Раздел 2. Механизмы воздействия оптических излучений на природу

Раздел 2. Механизмы воздействия оптических излучений на природу

Лекция 2

Оптические излучения в природе

1. Место оптических излучений на шкале электромагнитных волн.

2. Строение Солнца.

3. Солнечное излучение.

4. Строение Земли, смена дня и ночи.

1.Место оптических излучений на шкале электромагнитных волн

Шкала электромагнитных волн впервые был представлен российским ученым-физиком Лебедевым (основатель Московского физического института).

Рис.1. Графическое представление шкалы ЭМИ

Классификация диапазонов электромагнитного поля приведена в табл.1.

Таблица 1. Характеристика диапазонов ЭМИ

Диапазон излучения	Состав диапазонов излучения	Длина волны или ее частота
Иониз. излуч.	1.a, b, g-излучение и рентгеновское излучение	0,005-10 нм
Оптический диапазон	2.УФ	10-400 нм
3.Видимый свет	0,4-0,8 мкм
4.Инфракрасный (ИК) диапазон	0,9-300 мкм (1000 ГГц)
Радио диапазон	5.Весь радиодиапазон (ДВ, СВ, КВ, УКВ, СВЧ)	100 кГц-300 ГГц
Низко частотные волны	6.Звуковые частоты	>10 МГц-16 Гц
7.Промышленные частоты	50-60 Гц

Примечание: Числа, приведенные в таблице надо считать округленными (для облегчения запоминания интервалов). В литературе можно встретить другие значения.

Колебания, энергию которых мы не можем ощутить непосредственно, называют излучением. Например, к ним относятся ионизирующее и УФ излучение, расположенное в начале шкалы.

Начиная с 0,4 мкм, мы видим излучение. Поэтому различают видимый свет, который занимает область 0,4-0,8 мкм от фиолетового до красного цвета.

Далее при переходе от красного цвета (0,8 мкм) к более высоким длинам волн пользуются термином инфракрасный диапазон (излучение).

Оптическим диапазоном излучения принято называть область шкалы от 10 нм до 300 мкм (0,3 мм – это уже ~1000 ГГц начало радиодиапазона), в который входят: УФ излучение, видимый свет и ИК излучение.

Далее на шкале начинается радиодиапазон. За радиодиапазоном следует звуковой диапазон электромагнитных волн: низкие, средние и высокие частоты.

2. Строение Солнца

Солнце представляет собой довольно распространенную во Вселенной звезду – карлик спектрального класса G2. Это раскаленный плазменный шар, находящийся в равновесии в поле собственного тяготения. Масса Солнца в 750 раз превышает массу всех планет, и Солнце содержит более 95 % вещества (массы) Солнечной системы. Радиус Солнца составляет 7×108 м, средняя плотность r = 1,4×103 кг/м3, ускорение силы тяжести g = 270 м/с2. Химический состав представлен на 90% водородом, около 10 % гелием и десятые доли процента составляют практически все остальные элементы, среди которых иногда можно насчитать только отдельные атомы.

Рис. 1. Строение Солнца

Фотосфера является очень активным слоем горячего газа (толщиной 300 км), но тем не менее ее верхняя граница четко видна. Разные области Солнца вращаются вокруг его оси с разными скоростями. Экваториальные области делают 1 оборот примерно за 25 суток, полярные – приблизительно за 35 суток.

Пятна на Солнце – это темные и прохладные участки фотосферы размером от нескольких тысяч до десятков тысяч километров в поперечнике. Они порождены сильными магнитными полями внутри Солнца, которые местами замедляют поток тепла из его глубин. Пятна существуют всего несколько недель. Их число и местоположение зависит от фазы 11-летнего цикла солнечной активности. В ходе цикла пятна образуются, начиная от полюсов, и исчезают, постепенно приближаясь к экватору.

Отмечается определенная зависимость между активностью в солнечной атмосфере и процессами жизнедеятельности растений и животных, состоянием здоровья, погодно-климатическими аномалиями и другими географическими явлениями. Однако достаточно научных данных для объяснения механизма этого взаимодействия пока не имеется.

Протуберанцы – огромные струи светящегося газа в виде «занавесей» или «столбов», масса которых измеряется миллиардами тонн. Высота их доходит до сотен тысяч километров. Во время вспышек отдельные части протуберанцев могут подниматься вверх со скоростью до нескольких сот километров в секунду и на высоты до 1 млн. км, что превышает радиус Солнца.

Сразу над поверхностью Солнца находится хромосфера – слой водорода и гелия толщиной около 10000 км.

Хромосфера переходит в сильно разреженную внешнюю атмосферы Солнца – корону. Корона простирается в космос на миллионы километров и испускает непрерывный мощный поток заряженных частиц – солнечный ветер.

Примечание: При подготовке данного параграфа использованы материалы из ([Потапов : Учеб. для строит. спец. вузов. – М.: Высш. шк., 2000. – 446 с.: ил.], стр.21-23).

3.Солнечное излучение

Светимость современного Солнца равна 3,83×1023 кВт, температура поверхности Солнца составляет 5770 К (на пятнах – около 4000 К), а в недрах температура измеряется миллионами градусов. В ядре Солнца температура очень высока – около 15 млн. К.

