Кіріспе

Күн сәулесі – Күннің шығаратын электромагниттік сәулелердің бір бөлігі, атап айтқанда инфрақызыл, көрінетін және ультракүлгін сәулелері. Жерде Күн көкжиектен жоғары тұрғанда күн сәулесі шашылып, Жер атмосферасы арқылы сүзгіленіп, күндізгі жарық ретінде көрінеді. Егер күн сәулесін бұлттар кедергі етпесе, ол жарқын жарық пен жылудың (атмосфералық) үйлесімі ретінде сезіледі. Бұлттармен жабылған немесе басқа заттардан шағылысқан кезде күн сәулесі таралып кетеді. Әртүрлі дереккөздердің бағалауынша, 24 сағат ішінде бір шаршы метрге 164-тен 340 ваттқа дейін энергия түседі. NASA-ның есебі бойынша, бұл көрсеткіш Жерге түсетін күн сәулесінің жалпы мөлшерінің шамамен төрттен бірін құрайды. Күн сәулесіндегі ультракүлгін сәулелерінің денсаулыққа қатысты оң және теріс әсерлері бар, себебі ол D3 витаминінің синтезі үшін қажет, сонымен қатар мутаген болып табылады. Күннен Жерге күн сәулесінің жетуіне шамамен 8,3 минут уақыт кетеді. Күннің ортасынан шығып, зарядталған бөлшекті кездестіретін сайын бағытын өзгертетін фотонның жер бетіне жетуіне 10 000 мен 170 000 жылға дейін уақыт қажет болуы мүмкін. Күн сәулесі – фотосинтез процесіндегі маңызды фактор, осы арқылы өсімдіктер мен басқа да автотрофты организмдер жарық энергиясын, әдетте Күннен келетін энергияны, химиялық энергияға айналдырып, оны көмірсуларды синтездеуге және организмдердің тіршілік әрекетін қамтамасыз етуге пайдаланады. Күндізгі жарық – бұл күн сәулесін пайдаланып, ішкі кеңістіктерді табиғи түрде жарықтандыру. Күн сәулеленуі – күн сәулесінен алынатын күн энергиясы.

