Солнечный свет — это часть электромагнитного излучения, испускаемого Солнцем , в частности инфракрасного , видимого и ультрафиолетового света. На Земле солнечный свет рассеивается и фильтруется через земную атмосферу и виден как дневной свет , когда Солнце находится над горизонтом . Когда прямое солнечное излучение не блокируется облаками , оно воспринимается как солнечный свет , сочетание яркого света и лучистого тепла (атмосферного). Когда солнечный свет блокируется облаками или отражается от других объектов , он рассеивается . По оценкам источников, средний мировой показатель составляет от 164 до 340 Вт [1] на квадратный метр в течение 24 часов в сутки; [2] по оценкам НАСА, эта цифра составляет около четверти среднего общего солнечного излучения Земли .
Ультрафиолетовое излучение солнечного света оказывает как положительное, так и отрицательное воздействие на здоровье, поскольку оно одновременно необходимо для синтеза витамина D3 и является мутагеном .
Солнечному свету требуется около 8,3 минут, чтобы достичь Земли с поверхности Солнца. [3] Фотону, стартующему из центра Солнца и меняющему направление каждый раз, когда он сталкивается с заряженной частицей, потребуется от 10 000 до 170 000 лет, чтобы добраться до поверхности. [4]
Солнечный свет является ключевым фактором фотосинтеза , процесса, используемого растениями и другими автотрофными организмами для преобразования световой энергии , обычно исходящей от Солнца, в химическую энергию , которая может использоваться для синтеза углеводов и подпитки деятельности организмов.
Дневное освещение – это естественное освещение внутренних помещений за счет проникновения солнечного света. Солнечное излучение – это солнечная энергия, получаемая от солнечного света.
Исследователи могут измерить интенсивность солнечного света с помощью солнечного самописца , пиранометра или пиргелиометра . Чтобы рассчитать количество солнечного света, достигающего земли, необходимо принять во внимание как эксцентриситет эллиптической орбиты Земли , так и ослабление земной атмосферой . Внеземная солнечная освещенность ( E ext ), скорректированная для эллиптической орбиты с использованием номера дня в году (dn), с хорошим приближением дается формулой [5]
где dn=1 1 января; дн=32 1 февраля; dn=59 1 марта (кроме високосных лет, где dn=60) и т. д. В этой формуле используется dn–3, поскольку в современное время перигелий Земли , наименьшее сближение с Солнцем и, следовательно, максимальное E ext происходит примерно 3 января каждого года. Значение 0,033412 определяется исходя из того, что соотношение между квадратом перигелия (0,98328989 а.е.) и квадратом афелия (1,01671033 а.е.) должно составлять примерно 0,935338.
Постоянная солнечной освещенности ( E sc ), равна 128×10 3 люкс . Прямая нормальная освещенность ( E dn ), скорректированная на ослабляющее воздействие атмосферы, определяется по формуле:
где c — атмосферное поглощение , а m — относительная оптическая масса воздуха . Из-за атмосферного вымирания количество люксов снижается примерно до 100 000 люкс.
Общее количество энергии, получаемой на уровне земли от Солнца в зените, зависит от расстояния до Солнца и, следовательно, от времени года. В январе он примерно на 3,3% выше среднего, а в июле — на 3,3% ниже (см. ниже). Если внеземное солнечное излучение составляет 1367 Вт на квадратный метр (значение при расстоянии Земля-Солнце в 1 астрономическую единицу ), то прямой солнечный свет на поверхности Земли, когда Солнце находится в зените, составляет около 1050 Вт/м 2 , но общее количество (прямое и косвенное из атмосферы), попадающее на землю, составляет около 1120 Вт/м 2 . [6] С точки зрения энергии, солнечный свет на поверхности Земли составляет от 52 до 55 процентов инфракрасного спектра (выше 700 нм ), от 42 до 43 процентов видимого света (от 400 до 700 нм) и от 3 до 5 процентов ультрафиолета (ниже 400 нм). [7] В верхних слоях атмосферы солнечный свет примерно на 30% интенсивнее и содержит около 8% ультрафиолета (УФ), [8] причем большая часть дополнительного ультрафиолета состоит из биологически вредного коротковолнового ультрафиолета. [9]
Прямой солнечный свет имеет светоотдачу около 93 люменов на ватт лучистого потока . Это выше, чем эффективность (источника) искусственного освещения, отличного от светодиодов , что означает, что использование солнечного света для освещения нагревает комнату меньше, чем освещение флуоресцентными лампами или лампами накаливания. Умножение цифры 1050 Вт на квадратный метр на 93 люмен на ватт показывает, что яркий солнечный свет обеспечивает освещенность примерно 98 000 люкс ( люмен на квадратный метр) на перпендикулярной поверхности на уровне моря. Освещенность горизонтальной поверхности будет значительно меньше, если Солнце находится не очень высоко на небе. В среднем за день наибольшее количество солнечного света на горизонтальной поверхности приходится на Южный полюс в январе (см. Инсоляция ).
