Солнечная радиация или ионизирующее излучение солнца. Солнечная радиация и тепловой баланс

АТМОСФЕРА

Атмосфера. Строение состав, происхождение, значение для ГО. Тепловые процессы в атмосфере. Солнечная радиация, ее виды, широтное распределение и преобразование земной поверхностью.

Атмосфера – воздушная оболочка Земли, удерживаемая силой притяжения и участвующая во вращении планеты. Сила земного притяжения удерживает атмосферу вблизи поверхности Земли. Наибольшее давление и плотность атмосферы наблюдаются у земной поверхности, по мере поднятия вверх давление и плотность уменьшаются. На высоте 18 км давление убывает в 10 раз, на высоте 80 км – в 75 000 раз. Нижней границей атмосферы является поверхность Земли, верхней границей условно принята высота 1000-1200 км. Масса атмосферы составляет 5,13 х 10 15 т, причем 99% этого количества содержится в нижнем слое до высоты 36 км.

Доказательства существования высоких слоев атмосферы следующие:

На высоте 22-25 км в атмосфере располагаются перламутровые облака;

На высоте 80 км бывают видны серебристые облака;

На высоте около 100-120 км наблюдается сгорание метеоритов, т.е. здесь атмосфера обладает еще достаточной плотностью;

На высоте около 220 км начинается рассеивание света газами атмосферы 9явление сумерек);

Полярные сияния начинаются примерно на высоте 1000-1200 км, данное явление объясняется ионизацией воздуха корпускулярными потоками, идущими от солнца. Сильно разреженная атмосфера простирается до высоты 20 000 км, она образует земную корону, незаметно переходя в межпланетный газ.

Атмосфера, как и планета в целом, вращается против часовой стрелки с запада на восток. Из-за вращения она приобретает форму эллипсоида, т.е. толщина атмосферы у экватора больше, чем вблизи полюсов. Она имеет выступ в направлении, противоположном Солнцу, этот «газовый хвост» Земли, разреженный как у комет, имеет длину около 120 тыс. км. Атмосфера связана с другими геосферами тепловлагообменом. Энергией атмосферных процессов служит электромагнитное излучение Солнца.

Развитие атмосферы. Так как водород и гелий наиболее распространенные элементы в космосе, то они, несомненно, входили и в состав протопланетного газопылевого облака, из которого возникла Земля. Вследствие очень низкой температуры этого облака самая первая земная атмосфера только и могла состоять из водорода и гелия, т.к. все другие элементы вещества, из которого слагалось облако, были в твердом состоянии. Такая атмосфера наблюдается у планет-гигантов, очевидно, из-за большого притяжения планет и удаленности от Солнца они сохранили первичные атмосферы.

Затем последовал разогрев Земли: тепло порождалось гравитационным сжатием планеты и распадом внутри ее радиоактивных элементов. Земля потеряла водородно-гелиевую атмосферу и создала свою собственную вторичную атмосферу из газов, выделившихся из ее недр (углекислый газ, аммиак, метан, сероводород). По мнению А.П. Виноградова (1959), в этой атмосфере больше всего было H 2 O, затем CO 2 , CO, HCl, HF, H 2 S, N 2 , NH 4 Cl и CH 4 (примерно таков же состав и современных вулканических газов). В. Соколов (1959) полагал, что здесь были также H 2 и NH 3 . Кислород отсутствовал, в атмосфере господствовали восстановительные условия. Сейчас подобные атмосферы наблюдаются у Марса и Венеры, они на 95% состоят из углекислого газа.

Следующий этап развития атмосферы был переходным – от абиогенного к биогенному, от восстановительных условий к окислительным. Главными составными частями газовой оболочки Земли стали N 2 , CO 2 , CO. В качестве побочных примесей - CH 4 , O 2 . Кислород возникал из молекул воды в верхних слоях атмосферы под действием ультрафиолетовых лучей Солнца; мог он выделятся и из тех окислов, из каких состояла земная кора, но подавляющая часть его уходила вновь на окисление минералов земной коры или на окисление водорода и его соединений в атмосфере.

Последний этап развития азотно-кислородной атмосферы связан с появлением жизни на Земле и, с возникновением механизма фотосинтеза. Содержание кислорода – биогенного – стало возрастать. Параллельно с этим атмосфера почти полностью потеряла двуокись углерода, часть которого вошла в огромные залежи угля и карбонатов.

Таков путь от водородно-гелиевой атмосферы до современной, главную роль в которой теперь играют азот и кислород, а в качестве примесей присутствуют аргон и углекислый газ. Современный азот также биогенного происхождения.

Состав газов атмосферы.

Атмосферный воздух – механическая смесь газов, в которой во взвешенном состоянии содержатся пыль и вода. Чистый и сухой воздух на уровне моря представляет собой смесь нескольких газов, причём соотношение между главными составляющими атмосферу газами – азотом (объемная концентрация 78,08 %) и кислородом (20,95 %) – постоянно. Кроме них, в атмосферном воздухе содержатся аргон (0,93 %) и углекислый газ (0,03%). Количество остальных газов – неона, гелия, метана, криптона, ксенона, водорода, йода, угарного газа и оксидов азота – ничтожно мало (менее 0,1 %) (табл.).

Таблица 2

Газовый состав атмосферы

В высоких слоях атмосферы состав воздуха меняется под воздействием жесткого излучения Солнца, которое приводит к распаду (диссоциации) молекул кислорода на атомы. Атомарный кислород является основным компонентом высоких слоев атмосферы. Наконец, в наиболее удаленных от поверхности Земли слоях атмосферы главными компонентами становятся самые легкие газы – водород и гелий. В верхних слоях атмосферы обнаружено новое соединение – гидроксил ОН. Наличие этого соединения объясняет образование водяного пара на больших высотах в атмосфере. Поскольку основная масса вещества сосредоточена на расстоянии 20 км от поверхности Земли, то изменения состава воздуха с высотой не оказывают заметного влияния на общий состав атмосферы.