Өлшем

Зерттеушілер күн сәулесінің қарқындылығын күн сәулесін тіркегіш, пиранометр немесе пирелиметр арқылы өлшеуге болады. Жерге жететін күн сәулесінің мөлшерін есептеу үшін Жердің эллиптикалық орбитасының эксцентриктігі және Жер атмосферасының сәулесін жұтуын ескеру қажет. Жылдың күнін (dn) пайдалану арқылы эллипстік орбитаға түзетілген сыртқы күн сәулесінің жарықтығы (Eext) шамамен былай беріледі: мұнда dn=1 қаңтардың 1-і; dn=32 ақпанның 1-і; dn=59 наурыздың 1-і (кескіш жылдарда dn=60), және т.б. Бұл формулаға dn–3 қолданылады, себебі қазіргі уақытта Жердің перигелийі, Күнге ең жақын нүктесі және, демек, ең жоғары Eext жыл сайын 3 қаңтарға жуық келеді. 0,033412 мәні перигелийдің (0,98328989 АЕ) квадраты мен афелийдің (1,01671033 АЕ) квадраты арақатынасының шамамен 0,935338 болуын білгенде анықталады. Күн сәулесінің жарық тұрақтысы (Esc) 128×103 люксқа тең. Атмосфераның сәулесін жұту әсеріне түзетулер енгізілген тікелей нормальді жарықтандыру (Edn) былай беріледі: мұнда c – атмосфералық жойылу, ал m – салыстырмалы оптикалық ауа массасы. Атмосфералық жойылу люкстердің санын шамамен 100 000 люкске дейін төмендетеді. Жер бетінде Күннен алынатын энергияның жалпы мөлшері Күнге дейінгі қашықтыққа және, демек, жыл мезгіліне байланысты. Қаңтар айында ол орташа көрсеткіштен 3,3% жоғары, ал шілдеде 3,3% төмен (төменде қараңыз). Егер сыртқы күн сәулесінің қарқындылығы 1367 Вт/м2 болса (Жер-Күн арақашықтығы 1 астрономиялық бірлік болғанда), онда Күн зенитте болғанда Жер бетіндегі тікелей күн сәулесі шамамен 1050 Вт/м2 құрайды, бірақ жерге тиетін жалпы мөлшері (тікелей және атмосферадан шағылысқан) шамамен 1120 Вт/м2 болады. Энергия тұрғысынан алғанда, Жер бетіндегі күн сәулесінің шамамен 52-55% инфрақызыл (700 нм жоғары), 42-43% көрінетін (400-700 нм) және 3-5% ультракөк сәуле (400 нм төмен) құрайды. Атмосфераның жоғарғы қабатында күн сәулесінің қарқындылығы шамамен 30% жоғары, ультракөк сәуле (УК) шамамен 8% құрайды, ал қосымша УК-тың көп бөлігі биологиялық зиян келтіретін қысқа толқынды ультракөк сәуледен тұрады. Сәулелену ағынының ватына шамамен 93 люмен жарық беру тиімділігі тән. Бұл LED-терден басқа жасанды жарықтандырудың тиімділігінен жоғары, яғни жарықтандыру үшін күн сәулесін пайдалану флуоресценттік немесе шамдық жарықтандыруға қарағанда бөлмені аз жылытады. 1050 Вт/м2 көрсеткішін 93 люмен/Вт-қа көбейту арқылы жарқын күн сәулесінің теңіз деңгейінде перпендикуляр бетке шамамен 98 000 люкс (м2-ге люмен) жарық беретінін көруге болады. Егер Күн аспанда тым жоғары болмаса, көлденең беттің жарықтылығы одан әлдеқайда төмен болады. Күн бойы орташа есептегенде, көлденең бетке ең көп күн сәулесі қаңтар айында Оңтүстік полюсте түседі (күннің түсуін қараңыз). 1050 Вт/м2 сәулеленуді Күн дискісінің өлшеміне стерадианмен бөлгенде стерадианға шаққанда 15,4 МВт орташа сәулелену алынады. (Дегенмен, дискінің ортасындағы сәулелену дискінің бүкіл ауманындағы орташа көрсеткіштен сәл жоғары, себебі дискінің шеттерінде сәулелену азаяды.) Оны π-мен көбейту айналарды пайдалану арқылы бетке шоғырландыруға болатын сәулеленудің жоғарғы шегін береді: 48,5 МВт/м2.

Жарияланған кестелер

1972 жылы шығарылған және АҚШ Ауыл шаруашылығы департаментінің Орман шаруашылығы қызметі, Тынық мұхиттың солтүстік-батыс орман және шабындық зерттеу станциясы, Орегон штаты, Портленд қаласында жарияланған, 0-ден 60 градусқа дейінгі солтүстік ендіктегі әр түрлі беткейлерге түсетін тікелей күн сәулесінің калориямен өлшенген кестелері интернетте қолжетімді.

Маусымдық және орбиталық ауытқулар

Жер бетінде күн сәулесінің мөлшері Күннің көкжиектен жоғары бұрышына байланысты өзгереді. Жаз айларында жоғары ендіктерде күн сәулесі ұзаққа созылады, ал тиісті полюске жақын жерлерде қыс мезгілінде күн сәулесі мүлдем болмайды. Бұлттар тікелей сәулеленуді тосқан жағдайда, ол күн сәулесі ретінде сезіледі. Жердің (және басқа да заттардың) жылуы электромагниттік сәулеленудің жылу түрінде сіңірілуіне байланысты. Планеталық денеге түсетін сәулелену мөлшері жұлдыз бен планета арасындағы қашықтықтың квадратына кері пропорционалды. Жердің орбитасы мен көлбеулігі уақыт өте келе (мыңдаған жылдар бойы) өзгереді, кейде дерлік түзу шеңберге айналады, ал кейде орбиталық эксцентриктікке 5% дейін жетеді (қазіргі уақытта 1,67%). Орбиталық эксцентриктік өзгергенде, Күннен орташа қашықтық (жартылай басты ось айтарлықтай өзгермейді, сондықтан бір жыл ішіндегі жалпы күн сәулесі Кеплердің екінші заңына сәйкес тұрақты болып қалады, мұнда "аумақтық жылдамдық" инвариант болып табылады. Яғни, орбиталық кезеңдегі интегралдау (ол да инвариант) тұрақты шама. Егер күн сәулесінің қуатын уақыт бойынша тұрақты деп қарастырсақ және күн сәулесінің кері квадрат заңымен берілгенін ескерсек, орташа күн сәулесі де тұрақты болады. Дегенмен, Жер бетіне түсетін күн сәулесінің маусымдық және ендік таралуы мен қарқындылығы әртүрлі болады. Күн бұрышының климатқа тигізетін әсері жаз бен қыста күн энергиясының өзгеруіне алып келеді. Мысалы, 65 градус ендікте бұл Жер орбитасының өзгеруі салдарынан 25% -тан астам ауытқуға мүмкіндік береді. Қыс пен жаз айларындағы өзгерістер өзара теңдестірілгендіктен, кез келген жердегі жылдық орташа күн сәулесінің өзгеруі нөлге жуық, бірақ энергияның жаз бен қыс арасында қайта бөлінуі маусымдық циклдардың қарқындылығына күшті әсер етеді. Күн энергиясының қайта бөлінуімен байланысты осындай өзгерістер соңғы мұз дәуірлерінің пайда болуы мен жоғалуының ықтимал себебі деп саналады (қараңыз: Миланкович циклдары).