Разделив интенсивность излучения 1050 Вт/м 2 на размер солнечного диска в стерадианах , получим среднюю яркость 15,4 МВт на квадратный метр на стерадиан. (Однако яркость в центре солнечного диска несколько выше, чем в среднем по всему диску из-за затемнения кромок .) Умножение этого значения на π дает верхний предел освещенности, которую можно сфокусировать на поверхности с помощью зеркал: 48,5. МВт/м 2 . [10]
Спектр солнечного излучения Солнца можно сравнить со спектром черного тела [11] [12] с температурой около 5800 К [13] (см. график). Солнце излучает электромагнитное излучение в большей части электромагнитного спектра . Хотя излучение, создаваемое в солнечном ядре, состоит в основном из рентгеновских лучей , внутреннее поглощение и термализация преобразуют эти фотоны сверхвысокой энергии в фотоны с более низкой энергией, прежде чем они достигнут поверхности Солнца и испускаются в космос. В результате фотосфера Солнца не испускает большого количества рентгеновского излучения ( солнечного рентгеновского излучения ), хотя испускает такие «жесткие излучения», как рентгеновские лучи и даже гамма-лучи во время солнечных вспышек . [14] Тихое (не вспыхивающее) Солнце, включая его корону , излучает широкий диапазон длин волн: рентгеновские лучи , ультрафиолет , видимый свет , инфракрасные и радиоволны . [15] На разных глубинах фотосферы наблюдаются разные температуры, и это частично объясняет отклонения от спектра черного тела. [16]
Существует также поток гамма-лучей от покоящегося Солнца, подчиняющийся степенному закону между 0,5 и 2,6 ТэВ . Некоторые гамма-лучи вызваны космическими лучами, взаимодействующими с солнечной атмосферой, но это не объясняет эти открытия. [17] [18] [19]
Единственным прямым признаком ядерных процессов в ядре Солнца являются очень слабо взаимодействующие нейтрино .
Хотя солнечная корона является источником сильного ультрафиолетового и рентгеновского излучения, эти лучи составляют лишь очень небольшую часть выходной мощности Солнца (см. спектр справа). Спектр почти всего солнечного электромагнитного излучения , падающего на атмосферу Земли, охватывает диапазон от 100 нм до примерно 1 мм (1 000 000 нм). [ нужна ссылка ] Эту полосу значительной мощности излучения можно разделить на пять областей в порядке возрастания длин волн : [20]
Таблицы прямой солнечной радиации на различных склонах от 0 до 60 градусов северной широты, в калориях на квадратный сантиметр, выпущенные в 1972 году и опубликованные Тихоокеанской северо-западной лесной и полигонной экспериментальной станцией, Лесной службой, Министерством сельского хозяйства США, Портленд, Орегон, США, появиться в сети. [25]
Различные тела Солнечной системы получают свет с интенсивностью, обратно пропорциональной квадрату их расстояния от Солнца.
Таблица, сравнивающая количество солнечной радиации, получаемой каждой планетой Солнечной системы в верхней части ее атмосферы: [26]
Фактическая яркость солнечного света, который будет наблюдаться на поверхности, также зависит от присутствия и состава атмосферы . Например, плотная атмосфера Венеры отражает более 60% получаемого ею солнечного света. Фактическая освещенность поверхности составляет около 14 000 люкс, что сопоставимо с земной «днем при пасмурной облачности». [27]
Солнечный свет на Марсе был бы более или менее похож на дневной свет на Земле в слегка пасмурный день, и, как видно на снимках, сделанных марсоходами, рассеянного неба достаточно , чтобы тени не казались особенно темными. Таким образом, это давало бы восприятие и «ощущение» очень похожее на дневной свет Земли. Спектр на поверхности немного краснее, чем на Земле, из-за рассеяния красноватой пылью в марсианской атмосфере.
