big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Солнечная радиация, какой она нам представляется

О солнце и его энергии написаны многие тысячи книг. О нем пишут физики и химики, астрономы и астрофизики, географы и геологи, биологи и инженеры. И в этом нет ничего удивительного. Ведь солнце является источником жизни для всего земного.

Солнце испаряет воду с океанов, морей, с земной поверхности. Оно превращает эту влагу в водяные капли, образуя облака и туманы, а затем заставляет ее снова падать на Землю в виде дождя, снега, росы или инея, создавая, таким образом, гигантский круговорот влаги в атмосфере.

Солнечная энергия является источником общей циркуляции атмосферы и циркуляции воды в океанах. Она как бы создает гигантскую систему водяного и воздушного отопления нашей планеты, перераспределяя тепло по земной поверхности.

Солнечный свет, попадая на растение, вызывает у него процесс фотосинтеза, определяет рост и развитие растений; попадая на почву, он превращается в тепло, нагревает ее, формирует почвенный климат, давая тем самым жизненную силу находящимся в почве семенам растений, микроорганизмам и населяющим ее живым существам, которые без этого тепла пребывали бы в состоянии анабиоза (спячки).

А разве могли бы обойтись без солнца люди и животные? Конечно, нет. Они, если не прямо, то косвенно зависят от него, поскольку не могут жить без воды и без пищи.

Итак, Солнце — это основной источник энергии на Земле и, первопричина, создавшая большинство других энергетических ресурсов нашей планеты, таких, как запасы каменного угля, нефти, газа, энергии ветра и падающей воды, электрической энергии и т. д.

Энергия Солнца, которая в основном выделяется в виде лучистой энергии, так велика, что ее трудно даже себе представить. Достаточно сказать, что на Землю поступает только одна двухмиллиардная доля этой энергии, но она составляет около 2,5∙1018 кал/мин. По сравнению с этим все остальные источники энергии, как внешние (излучение Луны, звезд, космические лучи), так и внутренние (внутреннее тепло Земли, радиоактивное излучение, запасы каменного угля, нефти и т. д.) пренебрежительно малы.

Солнце — самая близкая к нам звезда, представляющая собой огромный светящийся газовый шар, диаметр которого примерно в 109 раз больше диаметра Земли, а его объем больше объема Земли примерно в 1 млн. 300 тыс. раз. Средняя плотность Солнца составляет около 0,25 от плотности нашей планеты.

Поскольку Солнце не твердый, а газовый шар, говорить о его размерах следует условно, понимая под ними размеры видимого с Земли солнечного диска.

Внутренняя часть Солнца недоступна наблюдению. Она представляет собой своеобразный атомный котел гигантских размеров, где под давлением около 100 миллиардов атмосфер происходят сложные ядерные реакций, во время которых водород превращается в гелий. Они-то и являются источником энергии Солнца. Температура внутри Солнца оценивается в 16 миллионов градусов.

О том, что это за температура, английский ученый Д. Джине в книге «Вселенная вокруг нас» говорит следующее: «...булавочная головка из вещества, нагретого до температуры, которая царит в центре Солнца, излучала бы столько тепла, что человек, находящийся на расстоянии в 150 км от нее, сгорел бы мгновенно». Газ, который бушует в недрах Солнца, не только необычайно горяч, но и очень тяжел. Его плотность в 11,4 раза превышает плотность Солнца. В этом атомном котле возникают невидимые рентгеновские лучи. Прежде чем достигнуть поверхности Солнца, они проходят очень извилистый путь, преодоление которого занимает около 20 тысяч лет. Чем ближе они приближаются к поверхности Солнца, тем все больше увеличиваются длины волн, а частота колебаний уменьшается, пока они не превращаются в ультрафиолетовый и видимый свет.

По мере изменения характера лучистой энергии меняется и температура Солнца. На расстоянии 3/4 радиуса от центра она снижается примерно до 150 тысяч градусов. Наблюдать с Земли можно только внешнюю оболочку Солнца (фотосферу). Она-то и излучает солнечную радиацию. Толщина фотосферы всего около 300 км, а температура ее поверхности 5700 градусов.