Күн сәулесінің интенсивтілігінің өзгеруі

1978 жылы күн сәулесін ғарыштан бақылаулар басталды. Осы өлшемдер күн тұрақтысының тұрақты емес екенін көрсетеді. Ол түрлі уақыт кезеңдерінде өзгереді, соның ішінде 11 жылдық күн дақтары циклында. Бұл зерттеулер көрсеткендей, күн циклымен (Швабе циклы) байланысты күн сәулесінің өзгеруіне қоса, күн белсенділігі ұзақ циклдармен да өзгереді, мысалы, 88 жылдық (Глейсберг циклы), 208 жылдық (ДеВрис циклы) және 1000 жылдық (Эдди циклы).

Күн тұрақтысы

Күн тұрақтысы – ағын тығыздығының өлшемі, сәулелерге перпендикуляр жазықтықта, бір астрономиялық бірлік (АБ) қашықтықта (күннен Жерге дейінгі орташа қашықтыққа жуық) бірлік ауданына түсетін күннің электромагниттік сәулеленуінің мөлшері. "Күн тұрақтысы" көрінетін жарықтан бөлек, күн сәулесінің барлық түрлерін қамтиды. Оның орташа мәні шамамен 1366 Вт/м² деп есептелген, күн белсенділігіне байланысты сәл өзгерістер байқалады, бірақ соңғы спутниктік бақылаулардың қайта калибрленуі 1361 Вт/м² мәнінің көбірек сәйкес екенін көрсетеді.

Жер бетіндегі жалпы күн сәулеленуі (TSI) және спектрлік күн сәулеленуі (SSI)

1978 жылдан бері НАСА және ЕКА спутниктік эксперименттерінің тізбегі жалпы күн сәулесін (TSI) – Жер атмосферасының жоғарғы қабатына түсетін күн сәулесінің мөлшерін – шаршы метрге 1,365 киловатт (кВт/м²) деп өлшеп келеді. TSI бойынша бақылаулар ACRIMSAT/ACRIM3, SOHO/VIRGO және SORCE/TIM спутниктік эксперименттері арқылы жалғасуда. Байқаулар TSI-дің күн магниттік циклы және көптеген қысқа мерзімді циклдарды қоса алғанда, әртүрлі уақыт аралықтарында өзгеретінін көрсетті. TSI Жердің климатын қозғаушы энергияны қамтамасыз етеді, сондықтан TSI уақыт қатарының деректер базасын сақтап беру, климаттың өзгеруінде күннің өзгеруінің қандай рөл атқаратынын түсіну үшін маңызды. 2003 жылдан бері SORCE спектрлік сәулелену мониторы (SIM) спектрлік күн сәулесін (SSI) – TSI-дің спектрлік таралуын бақылап келеді. Деректер көрсеткендей, ультракүлгін (УФ) толқын ұзындығындағы SSI Жердің климаттық жауаптарымен бұрынғы болжамдардан гөрі нашар және күрделі байланысқа ие, бұл «күн мен стратосфера, тропосфера, биосфера, мұхит және Жер климатының байланысы» саласындағы жаңа зерттеулерге кең мүмкіндіктер ашады.