Для сравнения, солнечный свет на Сатурне немного ярче, чем солнечный свет на Земле во время среднего заката или восхода солнца. Даже на Плутоне солнечный свет по-прежнему будет достаточно ярким, чтобы почти соответствовать яркости средней гостиной. Чтобы увидеть на Земле солнечный свет, такой же тусклый, как свет полной луны , необходимо расстояние около 500 а.е. (~69 световых часов ); только несколько объектов в Солнечной системе были обнаружены, о которых известно, что они вращаются дальше такого расстояния, среди них 90377 Седна и (87269) 2000 OO 67 .
На Земле солнечная радиация варьируется в зависимости от угла наклона Солнца над горизонтом : продолжительность солнечного света в высоких широтах летом увеличивается, а зимой вблизи соответствующего полюса солнечного света вообще не бывает. Когда прямое излучение не блокируется облаками, оно воспринимается как солнечный свет . Нагревание земли (и других объектов) зависит от поглощения электромагнитного излучения в виде тепла .
Количество радиации, перехваченной планетарным телом, изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния между звездой и планетой. Орбита и наклонение Земли меняются со временем (на протяжении тысячелетий), иногда образуя почти идеальный круг, а иногда простираясь до эксцентриситета орбиты 5% (в настоящее время 1,67%). При изменении эксцентриситета орбиты среднее расстояние от Солнца ( большая полуось) существенно не меняется, поэтому общая инсоляция за год остается практически постоянной благодаря второму закону Кеплера ,
где – инвариант «площадной скорости». То есть интегрирование по орбитальному периоду (также инвариантное) является константой.
Если мы предположим, что мощность солнечного излучения P постоянна во времени, а солнечное излучение определяется законом обратных квадратов , мы получим также среднюю инсоляцию как константу. Однако сезонное и широтное распределение и интенсивность солнечной радиации, получаемой на поверхности Земли, действительно различаются. [28] Влияние угла Солнца на климат приводит к изменению солнечной энергии летом и зимой. Например, на широте 65 градусов это значение может изменяться более чем на 25% в результате изменения орбиты Земли. Поскольку изменения зимой и летом имеют тенденцию компенсироваться, изменение среднегодовой инсоляции в любом данном месте близко к нулю, но перераспределение энергии между летом и зимой действительно сильно влияет на интенсивность сезонных циклов. Подобные изменения, связанные с перераспределением солнечной энергии, считаются вероятной причиной наступления и ухода недавних ледниковых периодов (см.: Циклы Миланковича ).
Космические наблюдения за солнечным излучением начались в 1978 году. Эти измерения показывают, что солнечная постоянная не является постоянной. Оно варьируется во многих временных масштабах, включая 11-летний солнечный цикл солнечных пятен. [29] Если вернуться в прошлое, то придется полагаться на реконструкцию облучения, используя солнечные пятна за последние 400 лет или космогенные радионуклиды для возвращения на 10 000 лет назад. Такие реконструкции были сделаны. [30] [31] [32] [33] Эти исследования показывают, что в дополнение к изменению солнечной радиации в зависимости от солнечного цикла (цикл (Швабе)), солнечная активность меняется в течение более длительных циклов, таких как предполагаемый 88-летний ( цикл Глейсберга), 208 лет (цикл ДеВриса) и 1000 лет (цикл Эдди).
Солнечная постоянная — это мера плотности потока , количество поступающего солнечного электромагнитного излучения на единицу площади, которое падает на плоскость, перпендикулярную лучам, на расстоянии одной астрономической единицы (а.е.) (примерно среднее расстояние от Солнца). Солнце к Земле). «Солнечная постоянная» включает в себя все виды солнечной радиации, а не только видимый свет . Считалось, что его среднее значение составляет примерно 1366 Вт/м 2 , [34] оно незначительно меняется в зависимости от солнечной активности , но недавние повторные калибровки соответствующих спутниковых наблюдений показывают, что значение ближе к 1361 Вт/м 2 является более реалистичным. [35]
С 1978 года в ходе серии перекрывающихся спутниковых экспериментов НАСА и ЕКА было измерено общее солнечное излучение (TSI) – количество солнечной радиации, получаемой в верхних слоях атмосферы Земли – как 1,365 киловатт на квадратный метр (кВт/м 2 ). [34] [36] [37] [38] Наблюдения TSI продолжаются с помощью спутниковых экспериментов ACRIMSAT /ACRIM3, SOHO /VIRGO и SORCE /TIM. [39] Наблюдения выявили изменение TSI во многих временных масштабах, включая солнечный магнитный цикл [29] и многие более короткие периодические циклы. [40] TSI обеспечивает энергию, которая управляет климатом Земли, поэтому продолжение базы данных временных рядов TSI имеет решающее значение для понимания роли солнечной изменчивости в изменении климата.