Выше слоя фотосферы располагается солнечная атмосфера. Солнечную атмосферу ученые разделяют на две части. Нижний ее слой, где вспыхивают языки пламени солнечного газа, называется хромосферой, а верхний — практически безграничный слой — солнечной короной. Температура ее газов достигает миллионов градусов, то есть в тысячи раз выше, чем температура фотосферы.

Столь огромное повышение (а не понижение) температуры солнечных газов по мере удаления от Солнца ученые объясняют возникновением ударных волн, рождающихся чудовищной силы шумом, который происходит на поверхности светила.

Современные исследования космических станций показывают, что газы солнечной короны заполняют все межпланетное пространство солнечной системы. Газовые частицы, непрерывно излучаемые солнечной короной (корпускулы), образуют в межпланетном пространстве своеобразный «солнечный ветер». О некоторых свойствах этого ветра можно узнать, наблюдая поведение комет или магнитные возмущения в верхних слоях атмосферы, расположенных вблизи магнитных полюсов Земли.

Скорость газовых частиц, образующих «солнечный ветер», 300—500, а по некоторым данным даже 800 км в секунду. Благодаря этому «ветру» Солнце непрерывно теряет не только энергию, но и массу. Он ежегодно уносит от Солнца около 1,4Х1013 тонн вещества. Но, хотя эта цифра и астрономическая, потери солнечной материи, по сравнению с общей массой Солнца, так малы, что могут привести к уменьшению ее на один процент лишь через сто миллиардов лет.

Земля, как, впрочем, и все планеты солнечной системы, окружена не безвоздушным холодным пространством, а раскаленным корональным газом, температура которого достигает десятков тысяч градусов. Верхний разреженный слой атмосферы Земли (экзосфера) как бы сливается с этим потоком летящих от Солнца горячих газов. Поэтому и температура частиц воздуха, здесь достигает сотен градусов выше нуля.

Помимо газовых частиц (корпускул), которые, как мы сказали, летят от Солнца со скоростью 300—500 и более км/сек, и достигают поверхности Земли примерно через 8 — 10 минут, Солнце излучает энергию в виде электромагнитных волн различной длины и частоты, начиная от нескольких Ангстрем и кончая очень длинными радиоволнами. Основная часть приходящей на Землю солнечной радиации лежит в пределах 0,17—24 микрона, причем 99 процентов этой радиации приходится на участок спектра от 0,17 до 4 микрон. Радиация Солнца с длинами волн меньше 0,17 микрон поглощается верхними слоями атмосферы, и измерить ее можно, только поднявшись на большие высоты. Эта коротковолновая ультрафиолетовая радиация Солнца является очень опасной для жизни живых организмов. Если бы атмосфера не предохраняла нас от нее, то жизнь человека на Земле была бы невозможной.

Солнечная радиация с длинами волн больше 24 микрон составляет ничтожно малую величину и в практических расчетах не учитывается. Весь остальной спектр радиации Солнца (от 0,17 до 4 микрон) обычно делят на 3 части. Первая часть — ультрафиолетовая радиация (от 0,17 до 0,35 микрона). За очень сильное воздействие на живые организмы ее иногда называют химической радиацией. Именно она вызывает изменения в составе кожного пигмента и образует солнечный загар, а при длительном воздействии — эритему или ожог. Длительное облучение ею губительно действует на многие микроорганизмы. Однако, несмотря на огромное значение этой радиации в жизни растений и животных, доля ее в энергетическом балансе Земли не превышает 7 процентов.

Вторую часть солнечного спектра (от 0,35 до 0,75 микрона) составляет световая радиация, то есть то, что мы называем солнечным светом. На долю этой радиации в энергетическом балансе приходится уже 46 процентов.

И наконец, третью часть солнечного спектра (от 0,76 до 4 микрон и далее) образует так называемая инфракрасная, уже невидимая для глаза, радиация (47 процентов).

Если смотреть на Солнце через темное стекло, туман или дымку (особенно, когда оно находится близко к горизонту), то можно увидеть огромное темное пятно. В действительности оказывается, что это пятно, являющееся основанием фотосферы, отнюдь не сплошное и по внешнему виду напоминает вымощенную булыжником мостовую.