Жер бетінің жарықтылығы мен спектрі

Жер бетіндегі жарықтандыру спектрі атмосфералық әсерлерге байланысты күннің биіктігіне тәуелді болады. Көк спектрлік компонент күн шығу мен күн бату алдындағы және кейінгі шапақ уақытында басымдық танытады, ал күн шығу мен күн бату кезінде қызыл түс басым болады. Бұл әсерлер табиғи жарықпен фотосуретке түсіруде жақсы көрінеді, мұнда жарықтың негізгі көзі – атмосфера арқылы өтетін күн сәулесі болып табылады. Аспанның түсі көбінесе Рейлидің шашырауымен анықталады, бірақ күн бату мен шапақ уақытында ерекшеліктер болады. "Көкжиек бойындағы ұзақ жолдарда озонның күн сәулесін артық сіңіруі, күн көкжиекке жақын болғанда аспанның көк түске боялуына себеп болады". Толық мәліметтер үшін диффузды аспан сәулеленуіне қараңыз.

Жер бетіндегі күн сәулесінің спектрлік құрамы

Күнді жарықтандырушы деп айтуға болады, ол белгілі бір сезімталдық диапазонындағы жарықтың өлшемі. Көптеген жануарлар (адамдарды қоса алғанда) шамамен 400–700 нм сезімталдық диапазонына ие, ал ең қолайлы жағдайларда Жер атмосферасының сіңіруі мен шашырауы осы диапазонның көп бөлігі үшін шамамен тең энергиялы жарықтандыру тудырады. Мысалы, адамдардағы түсті көру үшін пайдалы диапазон шамамен 450–650 нм құрайды. Күн бату мен күн шығу кезінде туындайтын әсерлерден басқа, спектрлік құрам негізінен күн сәулесінің қаншалықты тікелей жарықтандыра алатынына байланысты өзгереді. Жарық тікелей түспеген жағдайда, жоғарғы атмосферадағы Рейли шашырауы көк толқын ұзындықтарының басым болуына себеп болады. Төменгі атмосферадағы су буы одан әрі шашыратуға алып келеді, ал озон, шаң және су тамшылары да белгілі бір толқын ұзындықтарын сіңіреді.

Жер бетіндегі тіршілік

Жер бетіндегі тіршіліктің көбі Күн сәулесінің арқасында өмірге ие. Көптеген автотрофтар, мысалы, өсімдіктер, күн сәулесінің энергиясын көмірқышқыл газы мен сумен біріктіріп, фотосинтез процесі арқылы қарапайым қанттарды өндіреді. Бұл қанттар организмнің өсуына қажетті құрылыс материалдары ретінде және басқа да синтетикалық жолдарда қолданылады. Гетеротрофтар, жануарлар сияқты, автотрофтардың өнімдерін жеу арқылы, немесе автотрофтарды, олардың өнімдерін, немесе басқа гетеротрофтарды тұтыну арқылы Күн сәулесінен жанама түрде пайдаланады. Автотрофтар жасаған қанттар мен басқа молекулалық құраулылар ыдырайды, сақталған күн энергиясы босатылып, гетеротрофқа тіршілікке қажетті энергияны береді. Бұл процесс жасушалық тыныс алу деп аталады. Тарихқа дейінгі дәуірде адамдар өсімдіктер мен жануарлар материалдарын басқа да мақсаттарға пайдалана бастады, осы процесті одан әрі дамытты. Мысалы, олар жылу үшін жануарлардың терілерін, ал аң аулау үшін ағаштан жасалған қару-жарақтарды қолданды. Бұл дағдылар адамдарға гликолиз арқылы ғана мүмкін болғаннан гөрі Күн сәулесінің көбірек бөлігін пайдалануға мүмкіндік берді, нәтижесінде адам халқының саны арта бастады. Неолит революциясы кезінде өсімдіктер мен жануарларды қолға үйрету адамдардың күн энергиясына қолжетімділігін одан әрі арттырды. Егістіктерге арналған жерлер жеуге жарамсыз өсімдік қалдықтарымен байытылып, болашақ егіндер үшін қант пен қоректік заттармен қамтамасыз етілді. Бұрын адамдарға тек ет пен құралдармен ғана қызмет еткен жануарлар енді адамдар жей алмайтын шөптермен қоректеніп, өмір бойы еңбек етуге жұмсалды. Қазылған отындар – бұл ежелгі өсімдіктер мен жануарлардың қалдықтары, олар Күн сәулесінің энергиясын пайдаланып пайда болған және миллиондаған жылдар бойы Жердің ішінде сақталып қалған.