Важнейшими компонентами атмосферы являются озон и углекислый газ. Озон – трехатомный кислород (О 3 ), присутствующий в атмосфере от поверхности Земли до высоты 70 км. В приземных слоях воздуха он образуется, в основном, под влиянием атмосферного электричества и в процессе окисления органического веществ, а в более высоких слоях атмосферы (стратосфере) – в результате воздействия ультрафиолетовой радиации Солнца на молекулу кислорода. Основная масса озона находится в стратосфере (по этой причине стратосферу довольно часто называют озоносферой). Слой максимальной концентрации озона на высоте 20-25 км получил название озонового экрана. В целом, озоновый слой поглощает около 13 % солнечной энергии. Снижение концентрации озона, над определенными районами получило название «озоновых дыр».

Углекислый газ вместе с водяным паром вызывает парниковый эффект атмосферы. Парниковый эффект – нагрев внутренних слоев атмосферы, объясняющийся способностью атмосферы пропускать коротковолновое излучение Солнца и не выпускать длинноволновое излучение Земли. Если бы углекислого газа в атмосфере было бы в два раза больше, средняя температура Земли достигла бы 18 0 С, сейчас она равна 14-15 0 С.

Общий вес газов атмосферы составляет приблизительно 4,5·10 15 т. Таким образом, «вес» атмосферы, приходящийся на единицу площади, или атмосферное давление, составляет на уровне моря примерно 10,3 т/м 2 .

В воздухе много твердых частиц, диаметр которых составляет доли микрона. Они являются ядрами конденсации. Без них было бы невозможно образование туманов, облаков, выпадение осадков. С твердыми частицами в атмосфере связаны многие оптические и атмосферные явления. Пути поступления их в атмосферу различны: вулканический пепел, дым при сжигании топлива, пыльца растений, микроорганизмы. В последнее время ядрами конденсации служат промышленные выбросы, продукты радиоактивного распада.

Важной составной частью атмосферы является водяной пар, количество его во влажных экваториальных лесах достигает 4%, в полярных районах снижается до 0,2%. Водяной пар поступает в атмосферу вследствие испарения с поверхности почвы и водоемов, а также транспирации влаги растениями. Водяной пар является парниковым газом, вместе с углекислым газом он удерживает большую часть длинноволнового излучения Земли, предохраняя планету от охлаждения.

Атмосфера не является идеальным изолятором; она обладает способностью проводить электричество благодаря воздействию ионизаторов – ультрафиолетового излучения Солнца, космических лучей, излучения радиоактивных веществ. Максимальная электрическая проводимость наблюдается на высоте 100-150 км. В результате совокупного действия ионов атмосферы и заряда земной поверхности создается электрическое поле атмосферы. По отношению к земной поверхности атмосфера заряжена положительно. Выделяют нейтросферу – слой с нейтральным составом (до 80 км) и ионосферу – ионизированный слой.

Строение атмосферы.

Различают несколько основных слоев атмосферы. Нижний, прилегающий к земной поверхности, называется тропосферой (высота 8-10 км у полюсов, 12 км в умеренных широтах и 16-18 км – над экватором). Температура воздуха с высотой постепенно понижается – в среднем на 0,6єС на каждые 100 м подъема, что заметно проявляется не только в горных районах, но и на возвышенностях Беларуси.

В тропосфере содержится до 80% всей массы воздуха, основное количество атмосферных примесей и практически весь водяной пар. Именно в этой части атмосферы на высоте 10-12 км образуются облака, возникают грозы, дожди и другие физические процессы, формирующие погоду и определяющие климатические условия в разных областях нашей планеты. Нижний слой тропосферы, примыкающий непосредственно к земной поверхности называют приземным слоем.

Влияние земной поверхности простирается приблизительно до высоты 20 км, а далее нагревание воздуха происходит непосредственно Солнцем. Таким образом, граница ГО, лежащая на высоте 20-25 км, определяется, в том числе, и тепловым воздействием земной поверхности. На этой высоте исчезают широтные различия в температуре воздуха, и географическая зональность размывается.

Выше начинается стратосфера , которая простирается до высоты 50-55 км от поверхности океана или суши. Этот слой атмосферы значительно разрежен, количество кислорода и азота уменьшается, а водорода, гелия и других легких газов увеличивается. Образующийся здесь озоновый слой поглощает ультрафиолетовую радиацию и сильно влияет на тепловые условия поверхности Земли и физические процессы в тропосфере. В нижней части стратосферы температура воздуха постоянна, здесь располагается изотермический слой. Начиная с высоты 22 км, температура воздуха повышается, на верхней границе стратосферы она достигает 0 0 С (повышение температуры объясняется наличием здесь озона, поглощающего солнечную радиацию). В стратосфере происходят интенсивные горизонтальные перемещения воздуха. Скорость воздушных потоков достигает 300-400 км/ч. В стратосфере содержится менее 20% воздуха атмосферы.

На высоте 55-80 км находится мезосфера (в этом слое температура воздуха с высотой уменьшается и вблизи верхней границы падает до –80 0 С), между 80-800 км расположенатермосфера , в составе которой преобладают гелий и водород (температура воздуха быстро растет с высотой и достигает 1000 0 С на высоте 800 км). Мезосфера и термосфера вместе образуют мощный слой, называемыйионосферой (область заряженных частиц – ионов и электронов).

Самая верхняя, сильно разреженная часть атмосферы (от 800 до 1200 км) составляет экзосферу . В ней преобладают газы в атомарном состоянии, температура повышается до 2000єС.