Наблюдения показывают, что поверхность Солнца никогда не бывает спокойна. Углубления на этой «мостовой» иногда сливаются между собой, образуя большие темные пятна, свидетельствующие о сильных вертикальных движениях солнечных газов; во время солнечной активности таких пятен одновременно может насчитываться несколько, в спокойные же периоды, наоборот, поверхность Солнца месяцами остается чистой. Изучая частоту и интенсивность полярных сияний, которые увеличиваются и усиливаются в период солнечной активности, ученые установили, что солнечная активность имеет свою периодичность 2, 6, 11, 26 и около 100 лет. Особенно хорошо прослеживается 11-летний цикл.

В те годы, когда максимумы или гребни этих волн накладываются друг на друга, усиление солнечной активности происходит наиболее резко.

Как раз такая ситуация создалась в 1957 году, который ученые выбрали в качестве Международного геофизического года для организации своих наблюдений одновременно на всем земном шаре.

В этот год число солнечных пятен (оно измеряется в условных единицах, называемых числами Вольфа) достигло рекордного за последние 250 лет значения (рис. 1).

Солнечная активность за последние 250 лет по А. А. Гирсу

Активность Солнца сильно влияет на процессы, происходящие как на Земле, так и в атмосфере.

С усилением ее в атмосфере происходят магнитные возмущения, возникают магнитные бури, ухудшается или даже прекращается прохождение радиоволн.

Установлено большое влияние солнечной активности на погоду и даже климат, а также на геофизические процессы, 4 происходящие в твердой оболочке Земли.

Дело в том, что так называемая плоскость эклиптики, з которой происходит вращение Земли вокруг Солнца, наклонена к солнечному экватору всего на 7°. Это означает, что к Земле поступает лучистая энергия и корпускулярное излучение только из узкой экваториальной области Солнца. Вместе с тем астрономами установлено, что в период усиления солнечной активности образовавшиеся на Солнце пятна постепенно сползают от солнечных полюсов в зону солнечного экватора. Это приводит к тому, что в эти периоды к Земле приходит значительно больше ультрафиолетовых лучей и радиации сверхкоротких длин волн. Их влияние сказывается, главным образом, на высоких слоях атмосферы и мало отражается на интенсивности прямой радиации, приходящей к земной поверхности.

В высоких слоях атмосферы под влиянием ультрафиолетовой радиации Солнца молекулы кислорода О2 расщепляются пополам, или, как говорят, диссоциируются (О2→О+О), Образовавшиеся в результате диссоциации свободные атомы кислорода очень неустойчивы, они быстро присоединяются к какой-либо другой молекуле кислорода, образуя новый газ, называемый озоном (О3).

Наибольшая концентрация озона наблюдается в слое атмосферы от 10 до 30 км высоты. Поэтому его часто называют слоем озона. Этот слой озона имеет очень важное значение при формировании климата не только в свободной атмосфере, но и у земной поверхности.

Дело в том, что озон поглощает значительную часть тепловых лучей, испускаемых земной поверхностью в мировое пространство. Поглотив их, он, во-первых, нагревает слой воздуха, в котором содержится, а во-вторых, возвращает тепло обратно на Землю, препятствуя ее охлаждению. Короче говоря, он действует наподобие рамы в парнике, поэтому и тепловой эффект, который он оказывает на поверхность нашей планеты, называют парниковым.

Так вот, с увеличением интенсивности солнечного излучения количество озона в атмосфере увеличивается, а максимальная его интенсивность перемещается с высоты 28— 30 км на высоту 10—11 км. Благодаря такому перераспределению озона при ясном небе равновесная температура у поверхности Земли может, повыситься на несколько градусов, что, в свою очередь, сказывается на изменении давления воздуха у земной поверхности, а вместе с ним — на общей циркуляции атмосферы. На рис. 2 показано, как закономерно меняется направление ветра в свободной атмосфере (на

Изменение направления ветра на высоте 30-50 км над экватором, связанное с изменением солнечной активности

высоте 30—50 км) над экватором в зависимости от 2-летнего цикла солнечной активности. Примерно каждые 2 года, а точнее через 26 месяцев, ветры от западных переходят к восточным, а затем снова к западном.

