распространены приборы ночного видения, в основе работы которых лежит инфракрасное излучение. Разработаны и выпускаются специальные детекторы ИК лучей, которые помогают спасательным службам искать живые существа под завалами (в результате завалов при землетрясениях или прочих стихийных бедствиях). Сегодняшнее применение ЭМВ широко и разнообразно. Без них не обходится работа электротехнических приборов, например, сотовая связь, бескабельный интернет, радио и телевизионные приборы с пультом управления. Мы разогреваем пищу в микроволновой печи, а автомобилисты учитывают работу на трассе радаров.
ЭМВ появляются в окололампочном пространстве, а также рядом с работающими телевизорами и мониторами.
Широкая сфера применения у УФ лучей. В определенном диапазоне они обладают антисептическим и дезинфицирующим действием, что используется в борьбе с инфекциями. В банковских структурах, опираясь на механизм их действия, проверяют подлинность денежных купюр.
Поскольку УФ лучи оказывают губительное действие на любую живую клетку, в т.ч. бактерии и вирусы, то механизм УФ облучения используется для стерилизации медицинских изделий, оборудования, рабочих поверхностей.
Если бы над земной корой отсутствовала атмосфера, жесткие УФ лучи убили бы все живое на Земле. Однако озоновый слой атмосферы способен поглощать эти лучи, выбирая их из спектра радиации Солнца. Несмотря на это, часть жестких УФ лучей все-таки проникает на поверхность Земли и способна вызвать ожоги, а также озлокачествление клеток кожи.
Велико значение в медицине рентгеновских лучей. Проникая через мягкие ткани, они дают врачу представление о костной патологии, помогают диагностировать переломы и искривления.
Рентгеновские лучи проникают сквозь мягкие ткани организма и поэтому незаменимы в медицинской диагностике. Как и в случае с радиоволнами временной разрыв между их открытием в 1895 году и началом практического применения, ознаменовавшимся получением в одной из парижских больниц первого рентгеновского снимка, составил считанные годы.
Космическая аппаратура использует устройства гамма-телескопы.
Источник