Практическое занятие Изучение спектров излучений, проникающих через атмосферу

К Г Э У

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Практическое занятие

Изучение спектров излучений, проникающих через атмосферу

Практическое занятие № 2

Изучение спектров излучений, проникающих через атмосферу

Продолжительность практического занятия – 2 часа.

Цель практического занятия – Выяснение диапазонов электромагнитных излучений проникающих через атмосферу Земли к ее поверхности.

1. Основные понятия

Атмосфера Земли (от греч. atmos – пар и sphaira – шар) – это газовая оболочка, окружающая Землю. Атмосферой принято считать ту область вокруг Земли, в которой газовая среда вращается вместе с Землёй как единое целое. Масса атмосферы составляет около 5,15-1015 т. Атмосфера обеспечивает возможность жизни на Земле и оказывает большое влияние на разные стороны жизни человечества.

Химический состав атмосферного воздуха у поверхности Земли представлен в табл.1.

Табл.1. Химический состав атмосферного воздуха у поверхности Земли

Газ	Объёмная концентрация (%)	Молекулярная масса
Азот	78,084	28,0134
Кислород	20,9476	31,9988
Аргон	0,934	39,948
Углекислый газ	0,0314	44,00995
Неон	0,001818	20,179
Гелий	0,000524	4,0026
Метан	0,0002	16,04303
Криптон	0,000114	83,80
Водород	0,00005	2,01594
Закись азота	0,00005	44,0128
Ксенон	0,0000087	131,30
Двуокись серы	От 0 до 0,0001	64,0628
Озон	От 0 до 0,000007 (летом) От 0 до 0,000002 (зимой)	47,9982
Двуокись азота	От 0 до 0,000002	46,0055
Аммиак	Следы	17,03061
Окись углерода	Следы	28,01055
Средняя молекулярная масса сухого воздуха		28,9644

Задание 1. Построить круговую диаграмму соотношения объёмной концентрации газов атмосферного воздуха у поверхности Земли.

Оптический диапазон длин волн располагается на шкале электро­магнитного излучения между рентгеновским излучением и радиоволнами. Оптическое излучение принято условно делить на три области:

-инфракрасное излучение;

-видимое излучение;

-ультрафиолетовое излучение.

Мощное ультрафиолетовое и инфракрасное излучение оказывают на человека вредное воздействие: ультрафиолетовое вызывает ожоги кожи и глаз, а инфракрасное затрудняет работу из-за большого количества выделяемого тепла.

Из всего спектра излучений источников света только видимый свет, воздействуя на светочувствительные элементы глаза, вызывает зрительное ощущение. Однородные видимые излучения, попадая в глаз, вызывают ощущение света определенного цвета. Исследования показали, что чувствительность глаза к разным длинам волн неодинакова. Она наиболее высока в середине видимого диапазона (приходящейся на зеленый свет, длина волны 555 нм) и минимальна к его краям, то есть в области синих и красных излучений.

Спектры источников света получаются при разложении их излучения по длинам волн λ спектральными приборами и характеризуются функцией распределения энергии испускаемого света в зависимости от длины волны.

Спектр может состоять из отдельных линий, полос или быть непрерывным в зависимости от природы источника света. Возбуждённые атомы или ионы испускают линейчатые инфракрасные спектры. Например, при электрическом разряде пары ртути испускают ряд узких линий в интервале 1,014-2,326 мкм; атомы водорода – ряд линий в интервале 0,95- 7,40 мкм. Возбуждённые молекулы испускают полосатые инфракрасные спектры, обусловленные их колебаниями и вращениями (молекулярные спектры). Колебательные и колебательно-вращательные спектры расположены главным образом в средней, а чисто вращательные – в далёкой инфракрасной области. Так, например, в спектре излучения газового пламени наблюдается полоса около 2,7 мкм, испускаемая молекулами воды, и полосы с l » 2,7 мкм и l » 4,2 мкм, испускаемые молекулами углекислого газа.

2. Оптические и электрические явления в атмосфере

Распространение электромагнитного излучения в атмосфере связано с возникновением различных явлений, обусловленных поглощением и рассеянием света и рефракцией (искривлением траектории светового луча). Хорошо известны явления радуги и венцов, возникающие в результате рассеяния солнечного света на каплях воды. Рассеянием света обусловлены видимая сплюснутость небесного свода и голубой цвет неба. Явление рефракции света приводит к образованию миражей.