На границе перехода хромосферы в корону температура достигает примерно 500 тыс. К. Корона, простирающаяся в космос, имеет температуру до 2 млн. К.

Источником солнечной энергии являются термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Энергия передается из недр Солнца излучением, а в приповерхностной зоне – конвекцией (рис. 1).

Различные особенности поверхностной зоны Солнца – фотосферы связаны с конвективным перемещением плазмы. С солнечными пятнами связана солнечная активность с периодизацией в 11 лет.

Солнечная атмосфера, состоящая из хромосферы и солнечной короны, находится в сложном динамическом состоянии: солнечные (хромосферные) вспышки, протуберанцы и постоянное истечение вещества короны в межпланетные пространства (солнечный ветер).

Солнце испускает в виде потока фотонов лучистую энергию самых разнообразных длин волн в виде тепловых, световых, ультрафиолетовых и других видов лучистой энергии. Энергия E каждого фотона определяется соотношением:

E = hn,

где h – постоянная Планка; n – частота излучения.

В целом совокупность лучистой энергии Солнца называется солнечной радиацией.

Поток мощности электромагнитного излучения Солнца у поверхности Земли составляет в среднем 600 Вт/м2 , и большая его часть приходится на оптический диапазон.

Примечание: При подготовке данного параграфа использованы материалы из ([Потапов : Учеб. для строит. спец. вузов. – М.: Высш. шк., 2000. – 446 с.: ил.], стр.21-23, 54, 60).

4.Строение Земли, смена дня и ночи

4.1. Строение Земли

Масса Земли равна 5,98×1027 г, объём составляет 1,083×1027 см3, средняя плотность – 5,52 г/см3. Форма Земли близка к эллипсоиду вращения с полярным сжатием, и полярный радиус равен составляет 6356,78 км, а экваториальный – 6378,16 км. Длина меридиана Земли составляет 40008,548 км, а длина экватора 40075,704 км. Поверхность Земли на 70,8 % (6361,1 млн. м2) занята водой.

Земля сложена из нескольких концентрических оболочек: внешних – космосфера, атмосфера (газовая оболочка), гидросфера (водная оболочка), биосфера (область распространения живых организмов) и внутренних – ядро мантия и литосфера (рис. 2).

Рис. 2. Внутренне строение Земли

Земное ядро состоит из внутреннего (твёрдого) и внешнего (жидкого) слоев. Плотность вещества во внешнем слое с глубиной возрастает от » 9,5 г/см3 до » 12,3 г/см3. В центральной части ядра плотность достигает до 14 г/см3. Масса земного ядра составляет до 32 %, а объём – 16 5 от массы и объёма планеты.

Мантия представляет собой силикатную оболочку между ядром и подошвой мантии и составляет 67,8 % от общей массы Земли. Мантия подразделяется на верхнюю (до глубины около 400-1000 км) и нижнюю (до глубины около 2900 км).

Литосфера объединяет земную кору, подкорковую часть верхней мантии и подстилающую часть астеносферы.

В недрах Земли температура увеличивается по адиабатическому закону (то есть в зависимости от плотности вещества без теплообмена) от 1300 °С в верхней мантии до 3700 °С в центре ядра.

Примечание: При подготовке данного параграфа использованы материалы из ([Потапов : Учеб. для строит. спец. вузов. – М.: Высш. шк., 2000. – 446 с.: ил.], стр.30-32).

Из космоса наша планета выглядит голубой и белой. Голубой цвет дает вода, покрывающая две трети поверхности Земли, а белый – облака в окружающей планету атмосфере.

4.2. Смена дня и ночи

Система планет солнечной системы имеет форму диска. Все планеты обращаются вокруг Солнца по эллиптическим орбитам в одном направлении – против часовой стрелки, если смотреть с северного небесного полюса.

Земля совершает полный оборот вокруг Солнца за 365, 25 суток.

Двигаясь по орбите, она также вращается вокруг своей оси, делая один оборот за 23,9 часа. В результате этого день и ночь сменяют друг друга. Суточное движение Земли оказывает влияние на количество поступающей лучистой энергии. В средних и высоких широтах количество энергии зависит от времени года.

На Северном полюсе солнце не заходит за горизонт 186 дней и за это время количество поступающей энергии больше, чем на экваторе. Однако солнечные лучи имеют малый угол падения и поэтому значительная часть солнечной радиации рассеивается в атмосфере.

Ось вращения Земли наклонена к плоскости околосолнечной орбиты под углом 66,5°. Из-за этого наклона происходят смена времен года, сезонные изменения погоды и продолжительности светового дня.

Приложение к лекции № 2

Множители для образования десятичных кратных и дольных единиц

([10*], стр.200)

Наименование	Множитель	Русское обозначение	Международное обозначение
Экса	1018	Э	E
Пета	1015	П	P
Тера	1012	Т	T
Гига	109	Г	G
Мега	106	М	M
Кило	103	к	K
Гекто	102	г	H
Дека	10	да	Da
Деци	10–1	д	D
Санти	10–2	с	C
милли	10–3	м	M
микро	10–6	мк	m
нано	10–9	н	N
пико	10–12	п	P
фемто	10–15	ф	F
атто	10–18	а	A