В жизни ГО атмосфера имеет огромное значение. Атмосфера оказывает благодатное воздействие на климат Земли, предохраняя ее от чрезмерного охлаждения и нагревания. Суточные колебания температуры на нашей планете без атмосферы достигли бы 200єС: днем +100єС и выше, ночью -100єС. В настоящее время средняя температура воздуха у поверхности Земли равна +14єС. Атмосфера не пропускает к Земле метеоры и жесткое излучение. Без атмосферы не было бы звука, полярных сияний облаков и осадков.

К климатообразующим процессам относятся теплооборот, влагооборот и циркуляция атмосферы.

Теплооборот в атмосфере. Теплооборот обеспечивает тепловой режим атмосферы и зависит от радиационного баланса, т.е. притоков теплоты, приходящих на земную поверхность (в форме лучистой энергии) и уходящих от нее (лучистая энергия, поглощенная Землей, преобразуется в тепловую).

Солнечная радиация – поток электромагнитного излучения, поступающий от Солнца. На верхней границе атмосферы интенсивность (плотность потока) солнечной радиации равна 8,3 Дж/(см 2 /мин). Количество теплоты, которое излучает 1 см 2 черной поверхности в 1 мин при перпендикулярном падении солнечных лучей, называется солнечной постоянной.

Количество солнечной радиации, получаемое Землей, зависит:

1. от расстояния между Землей и Солнцем. Ближе всего к Солнцу Земля в начале января, дальше всего в начале июля; разница между двумя этими расстояниями – 5 млн. км, вследствие чего Земля в первом случае получает на 3,4% больше, а во втором на 3,5% меньше радиации, чем при среднем расстоянии от Земли до Солнца (в начале апреля и в начале октября);

2. от угла падения солнечных лучей на земную поверхность, зависящего в свою очередь от географической широты, высоты солнца над горизонтом (меняющейся в течение суток и по временам года), характера рельефа земной поверхности;

3. от преобразования лучистой энергии в атмосфере (рассеяние, поглощение, отражение обратно в мировое пространство) и на поверхности земли. Среднее альбедо Земли – 43%.

Поглощается около 17% всей радиации; озон, кислород, азот поглощают в основном коротковолновые ультрафиолетовые лучи, водяной пар и углекислый газ – длинноволновую ифракрасную радиацию. Атмосфера рассеивает 28% радиации; к земной поверхности поступает 21%, в космос уходит 7%. Та часть радиации, которая поступает к земной поверхности от всего небесного свода, называется рассеянной радиацией . Сущность рассеяния заключается в том, что частица, поглощая электромагнитные волны, сама становится источником излучения света и излучает те же волны, которые на нее падают. Молекулы воздуха очень малы, по размерам сопоставимы с длиной волн голубой части спектра. В чистом воздухе преобладает молекулярное рассеивание, следовательно, цвет неба – голубой. При запыленном воздухе цвет неба становится белесым. Цвет неба зависит от содержания примесей в атмосфере. При большом содержании водяного пара, рассеивающего красные лучи небо приобретает красноватый оттенок. С рассеянной радиацией связаны явления сумерек, белых ночей, т.к. после захода Солнца за горизонт верхние слои атмосферы еще продолжают освещаться.

Верхняя граница облаков отражает около 24% радиации. Следовательно, к земной поверхности в виде потока лучей подходит около 31% всей солнечной радиации, поступившей на верхнюю границу атмосферы, она называется прямой радиацией . Сумма прямой и рассеянной радиации (52%) называется суммарной радиацией. Соотношение между прямой и рассеянной радиацией меняется в зависимости от облачности, запыленности атмосферы и высоты Солнца. Распределение суммарной солнечной радиации по земной поверхности зонально. Наибольшая суммарная солнечная радиация 840-920 кДж/см 2 в год наблюдается в тропических широтах Северного полушария, что объясняется небольшой облачностью и большой прозрачностью воздуха. На экваторе суммарная радиация снижается до 580-670 кДж/см 2 в год из-за большой облачности и уменьшения прозрачности из-за большой влажности. В умеренных широтах величина суммарной радиации составляет 330-500 кДж/см 2 в год, в полярных широтах – 250 кДж/см 2 в год, причем в Антарктиде из-за большой высоты материка и небольшой влажности воздуха она немного больше.

Суммарная солнечная радиация, поступившая на земную поверхность, частично отражается обратно. Отношение отраженной радиации к суммарной, выраженное в процентах, называется альбедо. Альбедо характеризует отражательную способность поверхности и зависит от ее цвета, влажности и других свойств.

Наибольшей отражательной способностью обладает свежевыпавший снег – до 90%. Альбедо песков 30-35%, травы – 20%, лиственного леса – 16-27%, хвойного – 6-19%; сухой чернозем имеет альбедо 14%, влажный – 8%. Альбедо Земли как планеты принимают равным 35%.

Поглощая радиацию, Земля сама становится источником излучения. Тепловое излучение Земли – земная радиация – является длинноволновым, т.к. длина волны зависит от температуры: чем выше температура излучающего тела, тем короче длина волны испускаемых им лучей. Излучение земной поверхности нагревает атмосферу и она сама начинает излучать радиацию в мировое пространство (встречное излучение атмосферы ) и к земной поверхности. Встречное излучение атмосферы тоже длинноволновое. В атмосфере встречаются два потока длинноволновой радиации – излучение поверхности (земная радиация) и излучение атмосферы. Разность между ними, определяющая фактическую потерю теплоты земной поверхностью, называетсяэффективным излучением , оно направлено в Космос, т.к. земное излучение больше. Эффективное излучение больше днем и летом, т.к. зависит от нагрева поверхности. Эффективное излучение зависит от влажности воздуха: чем больше в воздухе водяных паров или капелек воды, тем излучение меньше (поэтому зимой в пасмурную погоду всегда теплее, чем в ясную). В целом для Земли эффективное излучение равно 190 кДж/см 2 в год (наибольшее в тропических пустынях – 380, наименьшее в полярных широтах – 85 кДж/см 2 в год).

