Спектральный состав солнечной радиации

Исследуем белый солнечный луч, идущий к нам через мировое пространство от Солнца. Простейший прибор для такого исследования или анализа света представляет стеклянная трехгранная призма.

Положим призму в темной комнате на стол. Свет же на призму заставим падать сквозь отверстие в окне, имеющее форму узкой горизонтальной щели, причем острое ребро призмы расположим параллельно этой щели.

Если бы мы призму убрали, то луч света нарисовал бы на противоположной стене изображение щели в виде узкой светлой черточки. Если же призма будет находиться на пути светового луча, то на стену ляжет широкая разноцветная полоса света. В этой полосе вы найдете все цвета радуги: красный, за ним оранжевый, потом желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый…

Что же произошло с белым лучом при его прохождении через призму?

Известно, что при переходе из одной среды в другую, например из воздуха в воду или из воздуха в стекло, луч света преломляется. Преломление света постоянно приходится наблюдать в обычной жизни: ложечка, опущенная в чай, или палка, опущенная в воду, кажутся переломленными.

То же самое получилось и с белым солнечным лучом, когда он из воздуха вошел в одну грань призмы и вышел из другой.

Но почему же перестал он быть самим собой — белым лучом?

Очень просто. Белый луч сложен, составлен из целого ряда других, цветных лучей. А стеклянная призма преломляет лучи разного цвета неодинаково: одни больше, другие меньше. Вот почему они расположились на стене веером, один за другим: с левого края красный, с правого — фиолетовый, а остальные между ними.

Полученная нами при разложении белого луча цветная полоса носит название солнечного спектра.

Теперь поставим перед собой другой вопрос: что такое цвет?

Почему одни предметы мы воспринимаем, как красные, другие — как зеленые, третьи — как желтые?

Известно, что свет распространяется волнами. Длины этих волн чрезвычайно малы: в среднем они равны одной двадцатитысячной доле сантиметра.

Световые волны разной длины наш глаз воспринимает как цвета. Самые длинные волны видимого спектра дают в нашем глазу ощущение красного цвета, самые короткие — фиолетового.

Однако, помимо видимых лучей, существуют и невидимые световые лучи.

Если световая волна короче или длиннее определенного размера, то наш глаз не воспринимает ее.

Так вот, за красным и фиолетовым краями видимого спектра расположились на стене и невидимые его части.

За красным краем — еще более длинные волны, так называемые инфракрасная часть спектра; за фиолетовым краем — еще более короткие волны, так называемая ультрафиолетовая часть спектра.

Особенно замечательными свойствами обладают ультрафиолетовые лучи, которые в настоящее время широко используются в науке и технике.

Именно невидимые ультрафиолетовые лучи вызывают загар на нашей коже, когда мы подвергаем ее действию солнечных лучей. В невидимом свете ультрафиолетовых лучей погибают все бактерии, вызывающие болезни человека, животных и растений, а также те бесчисленные виды микроорганизмов, которые портят продукты, источают ткани, бумагу, дерево и другие материалы.

Спектральный состав солнечной радиации определяется температурой излучающей поверхности Солнца (фотосферы), которая равна 6000 градусов. Но в зависимости от массы атмосферы, проходимой солнечным лучом, и от ее состояния спектральный состав радиации, доходящей до земной поверхности, сильно меняется. Вот почему при разных высотах Солнца над горизонтом, а также при подъеме на высоту ее спектральный состав различен.

На рис. 7 показано, как меняется спектральный состав солнечного-луча для различных высот Солнца над горизонтом.

На этом рисунке спектр условно разбит на три части: ультрафиолетовую, видимую глазом, и инфракрасную, а также показано соотношение этих спектральных участков для трех высот Солнца над горизонтом: 90, 30 и 5 градусов. При положении Солнца над головой на долю ультрафиолетовой радиации приходится 4 процента, на видимые лучи — 46 и на инфракрасные — 50 процентов. При уменьшении высоты Солнца до 30 градусов ультрафиолетовые составляют 3 процента, видимые 44, а инфракрасные 53 процента. При положении Солнца у самого горизонта ультрафиолетовых лучей уже нет совсем, а весь поток состоит из видимых — 28 процентов и инфракрасных — 72 процента. Все ультрафиолетовые лучи при такой высоте Солнца уже полностью потеряны в атмосфере.

Хотя на долю ультрафиолетовой области спектра приходится у земной поверхности только около 1 процента энергии солнечного излучения, но эта область, имеющая большое биологическое значение, подвергалась особенно тщательному изучению. Было выяснено, что в основном ультрафиолетовую часть спектра ограничивает поглощение ее газом озоном, находящимся в стратосфере, а также рассеивание ее в атмосфере. Следовательно, длина ультрафиолетовой части спектра зависит от высоты Солнца над горизонтом и состояния атмосферы. Чем ниже высота Солнца, тем более длинный путь проходит солнечный луч в атмосфере. Значит, особенно сильного укорачивания длины спектра с ультрафиолетовой стороны надо ожидать при малых высотах Солнца. Это подтверждается наблюдением.

Для того чтобы показать, как зависит длина ультрафиолетового конца спектра от высоты места над уровнем моря, на рис. 8 приведены схематически, в виде черных полос, ультрафиолетовые концы спектра Солнца при различных его высотах для Воронежа и для Ароза (в Швейцарии, высота 2 километра). На рисунке видно, насколько спектры для Ароза длиннее, особенно при малых высотах Солнца, чем для Воронежа, что обусловлено большей высотой Ароза над уровнем моря.

С изменением высоты Солнца меняется не только длина ультрафиолетовой части спектра, но и ее интенсивность, что можно видеть из табл. 3.

Что касается состава солнечного луча на различных высотах над уровнем моря, то количество наблюдений по этому интересному вопросу совсем ничтожно, особенно для более или менее значительных высот свободной атмосферы. Исходя из радиационных свойств атмосферы, мы должны ожидать, что различные участки спектра будут по-разному реагировать на изменение высоты. Теоретические расчеты и наблюдения показывают, что особенно большие изменения с высотой испытывает коротковолновая ультрафиолетовая радиация. Соотношение между основными спектральными составными частями солнечной радиации до вступления лучей Солнца в атмосферу и при достижении ими земной поверхности дано в табл. 4.