С 2003 года монитор спектрального излучения SORCE (SIM) контролирует спектральное солнечное излучение (SSI) – спектральное распределение TSI. Данные показывают, что SSI на длине волны УФ (ультрафиолетового) менее четко и, вероятно, более сложно соответствует климатическим реакциям Земли, чем предполагалось ранее, что открывает широкие возможности для новых исследований «связи Солнца и стратосферы, тропосферы, биосферы, океан и климат Земли». [41]
Спектр освещенности поверхности зависит от высоты Солнца из-за атмосферных эффектов: синий спектральный компонент доминирует в сумерках до и после восхода и заката соответственно, а красный – во время восхода и заката. Эти эффекты очевидны при съемке с естественным освещением , где основным источником освещения является солнечный свет, передаваемый через атмосферу.
Хотя цвет неба обычно определяется рэлеевским рассеянием , исключение происходит на закате и в сумерках. «Преимущественное поглощение солнечного света озоном на длинных путях горизонта придает зенитному небу голубизну, когда солнце находится вблизи горизонта». [42]
Для получения более подробной информации см. Рассеянное излучение неба .
Можно сказать, что Солнце освещает , что является мерой света в определенном диапазоне чувствительности. Многие животные (включая человека) имеют диапазон чувствительности примерно 400–700 нм, [43] и при оптимальных условиях поглощение и рассеяние атмосферой Земли создают освещение, которое приближается к источнику света равной энергии для большей части этого диапазона. [44] Например, полезный диапазон цветового зрения у человека составляет примерно 450–650 нм. Помимо эффектов, возникающих на закате и восходе солнца, спектральный состав меняется в первую очередь в зависимости от того, насколько непосредственно свет способен освещать солнечный свет. Когда освещение непрямое, рэлеевское рассеяние в верхних слоях атмосферы приводит к доминированию синих волн. Водяной пар в нижних слоях атмосферы вызывает дальнейшее рассеяние, а озон, пыль и частицы воды также поглощают волны определенной длины. [45] [46]
Существование почти всей жизни на Земле поддерживается светом Солнца. Большинство автотрофов , таких как растения, используют энергию солнечного света в сочетании с углекислым газом и водой для производства простых сахаров — процесс, известный как фотосинтез . Эти сахара затем используются в качестве строительных блоков и в других синтетических путях, которые позволяют организму расти.
Гетеротрофы , такие как животные, используют свет Солнца косвенно, потребляя продукты автотрофов, либо потребляя автотрофы, потребляя их продукты, либо потребляя другие гетеротрофы. Сахара и другие молекулярные компоненты, вырабатываемые автотрофами, затем расщепляются, высвобождая накопленную солнечную энергию и давая гетеротрофам энергию, необходимую для выживания. Этот процесс известен как клеточное дыхание .
В доисторические времена люди начали расширять этот процесс, используя растительные и животные материалы для других целей. Например, они использовали шкуры животных для обогрева или деревянное оружие для охоты. Эти навыки позволили людям собирать больше солнечного света, чем это было возможно только за счет гликолиза, и человеческая популяция начала расти.
Во время неолитической революции одомашнивание растений и животных еще больше расширило доступ человека к солнечной энергии. Поля, отведенные под посевы, были обогащены несъедобными растительными веществами, обеспечивающими сахар и питательные вещества для будущих урожаев. Животные, которые раньше после убийства давали людям только мясо и инструменты, теперь использовались для труда на протяжении всей жизни, подпитываясь несъедобными для человека травами . Ископаемое топливо — это остатки древней растительной и животной материи, образовавшиеся с использованием энергии солнечного света, а затем запертые внутри Земли на миллионы лет.
Эффект солнечного света имеет отношение к живописи , о чем свидетельствуют, например, работы Эдуарда Мане и Клода Моне , посвященные сценам на открытом воздухе и пейзажам.
Многие люди считают, что прямой солнечный свет слишком яркий для комфорта; действительно, взгляд прямо на Солнце может привести к долгосрочному повреждению зрения. [47] Чтобы компенсировать яркость солнечного света, многие люди носят солнцезащитные очки . Автомобили , многие шлемы и кепки оснащены козырьками , закрывающими солнце от прямого обзора, когда Солнце находится под небольшим углом. Солнечный свет часто блокируется от проникновения в здания с помощью стен , оконных жалюзи , навесов , ставен , занавесок или близлежащих тенистых деревьев . Воздействие солнечного света биологически необходимо для выработки в коже витамина D , жизненно важного соединения, необходимого для укрепления костей и мышц в организме.