Земля одновременно получает радиацию и отдает ее. Разность между получаемой и расходуемой радиацией называется радиационным балансом, или остаточной радиацией. Приход радиационного баланса поверхности составляет суммарная радиация (Q) и встречное излучение атмосферы. Расход – отраженная радиация (R k) и земное излучение. Разность между земным излучением и встречным излучением атмосферы – эффективное излучение (Е эф) имеет знак минус и является частью расхода в радиационном балансе:

R б =Q-E эф -R k

Радиационный баланс распределяется зонально: уменьшается от экватора к полюсам. Наибольший радиационный баланс свойственен экваториальным широтам и составляет 330-420 кДж/см 2 в год, в тропических широтах он снижается до 250-290 кДж/см 2 в год (объясняется возрастанием эффективного излучения), в умеренных широтах радиационный баланс уменьшается до 210-85 кДж/см 2 в год, в полярных широтах его величина приближается к нулю. Общая особенность радиационного баланса в том, что над океанами на всех широтах радиационный баланс выше на 40-85 кДж/см 2 , т.к. альбедо воды и эффективное излучение океана меньше.

Приходную часть радиационного баланса атмосферы (R б) составляют эффективное излучение (Е эф) и поглощенная солнечная радиация (R п), расходная часть определяется атмосферной радиацией, уходящей в космос (Е а):

R б = Е эф - Е а +R п

Радиационный баланс атмосферы отрицательный, а поверхности – положительный. Суммарный радиационный баланс атмосферы и земной поверхности равен нулю, т.е. Земля находится в состоянии лучистого равновесия.

Тепловой баланс – алгебраическая сумма потоков теплоты, приходящих на земную поверхность в виде радиационного баланса и уходящих от нее. Он складывается из теплового баланса поверхности и атмосферы. В приходной части теплового баланса земной поверхности стоит радиационный баланс, в расходной – затраты теплоты на испарение, на нагрев атмосферы от Земли, на нагрев почв. Расходуется теплота также на фотосинтез. Почвообразование, но эти затраты не превышают 1%. Следует отметить, что над океанами больше затраты теплоты на испарение, в тропических широтах – на нагрев атмосферы.

В тепловом балансе атмосферы приходную часть составляет теплота, выделившаяся при конденсации водяных паров, и переданная от поверхности в атмосферу; расход складывается из отрицательного радиационного баланса. Тепловой баланс земной поверхности и атмосферы равен нулю, т.е. Земля находится в состоянии теплового равновесия.

Тепловой режим земной поверхности.

Непосредственно солнечными лучами нагревается земная поверхность, а уже от нее – атмосфера. Поверхность получающая и отдающая теплоту, называется деятельной поверхностью . В температурном режиме поверхности выделяется суточный и годовой ход температур.Суточный ход температур поверхности – изменение температуры поверхности в течение суток. Суточный ход температур поверхности суши (сухой и лишенной растительности) характеризуется одним максимумом около 13 ч и одним минимумом – перед восходом Солнца. Дневные максимумы температуры поверхности суши могут достигать 80 0 С в субтропиках и около 60 0 С в умеренных широтах.

Разница между максимальной и минимальной суточной температурой поверхности называется суточной амплитудой температуры. Суточная амплитуда температуры может летом достигать 40 0 С, зимой амплитуда суточных температур наименьшая – до 10 0 С.

Годовой ход температуры поверхности – изменение среднемесячной температуры поверхности в течение года, обусловлен ходом солнечной радиации и зависит от широты места. В умеренных широтах максимум температур поверхности суши наблюдается в июле, минимум – в январе; на океане максимумы и минимумы запаздывают на месяц.

Годовая амплитуда температур поверхности равна разнице между максимальными и минимальными среднемесячными температурами; возрастает с увеличением широты места, что объясняется возрастанием колебаний величины солнечной радиации. Наибольших значений годовая амплитуда температур достигает на континентах; на океанах и морских берегах значительно меньше. Самая маленькая годовая амплитуда температур отмечается в экваториальных широтах (2-3 0), самая большая – в субарктических широтах на материках (более 60 0).

Тепловой режим атмосферы. Атмосферный воздух незначительно нагревается непосредственно солнечными лучами. Т.к. воздушная оболочка свободно пропускает солнечные лучи.Атмосфера нагревается от подстилающей поверхности. Теплота в атмосферу передается конвекцией, адвекцией и конденсацией водяного пара. Слои воздуха, нагреваясь от почвы, становятся более легкими и поднимаются вверх, а более холодный, следовательно, более тяжелый воздух опускается вниз. В результате тепловойконвекции идет прогревание высоких слоев воздуха. Второй процесс передачи теплоты –адвекция – горизонтальный перенос воздуха. Роль адвекции заключается в передаче теплоты из низких в высокие широты, в зимний сезон тепло передается от океанов к материкам.Конденсация водяного пара – важный процесс, осуществляющий передачу теплоты высоким слоям атмосферы – при испарении теплота забирается от испаряющей поверхности, при конденсации в атмосфере эта теплота выделяется.

С высотой температура убывает. Изменение температуры воздуха на единицу расстояния называется вертикальным температурным градиентом, в среднем он равен 0,6 0 на 100 м. Вместе с тем ход этого убывания в разных слоях тропосферы разный: 0,3-0,4 0 до высоты 1,5 км; 0,5-0,6 – между высотами 1,5-6 км; 0,65-0,75 – от 6 до 9 км и 0,5-0,2 – от 9 до 12 км. В приземном слое (толщиной 2 м) градиенты, при пересчете на 100 м, исчисляются сотнями градусов. В поднимающемся воздухе температура изменяется адиабатически.Адиабатический процесс – процесс изменения температуры воздуха при его вертикальном движении без теплообмена с окружающей средой (в одной массе, без обмена теплом с другими средами).