Но солнечная активность связана не только с количеством и площадью солнечных пятен. Имеются и другие астрономические условия, усиливающие или ослабляющие поступление солнечной радиации к границам земной атмосферы и создающие свою цикличность. Одним из таких условий является 27-дневный период вращения Солнца вокруг своей оси. В связи с этим вращением возникшие или скопившиеся в какой-либо части солнечного экватора темные пятна появляются или исчезают с видимого диска Солнца, изменяя тем самым количество солнечной радиации, излучаемой в сторону Земли. Такой 27-дневный цикл не может не повлиять на погоду и другие геофизические процессы, происходящие на земной поверхности и в атмосфере.

Вот какие данные о волнах холода в Ленинграде приводит, например, доктор географических наук Т. В. Покровская (1967 г). В 1-й день календаря каждого месяца среднее число волн холода равно двадцати, на 10-й день — двенадцати, на 19-й — сорока, на 26-й — тридцати семи. Как видно из сказанного, в первую половину любого месяца года вероятность теплой погоды в Ленинграде примерно в 2—3 раза выше, чем в конце месяца.

С еще более продолжительными циклами солнечной активности, равными в среднем 7 годам, связаны, по-видимому, дождливые годы на западном побережье Южной Америки, которые повторяются через каждые 7 лет, а также суровые зимы на северо-западе России, наблюдающиеся через такой же промежуток времени.

Не без влияния Солнца образуются в атмосфере и на Земле известные в народе еще с древнейших времен так называемые крещенские и сретенские морозы или частые грозы в ильин день (2 августа).

В. П. Колоколов, обработавший записи грозорегистраторов за последние годы, обнаружил, что они имеют совершенно четкую периодичность, причем наибольшая активность гроз из года в год наблюдается, если не в те дни, которые установлены народными приметами (ильин день, день Самсона и др.), то близко от них.

Значительное влияние оказывает усиление солнечной активности не только на процессы и явления, происходящие у земной поверхности, но и на состояние самого человека. Еще 15—20 лет назад химики заметили любопытное явление: некоторые коллоидные растворы ни с того ни с сего начинают терять коллоидальную устойчивость. Взвешенные в низе вещества вдруг выпадают в виде осадков, а красители обесцвечиваются. Специалисты фетрового и войлочного производств еще раньше заметили, что при определенных условиях фетр и войлок очень трудно выделываются. В цементной промышленности в то же время некоторые высокосортные сорта цемента плохо цементируются и т. д. I . Итальянскому химику Пикарди удалось установить тесную

Связь засух на европейской территории СССР и в Казахстане с числом солнечных пятен и магнитных бурь

связь этих оригинальных явлений с магнитными бурями, а через них — и с солнечной активностью. Оказалось, что нарушение коллоидального равновесия некоторых растворов всегда связано с усилением солнечной активности и увеличением корпускулярного излучения Солнца. Позднее врачи установили, что состояние людей с сердечно-сосудистыми заболеваниями ухудшается при повышении солнечной активности. Причина здесь кроется в изменении состояния крови, которая, будучи своеобразным коллоидом, также оказалась подвержена воздействию повышенного излучения Солнца.

Еще до сих пор не разгадана сущность этой связи, неясно, какой вид солнечного излучения (корпускулярное или электромагнитное) и какой диапазон длин волн влияет на эти процессы. Но медики уже нашли некоторые способы защиты от их вредного действия. Иное влияние оказывает солнечное излучение в периоды спокойного Солнца. В это время увеличивается поступление солнечной энергии в световой части спектра, а вместе с ней возрастает и интенсивность прямой радиации у земной поверхности. Поэтому становится понятным такое, казавшееся ранее необъяснимым, явление природы, как увеличение на Земле в 3—4 раза числа жестоких засух. Они наблюдаются как раз в периоды минимума солнечной активности или предшествуют этим периодам.

Посмотрите на рис. 3, где показано изменение солнечной активности за последние примерно 30 лет и отмечены наиболее сильные засухи в Европе и Азии за этот же период. Рисунок полностью подтверждает то, о чем мы рассказали выше.

Ну, а теперь, получив представление о влиянии Солнца на процессы, происходящие на Земле, попытаемся разобраться в том, какое же количество солнечной энергии участвует в формировании природных процессов на нашей планете.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.