Во многих мировых религиях, например, в индуизме , Солнце считается богом , так как оно является источником жизни и энергии на Земле. Солнце также считалось богом в Древнем Египте .
Солнечные ванны – популярное развлечение , при котором человек сидит или лежит под прямыми солнечными лучами. Люди часто загорают в удобных местах, где много солнечного света. Некоторые распространенные места для принятия солнечных ванн включают пляжи , открытые бассейны , парки , сады и уличные кафе . Загорающие обычно носят ограниченное количество одежды, а некоторые просто ходят обнаженными . Для некоторых альтернативой загару является использование солярия , генерирующего ультрафиолет , который можно использовать в помещении независимо от погодных условий. Солярии запрещены в ряде государств мира.
Для многих людей со светлой кожей одной из целей принятия солнечных ванн является затемнение цвета кожи (получение солнечного загара), поскольку в некоторых культурах это считается привлекательным, связанным с активным отдыхом, отпуском/праздниками и здоровьем. Некоторые люди предпочитают загорать обнаженными , чтобы получить «сплошной» или «ровный» загар, иногда в рамках определенного образа жизни.
Контролируемая гелиотерапия , или солнечные ванны, используется для лечения псориаза и других заболеваний.
Загар кожи достигается за счет увеличения темного пигмента внутри клеток кожи, называемого меланоцитами , и является автоматическим механизмом реакции организма на достаточное воздействие ультрафиолетового излучения Солнца или искусственных солнечных ламп. Таким образом, загар постепенно исчезает со временем, когда человек больше не подвергается воздействию этих источников.
Ультрафиолетовое излучение солнечного света оказывает как положительное, так и отрицательное воздействие на здоровье, поскольку оно является одновременно основным источником витамина D3 и мутагеном . [48] Пищевая добавка может поставлять витамин D без этого мутагенного эффекта, [49] но обходит естественные механизмы, которые предотвращают передозировку витамина D, вырабатываемого внутри организма под воздействием солнечного света. Витамин D оказывает широкий спектр положительных эффектов на здоровье, включая укрепление костей [50] и, возможно, подавление роста некоторых видов рака. [51] [52] Воздействие солнца также связано со сроками синтеза мелатонина , поддержанием нормальных циркадных ритмов и снижением риска сезонных аффективных расстройств . [53]
Известно, что длительное воздействие солнечного света связано с развитием рака кожи , старением кожи , подавлением иммунитета и заболеваниями глаз, такими как катаракта и дегенерация желтого пятна . [54] Кратковременное чрезмерное воздействие является причиной солнечных ожогов , снежной слепоты и солнечной ретинопатии .
УФ-лучи, а, следовательно, солнечный свет и солнечные лампы, являются единственными перечисленными канцерогенами , которые, как известно, полезны для здоровья [55] , и ряд организаций общественного здравоохранения заявляют, что должен быть баланс между рисками слишком большого количества солнечного света или слишком маленький. [56] Существует общее мнение, что следует всегда избегать солнечных ожогов.
Эпидемиологические данные показывают, что люди, которые больше подвергаются воздействию солнечного света, имеют меньше высокого кровяного давления и смертности от сердечно-сосудистых заболеваний. Хотя солнечный свет (и его УФ-лучи) являются фактором риска развития рака кожи, «избегание солнца может принести больше вреда, чем пользы для общего хорошего здоровья». [57] Исследование показало, что нет никаких доказательств того, что УФ-излучение сокращает продолжительность жизни в отличие от других факторов риска, таких как курение, алкоголь и высокое кровяное давление. [57]
Повышенные дозы солнечного УФ -В увеличивают частоту рекомбинации ДНК у растений Arabidopsis thaliana и табака ( Nicotiana tabacum ). [58] Это увеличение сопровождается сильной индукцией фермента, играющего ключевую роль в рекомбинационном восстановлении повреждений ДНК. Таким образом, уровень земного солнечного УФ-В-излучения, вероятно, влияет на стабильность генома растений.
100 Вт на квадратный метр... 14 000 люкс... соответствует... дневному времени суток с пасмурной облачностью
Свет — это особый класс лучистой энергии, охватывающий длины волн от 400 до 700 нм (или мкм) или от 4000 до 7000 Å.
Полуденный солнечный свет (D55) имеет почти ровное распределение...