В описанном распределении температуры по вертикали нередко наблюдаются исключения. Бывает, что верхние слои воздуха теплее нижних, прилегающих к земле. Явление это называется температурной инверсией (увеличение температуры с высотой). Чаще всего инверсия является следствием сильного охлаждения приземного слоя воздуха, вызванного сильным охлаждением земной поверхности в ясные тихие ночи, преимущественно зимой. При пересеченном рельефе холодные массы воздуха медленно стекают вдоль склонов и застаиваются в котловинах, впадинах и т.п. Инверсии могут образовываться и при движении воздушных масс из теплых областей в холодные, так как при натекании подогретого воздуха на холодную подстилающую поверхность его нижние слои заметно охлаждаются (инверсия сжатия).

Суточный и годовой ход температуры воздуха.

Суточным ходом температуры воздуха называется изменение температуры воздуха в течение суток – в общем отражает ход температуры земной поверхности, но моменты наступления максимумов и минимумов несколько запаздывают, максимум наступает в 14 часов, минимум после восхода солнца.

Суточная амплитуда температуры воздуха (разница между максимальной и минимальной температурами воздуха в течение суток) выше на суше, чем над океаном; уменьшается при движении в высокие широты (наибольшая в тропических пустынях – до 40 0 С) и возрастает в местах с оголенной почвой. Величина суточной амплитуды температуры воздуха – это один из показателей континентальности климата. В пустынях она намного больше, чем в районах с морским климатом.

Годовой ход температуры воздуха (изменение среднемесячной температуры в течение года) определяется прежде всего широтой места.Годовая амплитуда температуры воздуха - разница между максимальной и минимальной среднемесячными температурами.

Географическое распределение температуры воздуха показывают с помощью изотерм – линий, соединяющих на карте точки с одинаковыми температурами. Распределение температуры воздуха зонально, годовые изотермы в целом имеют субширотное простирание и соответствуют годовому распределению радиационного баланса.

В среднем за год самой теплой параллелью является 10 0 с.ш. с температурой 27 0 С – этотермический экватор . Летом термический экватор смещается до 20 0 с.ш., зимой – приближается к экватору на 5 0 с.ш. Смещение термического экватора в СП объясняется тем, что в СП площадь суши, расположенная в низких широтах, больше по сравнению с ЮП, а она в течение года имеет более высокие температуры.

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.

Солнечной радиацией называется поток лучистой энергии солнца, идущей к поверхности земного шара. Лучистая энергия солнца является первичным источником других видов энергии. Поглощаясь поверхностью земли и водой, она превращается в тепловую энергию, а в зеленых растениях - в химическую энергию органических соединений. Солнечная радиация - важнейший фактор климата и основная причина изменений погоды, так как различные явления, совершающиеся в атмосфере, связаны с тепловой энергией, получаемой от солнца.

Солнечная радиация, или лучистая энергия, по своей природе представляет собой поток электромагнитных колебаний, распространяющихся прямолинейно со скоростью 300000 км/сек с длиной волны от 280 нм до 30000 нм. Лучистая энергия испускается в виде отдельных частиц, называемых квантами, или фотонами. Для измерения длины световых волн пользуются нанометрами (нм), или микронами, миллимикронами (0,001 микрона) и анстремами (0,1 миллимикрона). Различают инфракрасные невидимые тепловые лучи с длиной волны от 760 до 2300 нм; световые видимые лучи (красные, оранжевые, желтые, зеленые, голубые, синие и фиолетовые) с длиной волны от 400 (фиолетовые) до 759 нм (красные); ультрафиолетовые, или химические невидимые, лучи с длиной волны от 280 до 390 нм. Лучи с длиной волны меньше 280 миллимикрон до поверхности земли не доходят, вследствие поглощения их озоном в высоких слоях атмосферы.

На грани атмосферы спектральный состав солнечных лучей в процентах такой: инфракрасные лучи 43%, световые 52 и ультрафиолетовые 5%. У земной поверхности при высоте стояния солнца 40° солнечная радиация имеет (по Н. П. Калитину) следующий состав: инфракрасные лучи 59%, световые 40 и ультрафиолетовые 1% всей энергии. Напряжение солнечной радиации увеличивается с высотой над уровнем моря, а также тогда, когда солнечные лучи падают вертикально, так как лучам приходится проходить меньшую толщу атмосферы. В других случаях поверхность будет получать солнечных лучей тем меньше, чем ниже солнце, или в зависимости от угла падения лучей. Напряжение солнечной радиации понижается вследствие облачности, загрязнения атмосферного воздуха пылью, дымом и пр.

Причем в первую очередь происходит потеря (поглощение) коротковолновых лучей, а затем тепловых и световых. Лучистая энергия солнца - источник жизни на земле растительных и животных организмов и важнейший фактор окружающей воздушной среды. Она оказывает разнообразное влияние на организм, которое при оптимальном дозировании бывает весьма положительным, а при чрезмерном (передозировке) может быть отрицательным. Все лучи обладают как тепловым, так и химическим действием. Причем у лучей с большой длиной волн на первый план выступает тепловое действие, а с меньшей длиной - химическое.

Биологическое действие лучей на организм животного зависит от длины волны и их амплитуды: чем короче волны, тем чаще их колебания, тем больше энергия квант и тем сильнее реакция организма на такое облучение. Коротковолновые, ультрафиолетовые лучи при воздействии на ткани вызывают в них явления фотоэлектрического эффекта с появлением в атомах отщепленных электронов и положительных ионов. Глубина проникновения разных лучей в тело неодинакова: инфракрасные и красные лучи проникают на несколько сантиметров, видимые (световые) - на несколько миллиметров, а ультрафиолетовые - только на 0,7-0,9 мм; лучи короче 300 миллимикрон проникают в ткани животных на глубину до 2 миллимикрон. При такой незначительной глубине проникновения лучей последние оказывают многообразное и значительное влияние на весь организм.