Условия распространения света в атмосфере определяют видимость предметов. Прозрачность атмосферы на различных длинах волн определяет дальность распространения излучения лазеров, что важно с точки зрения применения лазеров для связи. Ослабление атмосферой инфракрасного излучения влияет на функционирование различных устройств и приборов инфракрасной техники. Рефракция и рассеяние радиоволн обусловливают возможности радиоприёма

3. Характеристика излучений, проникающих через атмосферу

Естественными источниками электромагнитных излучений являются Солнце, звёзды, туманности и другие космические объекты.

Через атмосферу Земли к её поверхности радиоволны, инфракрасное излучение и видимый свет проникают в определенном диапазоне излучения (табл. 2).

В земной атмосфере инфракрасное излучение поглощается молекулами водяного пара, углекислого газа и озона. В связи с этим, инфракрасное излучение проходит через атмосферу не по всему его диапазону.

Земной поверхности достигает лишь длинноволновая часть ультрафиолетового излучения (l > 290 нм). Более коротковолновое ультрафиолетовое излучение поглощается озоном, кислородом и другими компонентами атмосферы на высоте 30-200 км от поверхности Земли, что играет большую роль в атмосферных процессах. Таким образом, атмосфера задерживает большую часть ультрафиолетового излучения Солнца, которое губительно действует на многие организмы.

Ультрафиолетовое излучение звёзд и других космических тел, кроме поглощения в земной атмосфере, в интервале 91,2-20 нм практически полностью поглощается межзвёздным водородом.

Таблица 2. Электромагнитные излучения, проникающие через атмосферу

Земли к её поверхности

Область излучения	Диапазон излучения	Длины волн	Частота, ГГц
Радио-волны	Декаметровый, дециметровый, сантиметровый	8 мм < l < 20 м	37,5 > n > 0,015
	Миллиметровый	1 мм < l < 4 мм	300 > n > 75
Инфра- красный		8 мкм < l < 13 мкм	37474 > n > 23061
спектр		4,5 мкм < l < 5,1 мкм	66620 > n > 58783
	Средний	3,3 мкм < l < 4,2 мкм	90846 > n > 71379
		2,1 мкм < l < 2,4 мкм	142758 > n > 124913
		1,5 мкм < l < 1,8 мкм	199861 > n > 166551
	Ближний	950 нм < l < 1,3 мкм	333102 > n > 230609
Видимый	Красный
спектр	Оранжевый
	Жёлтый
	Зелёный	300 нм < l < 700 нм	999307 > n > 428274
	Синий
	Фиолетовый
	Ультрафиолетовый

Задание 2. Построить шкалу электромагнитных излучений в оптическом диапазоне с выделением участков шкалы для тех излучений которые не проникают через атмосферу Земли.

Более подробную картину пропускания атмосферы электромагнитных излучений, например, инфракрасных в области 0,6 -14 мкм, можно изучить из рис. 1.

Рис. 1. Кривая пропускания атмосферы в области 0,6 -14 мкм

На рис. 1 видны полосы – «окна» прозрачности на длинах волн: 2,0-2,5 мкм, 3,2-4,2 мкм, 4,5-5,2 мкм, 8,0-13,5 мкм. Полосы поглощения с максимумами при l = 0,93; 1,13; 1,40; 1,87; 2,74 мкм принадлежат парам воды; при l = 2,7 и 4,26 мкм – углекислому газу и при l = 9,5 мкм – озону.

Контрольные вопросы

1. Что относится к атмосфере Земли?

2. Охарактеризуйте химический состав атмосферного воздуха.

3. Охарактеризуйте оптический диапазон длин волн.

4. Как получают спектры источников света.

5. Каковы особенности проникновения через атмосферу ультрафиолетовых излучений.

6. Каковы особенности прохождения через атмосферу электромагнитных излучений видимого диапазона.

7. Каковы особенности проникновения через атмосферу инфракрасных излучений.

Домашнее задание

1. Найдите в справочниках и приведите график изменения температуры в зависимости от высоты атмосферы от поверхности Земли.

Литература

1. Куклев экология / Учеб. пособие, 2е изд., исправ. – М.: Высшая школа, 2003. – 357 с.

2. Потапов . – М.: Высшая школа, 2000. – 446 с.

3. http: //www. cultinfo. ru/fulltext/1/001/008/114/029.htm.

Ответ на домашнее задание: