Раздел 2. Механизмы воздействия оптических излучений на природу
Лекция 3
Защитная роль атмосферы Земли
1.Распространение излучения в атмосфере.
2.Прозрачность атмосферы Земли для оптических излучений.
3.Поглощение и рассеяние излучения в земной атмосфере.
4.Фотоионизация.
5.Озон как фильтр коротковолнового излучения.
6.Парниковый эффект.
1. Атмосфера Земли и распространение излучения в атмосфере
1.1. Атмосфера Земли
Атмосфера представляет собой воздушную оболочку Земли, которая защищает живые организмы от губительного воздействия ультрафиолетового излучения Солнца и других жёстких космических излучений.
В целом атмосфера делится на несколько сфер: тропосфера, стратосфера, мезосфера, ионосфера (термосфера) и экзосфера (рис. 1). Границы между сферами называются паузами.
Рис. 1. Вертикальный разрез атмосферы
Тропосфера – это приземная нижняя часть атмосферы, то есть зона где обитает большинство живых организмов. В этой сфере сосредоточено более 75 % массы всей атмосферы. На экваторе она простирается до высоты 16-18 км, в средних (умеренных) широтах – до 10-11 км, а на полюсах – до 8 км.
В тропосфере находится большая часть космической и антропогенной пыли, водяного пара, азота, кислорода и инертных газов. Она практически прозрачна для проходящей через нее коротковолновой солнечной радиации. Однако содержащиеся в ней пары воды, озон и углекислый газ сильно поглощают тепловое (длинноволновое) излучение планеты, в результате чего происходит некоторое нагревание тропосферы. Это приводит к вертикальному перемещению потоков воздуха, конденсации водяного пара, образованию облаков и выпадению осадков.
Стратосфера располагается выше тропосферы до высоты 50-55 км. Температура у ее верхней границы растет в связи и с наличием озона.
Мезосфера имеет верхнюю границу на высотах около 80 км. Главная ее особенность – резкое понижение температуры (минус 75-90 °С) у верхней границы. Здесь наблюдаются серебристые облака, состоящие из ледяных кристаллов.
Ионосфера (термосфера) располагается до высоты 800 км, и для нее характерно значительное повышение температуры (более 1000 °С). Под действием ультрафиолетового излучения Солнца атмосферные газы находятся в ионизированном состоянии. С этим состоянием связано возникновение полярного сияния, как свечения газов. Ионосфера обладает способностью многократного отражения радиоволн, что обеспечивает дальнюю радиосвязь на Земле.
Экзосфера распространяется от высоты 800 км до высот 2000-3000 км. В этом диапазоне высот температура растет до 2000 °С. Важным является тот факт, что скорость газов приближается к критическом значению 11,2 км/с. В составе преобладают атомы водорода и гелия, которые формируют вокруг Земли корону, простирающуюся до высот 20 тыс. км.
Примечание: При подготовке данного параграфа использованы материалы из ([Потапов : Учеб. для строит. спец. вузов. – М.: Высш. шк., 2000. – 446 с.: ил.], стр.49-51).
На высоте 10 км еще можно дышать. Если бы Земля была размером с футбольный мяч, то сопоставимый этой высоте слой атмосферы оказался бы тоньше миллиметра.
2.Прозрачность атмосферы Земли для оптических излучений
В процессе эволюции Вселенной, Солнечной системы менялась интенсивность излучения в различных диапазонах.
Через атмосферу Земли к её поверхности радиоволны, инфракрасное излучение и видимый свет проникают в определенном диапазоне излучения (см. табл. 1). 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.
Таблица 1. 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 |
3.Поглощение и рассеяние излучения в земной атмосфере
3.1.Характеристика солнечной радиации, получаемой Землей
Земля получает лишь одну миллиардную часть солнечной радиации.
Суммарная солнечная радиация, получаемая Землей, складывается из прямой и рассеянной радиации.
Прямая радиация определяется как воздействие на земную поверхность и ее нагревание при ясной, безоблачной погоде. Ультрафиолетовое излучение при прямой радиации влияет, например, на пигментацию кожи человека и животных.
Рассеянная радиация формируется при прохождении солнечных лучей сквозь атмосферу. При этом лучи, встречая на своем пути различные молекулы, пыль, капли воды, отклоняются от прямолинейного пути и рассеиваются. В зависимости от величины облачности, степени влажности воздуха, его запыленности степень рассеивания достигает 45 %. Значение рассеянной радиации велико, она определяет цвет неба и степень освещенности элементов рельефа поверхности Земли и предметов.
Примечание: При подготовке данного параграфа использованы материалы из ([Потапов : Учеб. для строит. спец. вузов. – М.: Высш. шк., 2000. – 446 с.: ил.], стр.61).
Количество солнечного излучения, достигающего поверхности Земли, изменяется с широтой. Солнечное излучение особенно интенсивно на экваторе и ослабевает к полюсам. Этот эффект сглаживается ветрами, которые несут теплый воздух к высоким широтам.
Инфракрасное излучение, проходя через земную атмосферу, ослабляется в результате рассеяния и поглощения. Азот и кислород воздуха не поглощают инфракрасное излучение и ослабляют его лишь в результате рассеяния, которое, однако, для инфракрасного излучения значительно меньше, чем для видимого света.
Пары воды, углекислый газ, озон и др. примеси, имеющиеся в атмосфере, селективно поглощают инфракрасное излучение. Особенно сильно поглощают инфракрасное излучение пары воды, полосы поглощения которых расположены почти во всей инфракрасной области спектра, а в средней инфракрасной области – углекислый газ. В приземных слоях атмосферы в средней инфракрасной области имеется лишь небольшое число «окон», прозрачных для инфракрасного излучения.
Наличие в атмосфере взвешенных частиц – дыма, пыли, мелких капель воды (дымка, туман) – приводит к дополнительному ослаблению инфракрасного излучения в результате рассеяния его на этих частицах, причём величина рассеяния зависит от соотношения размеров частиц и длины волны инфракрасного излучения. При малых размерах частиц (воздушная дымка) инфракрасное излучение рассеивается меньше, чем видимое излучение (что используется в инфракрасной фотографии), а при больших размерах капель (густой туман) инфракрасное излучение рассеивается так же сильно, как и видимое.
4. Фотоионизация
В результате воздействия солнечного излучения на молекулы вещества в атмосфере образуются свободные электроны и положительные ионы. Такие процессы носят название фотоионизации. В табл. 1 приведены некоторые из наиболее важных процессов, протекающих в верхних слоях атмосферы.
Таблица 1. Энергетические и волновые параметры процессов фотоионизации
Процессы | Энергия ионизации, кДж/моль | lmax, нм |
N2 + hn ® N+2 + e | 1495 | 80,1 |
O2 + hn ® O+2 + e | 1205 | 99,3 |
O + hn ® O+ + e | 1313 | 91,2 |
NO + hn ® NO+ + e | 890 | 134,5 |
Как видно из таблицы, фотоны, вызывающие фотоионизацию, относятся к коротковолновой (высокочастотной) ультрафиолетовой части спектра. Излучение этой части спектра не доходит до поверхности Земли, его поглощают верхние слои атмосферы.
Примечание: При подготовке данного параграфа использованы материалы из ([Потапов : Учеб. для строит. спец. вузов. – М.: Высш. шк., 2000. – 446 с.: ил.], стр.55).
Солнечная энергия по сравнению с другими видами энергии обладает исключительными свойствами: практически неисчерпаема, экологически чистая, управляема, а по величине в тысячи раз превосходит всю энергию других источников, которые сможет использовать человечество.
Потенциал эксплуатационного ресурса солнечной энергии оценивается по мощности от 100 до 500 ТВт. Из-за малой плотности этой энергии техносфера потребляет ничтожную ее часть. Некоторое количество используется в пассивной форме – для создания благоприятного теплового режима в системах закрытого грунта. Эта форма использования, а также совершенствование технических средств теплового аккумулирования солнечной энергии и тепловых насосов имеют очень большую перспективу.
Однако гелиоэнергетиков больше интересуют способы концентрирования солнечной энергии и ее прямое преобразование в электроэнергию. При этом решающее значение имеют такие факторы, как энергетическая освещенность, площадь улавливания, КПД преобразования и эффективность аккумулирования. Технический потенциал использования солнечной энергии оценивается в 500 ГВт. Общая мощность систем прямого преобразования солнечной энергии в настоящее время достигала 4 ГВт, в том числе наземных фотоэлектрических преобразователей – 100 МВт.
5.Озон как фильтр коротковолнового излучения
Химические процессы, происходящие в слоях атмосферы, которые расположены ниже 90 км, отличаются от процессов на больших высотах. В мезосфере и стратосфере концентрация намного O2 выше, чем в более высоких слоях, и поэтому вероятность столкновения O2 с О, которое ведет к образованию O3, резко возрастает.
Данный процесс описывается таким образом. В результате поглощения фотона (в основном, ультрафиолетового излучения) происходит фотодиссоциация молекул кислорода:
O2 + hn ® O + О.
Атомы кислорода соединяются с молекулами кислорода и образуют озон:
O2 + О ® O3*.
При этом молекула O3* содержит избыточную энергию (что отмечено звездочкой), от которой ей необходимо избавиться. В противном случае возникнет обратная реакция:
O3* ® O2 + О.
Молекула O3* может отдать энергию при столкновении с молекулами O2 и N2 с выделением тепловой энергии:
O3* + М ® O3 + М*.
Максимальная концентрация озона (порядка 10–3 % по объему) наблюдается на высоте от 40 до 25 км. Образовавшиеся молекулы озона не долговечны, поскольку озон способен поглощать солнечное излучение, в результате чего он разлагается
O3 + hn ® O2 + О.
Молекулы озона чаще всего поглощают фотоны с длинами волн от 200 до 310 нм. Растения и животные не могут существовать при наличии такого излучения, поэтому образовавшийся «озоновый щит» играет важную роль в сохранении жизни на Земле.
К разрушению «озонового щита» приводят высокие температуры, возникающие при эксплуатации некоторых видов летательных аппаратов, и воздействие хлорметанов (фреонов).
Если до поверхности Земли достигает только одна сотая часть ультрафиолетового излучения, то в процессе разрушения «озонового щита» доля проникающего ультрафиолетового излучения будет увеличивться.
Примечание: При подготовке данного параграфа использованы материалы из ([Потапов : Учеб. для строит. спец. вузов. – М.: Высш. шк., 2000. – 446 с.: ил.], стр.57-59).
6. Парниковый эффект
Тепло, которое определяет погоду на нашей планете, приходит от Солнца. Часть солнечной энергии, поступающей на Землю, отражается обратно в космос белыми облаками и ледниковыми шапками. Остальная часть поглощается сушей и океанами, которые нагреваются и отдают тепло в виде инфракрасного излучения. В отличие от лучей видимого света, легко проходящих через слой чистого воздуха, инфракрасные лучи не пропускаются некоторыми атмосферными газами, и тепло возвращается обратно на Землю (рис.2).
Рис.2. Ход лучей при парниковом эффекте
Парниковый эффект – удержание тепла в атмосфере Земли, вызванное присутствием в ней таких газов, как метан и углекислый газ. Кроме того образованию парникового эффекта способствует повышение содержания в приземном слое атмосферы пыли. Смесь пыли, углекислого газа и метана действует как полиэтиленовая пленка над парником, то есть хорошо пропускает солнечный свет, идущий к поверхности почвы, но задерживает рассеиваемое почвой тепло. В результате этого в приземном слое атмосферы создается теплый микроклимат.
Без парниковых газов температура на поверхности Земли не превышала бы –15°С, лед покрывал бы всю планету, и жизнь на ней была бы невозможна. Таким образом, углекислый газ в атмосфере удерживает солнечное тепло и защищает Землю от переохлаждения. Парниковый эффект до сих пор как бы способствовал обеспечению нормальной температуры.
Однако хозяйственная деятельность человека оказывает влияние на него. Парниковый эффект обусловлен увеличением мощности тепловых потоков в результате роста энергопотребления. С 1958 года ученые измеряют содержание углекислого газа на горе Мауна-Лоа (Гавайские острова), которые находятся вдали от источников загрязнения. С каждым годом концентрация углекислого газа растет. Его дополнительным источником служит сжигание ископаемого топлива, например, угля. Углекислый газ попадает в атмосферу и при лесных пожарах.
Ежегодно в результате хозяйственной деятельности человека в атмосферу проникает около 8 млрд. т углерода в виде углекислого газа. Сейчас содержание углекислого газа в атмосфере угрожающе велико. В течение ХХ века дополнительное поступление этого газа в атмосферу привело к такому усилению парникового эффекта, что средняя температура на Земле повысилась на 0,5°С.
Согласно расчетам, в течение XXI века температура может повыситься на 2,5°С. Это больше, чем со времени последнего оледенения. Прогнозируется, что в ряде регионов потепление климата может привести к катастрофическим последствиям. По мере таяния полярных льдов уровень Мирового океана будет повышаться и вызывать наводнения. Пустыни станут еще суше, а погода в прибрежных областях – более штормовой.