Солнечная радиация - весьма биологически активный и постоянно действующий фактор, имеющий огромное значение в формировании целого ряда функций организма. Так, например, через посредство глаза видимые световые лучи оказывают влияние на весь организм животных, вызывая безусловные и условно-рефлекторные реакции. Инфракрасные тепловые лучи оказывают свое влияние на организм как непосредственно, так и через окружающие животных предметы. Тело животных непрерывно поглощает и само излучает инфракрасные лучи (радиационный обмен), и этот процесс может значительно изменяться в зависимости от температуры кожи животных и окружающих предметов. Ультрафиолетовые химические лучи, кванты которых имеют значительно большую энергию, чем кванты видимых и инфракрасных лучей, отличаются наибольшей биологической активностью, действуют на организм животных гуморальным и нервнорефлекторным путями. Уф-лучи прежде всего действуют на экстерорецепторы кожи, а затем рефлекторно влияют на внутренние органы, в частности на эндокринные железы.

Продолжительное воздействие оптимальных доз лучистой энергии приводит к адаптации кожи, к меньшей реактивности ее. Под влиянием солнечных лучей усиливаются рост волос, функция потовых и сальных желез, утолщается роговой слой и уплотняется эпидермис, что ведет к повышению сопротивляемости кожи организма. В коже происходит образование биологически активных веществ (гистамина и гистамино-подобных веществ), которые поступают в кровь. Эти же лучи ускоряют регенерацию клеток при заживлении ран и язв на коже. Под действием лучистой энергии, особенно ультрафиолетовых лучей, в базальном слое кожи образуется пигмент меланин, понижающий чувствительность кожи к ультрафиолетовым лучам. Пигмент (загар) представляет собой как бы биологический экран, способствующий отражению и рассеиванию лучей.

Положительное действие солнечных лучей сказывается на крови. Систематическое умеренное воздействие их значительно усиливает кроветворение с одновременным увеличением в периферической крови количества эритроцитов и содержания гемоглобина. У животных после кровопотерь или переболевших тяжелыми болезнями, особенно инфекционными, умеренные облучения солнечными лучами стимулируют регенерацию крови и повышают ее свертываемость. От умеренного воздействия солнечных лучей у животных увеличивается газообмен. Возрастает глубина и уменьшается частота дыхания, увеличивается количество вводимого кислорода, больше выделяется углекислоты и водяных паров, в связи с чем улучшается кислородное питание тканей и повышаются окислительные процессы.

Увеличение белкового обмена выражается повышенным отложением азота в тканях, в результате чего прирост у молодых животных идет быстрее. Чрезмерное солнечное облучение может вызвать отрицательный белковый баланс, особенно у животных, страдающих острыми инфекционными болезнями, а также другими заболеваниями, сопровождающимися повышенной температурой тела. Облучение ведет к повышенному отложению сахара в печени и мышцах в виде гликогена. В крови резко снижается количество недоокисленных продуктов (ацетоновых тел, молочной кислоты и др.), повышается образование ацетилхолина и нормализуется обмен веществ, что имеет особо важное значение для высокопродуктивных животных.

У истощенных животных замедляется интенсивность жирового обмена и повышается отложение жира. Интенсивное освещение у ожиревших животных, наоборот, повышает жировой обмен и вызывает усиленное сгорание жира. Поэтому — полусальный и сальный откорм животных целесообразно проводить в условиях меньшего солнечного облучения.

Под влиянием ультрафиолетовых лучей солнечной радиации находящиеся в кормовых растениях эргостерин и в коже животных дегидрохолестерин превращаются в активные витамины D 2 и D 3 , которые усиливают фосфорно-кальциевый обмен; отрицательный баланс кальция и фосфора переходит в положительный, что способствует отложению этих солей в костях. Солнечный свет и искусственное облучение ультрафиолетовыми лучами - один из действенных современных методов профилактики и лечения рахита и других заболеваний животных, связанных с нарушением обмена кальция и фосфора.

Солнечная радиация, особенно световые и ультрафиолетовые лучи, является основным фактором, вызывающим у животных сезонную половую периодичность, так как свет стимулирует гонадотропную функцию гипофиза и других органов. Весной, в период увеличения напряженности солнечной радиации и световой экспозиции, секреция половых желез, как правило, у большинства видов животных усиливается. Увеличение половой активности у верблюдов, овец и коз наблюдается с укорочением продолжительности светового дня. Если овец в апреле-июне содержать в затемненных помещениях, то течка у них наступит не осенью (как обычно), а в мае. Недостаток света у растущих животных (в период роста и полового созревания), по данным К. В. Свечина, приводит к глубоким, часто необратимым качественным изменениям в половых железах, а у взрослых животных снижает половую активность и оплодотворяемость или вызывает временное бесплодие.

Видимый свет или степень освещенности оказывает значительное влияние на развитие яйцеклеток, течку, продолжительность случного сезона и беременности. В северном полушарии случной сезон бывает обычно коротким, а в южном наиболее продолжительным. Под влиянием искусственного освещения животных сокращается у них продолжительность беременности от нескольких дней до двух недель. Влияние видимых световых лучей на половые железы может быть широко использовано в практике. Опытами, проведенными в лаборатории зоогигиены ВИЭВ, доказано, что освещенность помещений по геометрическому коэффициенту 1: 10 (по КЕО, 1,2-2%) по сравнению с освещенностью 1: 15-1: 20 и ниже (по КЕО, 0,2-0,5%) положительно отражается на клинико-физиологическом состоянии супоросных свиноматок и поросят до 4-месячного возраста, обеспечивает получение крепкого и жизнеспособного потомства. Повышаются привесы поросят на 6% и сохранность их на 10-23,9%.

Солнечные лучи, особенно ультрафиолетовые, фиолетовые и синие, убивают или ослабляют жизнеспособность многих патогенных микроорганизмов, задерживают их размножение. Таким образом, солнечная радиация является мощным естественным дезинфектором внешней среды. Под воздействием солнечных лучей повышается общий тонус организма и сопротивляемость его к инфекционным заболеваниям, а также возрастают специфические иммунные реакции (П. Д. Комаров, А. П. Онегов и др.). Доказано, что умеренное облучение животных при вакцинации способствует повышению титра и других иммунных тел, росту фагоцитарного показателя, и, наоборот, интенсивное облучение понижает иммунные свойства крови.

Из всего сказанного следует, что недостаток солнечной радиации необходимо рассматривать как весьма неблагоприятное внешнее условие для животных, при котором они лишаются важнейшего активатора физиологических процессов. Учитывая это, животных нужно размещать в достаточно светлых помещениях, регулярно предоставлять им моцион, а летом содержать на пастбище.

Нормирование естественного освещения в помещениях производится по геометрическому или светотехническому методам. В практике строительства животноводческих и птицеводческих помещений в основном применяют геометрический метод, по которому нормы естественного освещения определяют отношением площади окон (стекла без рам) к площади пола. Однако, несмотря на простоту геометрического метода, нормы освещенности при помощи его устанавливаются не точно, так как в данном случае не принимают во внимание свето-климатические особенности разных географических зон. Для более точного определения освещенности в помещениях пользуются светотехническим методом, или определением коэффициента естественной освещенности (КЕО). Коэффициентом естественной освещенности называется отношение освещенности помещения (измеряемой точки) к наружной освещенности в горизонтальной плоскости. КЕО выводится по формуле:

K = E:E н ⋅100%

Где К - коэффициент естественного освещения; Е - освещенность в помещении (в люксах); Е н - освещенность вне помещения (в люксах).

Необходимо иметь в виду, что неумеренное пользование солнечной радиацией, особенно в дни с высокой инсоляцией, может причинить животным значительный вред, в частности вызвать ожог, заболевание глаз, солнечный удар и пр. Чувствительность к воздействию солнечных лучей значительно повышается от введения в организм так называемых сенсибилизаторов (гематопорфирина, желчных пигментов, хлорофилла, эозина, метиленовой синьки и др.). Считают, что эти вещества аккумулируют коротковолновые лучи и превращают их в длинноволновые с поглощением части освобожденной тканями энергии, вследствие чего увеличивается реактивность тканей.

Солнечный ожог у животных чаще наблюдают на участках тела с нежной, мало покрытой волосами, непигментированной кожей в результате воздействия тепловых (солнечная эритема) и ультрафиолетовых лучей (фотохимическое воспаление кожи). У лошадей солнечные ожоги отмечают на непигментированных местах кожи головы, губ, ноздрей, шеи, паха и конечностей, а у крупного рогатого скота на коже сосков вымени и промежности. В южных районах возможны солнечные ожоги у свиней белой масти.

Сильный солнечный свет может вызвать раздражение сетчатки, роговой и сосудистых оболочек глаза и повреждение хрусталика. При продолжительной и интенсивной радиации возникают кератиты, помутнение хрусталика и нарушение аккомодации зрения. Нарушение аккомодации чаще наблюдают у лошадей, если их содержат в конюшнях с низкими окнами, обращенными на южную сторону, против которых привязывают лошадей.

Солнечный удар возникает в результате сильного и продолжительного перегревания головного мозга преимущественно тепловыми инфракрасными лучами. Последние проникают через кожу головы и черепную коробку, достигают мозга и вызывают гиперемию и повышение температуры его. Вследствие этого у животного сначала появляется угнетение, а затем возбуждение, нарушаются дыхательный и сосудодвигательный центры. Отмечают слабость, некоординированные движения, одышку, учащенный пульс, гиперемию и цианоз слизистых оболочек, дрожь и судороги. Животное не держится на ногах, падает на землю; тяжелые случаи нередко заканчиваются смертью животного при явлениях паралича сердца или дыхательного центра. Солнечный удар особенно тяжело протекает, если он сочетается с тепловым ударом.

Для защиты животных от действия прямых солнечных лучей необходимо держать их в наиболее жаркие часы дня в тени. Чтобы предупредить солнечный удар, в частности у рабочих лошадей, им надевают белые парусиновые налобники.

Слепящий солнечный диск во все времена будоражил умы людей, служил благодатной темой для легенд и мифов. Ещё с древности люди догадывались о его воздействии на Землю. Как близки были наши далёкие предки к истине. Именно лучистой энергии Солнца мы обязаны существованием жизни на Земле.

Что же представляет собой радиоактивное излучение нашего светила и как оно воздействует на земные процессы?

Что такое солнечная радиация

Солнечная радиация - это совокупность солнечной материи и энергии, поступающей на Землю. Энергия распространяется в виде электромагнитных волн со скоростью 300 тысяч километров в секунду, проходит через атмосферу и достигает Земли за 8 минут. Диапазон волн, участвующих в этом «марафоне», весьма широк - от радиоволн до рентгеновских лучей, включая видимую часть спектра. Земная поверхность находится под воздействием как прямых, так и рассеянных земной атмосферой, солнечных лучей. Именно рассеянием в атмосфере сине-голубых лучей объясняется голубизна неба в ясный день. Жёлто-оранжевый цвет солнечного диска обусловлен тем, что соответствующие ему волны проходят почти без рассеивания.

С запозданием на 2–3 суток земли достигает «солнечный ветер», представляющий собой продолжение солнечной короны и состоящий из ядер атомов лёгких элементов (водорода и гелия), а также электронов. Вполне естественно, что солнечная радиация оказывает сильнейшее влияние на организм человека.

Влияние солнечной радиации на организм человека

Электромагнитный спектр солнечной радиации состоит из инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой частей. Поскольку их кванты обладают различной энергией, то они оказывают разнообразное действие на человека.

освещение в помещении

Чрезвычайно велико и гигиеническое значение солнечной радиации. Поскольку видимый свет является решающим фактором в получении информации о внешнем мире, в помещении необходимо обеспечивать достаточный уровень освещённости. Его регламентирование производится согласно СНиП, которые для солнечной радиации составляются с учётом свето-климатических особенностей различных географических зон и учитываются при проектировании и строительстве различных объектов.

Даже поверхностный анализ электромагнитного спектра солнечного излучения доказывает, как велико влияние этого вида радиации на организм человека.

Распределение солнечного излучения по территории Земли

Далеко не всё излучение, идущее от Солнца, достигает поверхности земли. И причин для этого немало. Земля стойко отражает атаку тех лучей, которые губительны для её биосферы. Эту функцию выполняет озоновый щит нашей планеты, не пропуская наиболее агрессивную часть ультрафиолетового излучения. Атмосферный фильтр в виде водяного пара, углекислого газа, взвешенных в воздухе пылевых частиц - в значительной степени отражает, рассеивает и поглощает солнечное излучение.

Та его часть, которая преодолела все эти преграды, падает на поверхность земли под разными углами, зависящими от широты местности. Живительное солнечное тепло распределяется по территории нашей планеты неравномерно. По мере изменения высоты стояния солнца в течение года над горизонтом изменяется масса воздуха, через которую пролегает путь солнечных лучей. Все это оказывает влияние на распределение интенсивности солнечного излучения по территории планеты. Общая тенденция такова - этот параметр увеличивается от полюса к экватору, так как чем больше угол падения лучей, тем больше тепла попадает на единицу площади.

Карты солнечной радиации позволяют иметь картину распределения интенсивности солнечного излучения по территории Земли.

Влияние солнечной радиации на климат Земли

Решающее влияние на климат Земли оказывает инфракрасная составляющая солнечной радиации.

Понятно, что это происходит лишь в то время, когда Солнце находится над горизонтом. Это влияние зависит от удалённости нашей планеты от Солнца, которое изменяется в течение года. Орбита Земли представляет собой эллипс, внутри которого и находится Солнце. Совершая свой годичный путь вокруг Солнца, Земля то удаляется от своего светила, то приближается к нему.

Кроме изменения расстояния, количество поступающей на землю радиации, определяется наклоном земной оси к плоскости орбиты (66,5°) и вызываемой ею сменой времён года. Летом она больше, чем зимой. На экваторе этого фактора нет, но по мере роста широты места наблюдения, разрыв между летом и зимой становится значительным.

В процессах, происходящих на Солнце, имеют место всевозможные катаклизмы. Их воздействие отчасти нивелировано огромными расстояниями, защитными свойствами земной атмосферы и магнитным полем Земли.

Как защититься от солнечной радиации

Инфракрасная составляющая солнечного излучения - это вожделенное тепло, которого жители средних и северных широт с нетерпением ожидают все остальные сезоны года. Солнечной радиацией как оздоровительным фактором, пользуются как здоровые, так и больные.

Однако, нельзя забывать, что тепло так же, как и ультрафиолет, относится к очень сильным раздражителям. Злоупотребление их действием может привести к ожогу, общему перегреву организма, и даже к обострению хронических заболеваний. Принимая солнечные ванны, следует придерживаться проверенных жизнью правил. Особенно осторожно следует загорать в ясные солнечные дни. Грудным детям и пожилым людям, больным с хронической формой туберкулёза и проблемами с сердечно-сосудистой системой, следует довольствоваться рассеянным солнечным излучением в тени. Этого ультрафиолета, вполне достаточно для удовлетворения нужд организма.

Даже молодым людям, не имеющих особых проблем со здоровьем, следует предусмотреть защиту от солнечной радиации.

Сейчас появилось движение, активисты которого выступают против загара. И не напрасно. Загорелая кожа, несомненно, красива. Но меланин, вырабатываемый организмом (то что мы называем загаром) - это его защитная реакция на воздействие солнечного излучения. Пользы от загара нет! Есть даже сведения, что загар укорачивает жизнь, так как радиация имеет кумулятивное свойство - она накапливается в течении всей жизни.

Если дело обстоит так серьёзно, следует скрупулёзно соблюдать правила, предписывающие как защититься от солнечной радиации:

• строго ограничивать время для загара и делать это лишь в безопасные часы;
• находясь на активном солнце, следует носить широкополую шляпу, закрытую одежду, солнцезащитные очки и зонт;
• использовать только качественный солнцезащитный крем.

Во все ли времена года солнечная радиация опасна для человека? Количество поступающего на землю солнечного излучения связано со сменой времён года. На средних широтах летом оно на 25% больше чем зимой. На экваторе этой разницы нет, но по мере роста широты места наблюдения - это различие возрастает. Это происходит из-за того, что наша планета по отношению к солнцу наклонена под углом в 23,3 градуса. Зимой оно находится низко над горизонтом и освещает землю лишь скользящими лучами, которые меньше прогревают освещаемую поверхность. Такое положение лучей вызывает их распределение по большей поверхности, что снижает их интенсивность по сравнению с летним отвесным падением. Кроме того, наличие острого угла при прохождении лучей через атмосферу, «удлиняет» их путь, заставляя терять большее количество тепла. Это обстоятельство снижает воздействие солнечной радиации зимой.

Солнце - звезда, являющаяся для нашей планеты источником тепла и света. Она «управляет» климатом, сменой времён года и состоянием всей биосферы Земли. И только знание законов этого могучего воздействия, позволит использовать этот живительный дар на благо здоровья людей.

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.