Мәдениеттік аспектілер

Күн сәулесінің әсері сурет салуға қатысты, мысалы Эдуард Мане мен Клод Монедің ашық ауадағы көріністер мен пейзаждардағы туындыларында көрінеді. Көптеген адамдар тікелей күн сәулесін тым жарқырап, ыңғайсыз деп санайды; шындығында, Күнге тікелей қарау көру қабілетіне ұзақ мерзімді зиян келтіруі мүмкін. Күн сәулесінің жарықтығын азайту үшін көптеген адамдар күн көзілдірігін тағады. Көліктер, көптеген шлемдер мен бас киімдер Күн төмен бұрышта тұрғанда, оны тікелей көруден қорғау үшін күн қалқандарымен жабдықталған. Көп жағдайда ғимараттарға күн сәулесі қабырғалар, терезе жалюзилері, шатырлар, ролеттер, перделер немесе жақын жердегі көлеңкелі ағаштар арқылы кірмейді. Күн сәулесіне ұшырау теріде Д витаминін өндіру үшін биологиялық тұрғыдан қажет, ол денеде мықты сүйек пен бұлшықеттерді құруға қажетті маңызды зат. Әлемнің көптеген діндерінде, мысалы индуизмде, Күн өмір мен энергияның көзі болғандықтан құдай деп есептеледі. Күн ежелгі Египетте де құдай болып саналған.

Күн шатырады

Күнге шағылысу – адамның тікелей күн сәулесінде отыруы немесе жатуы арқылы демалудың танымал әрекеті. Адамдар көбінесе күн сәулесі мол, ыңғайлы жерлерде күнге шағылысады. Күнге шағылысуға арналған танымал орындарға жағажайлар, ашық ауадағы жүзу бассейндері, саябақтар, бақтар және тротуардағы кафелер жатады. Күнге шағылысушылар көбінесе аз киім киеді немесе кейбіреулері тіпті жалаңаш болады. Кейбір адамдар үшін күнге шағылысудың баламасы – ультракүлгін сәуле шығаратын және ауа райына қарамастан үй ішінде қолдануға болатын күн төсегін пайдалану. Көптеген елдерде күн төсегіне тыйым салынған. Көптеген ақ терілі адамдар үшін күнге шағылысудың мақсаты – терінің түсін қараңғылату (күнге күю), себебі бұл кейбір мәдениеттерде тартымды, сыртқы белсенділік, демалыс және денсаулықпен байланысты саналады. Кейбір адамдар "толық" немесе "тегіс" күйген тері алу үшін жалаңаш күнге шағылысуды ұнатады, бұл кейде нақты өмір салтының бір бөлігі болып табылады. Бақыланған гелиотерапия, яғни күнге шағылысу, псориаз және басқа да ауруларды емдеу үшін қолданылған. Терінің күйген түсі тері жасушаларының ішіндегі меланоциттер деп аталатын қара пигменттің артуы арқылы пайда болады және бұл күннен немесе жасанды шамдардан түсетін ультракүлгін сәулелерге жеткілікті әсер етуге дененің автоматты жауап механизмі болып табылады. Сондықтан, күнге шағылысудың нәтижесі уақыт өте келе, адам осы көздерге ұшырамайтын болса, біртіндеп жоғалады.

Адам денсаулығына әсері

Күн сәулесіндегі ультракүлгін сәулелердің денсаулыққа қатысты оң және теріс әсерлері бар, себебі ол D3 витаминінің маңызды көзі және мутаген болып табылады. Тамақтануға арналған қосымшалар мутагендік әсерінсіз D витаминімен қамтамасыз ете алады, бірақ күн сәулесінен іштен туындайтын D витаминінің артық мөлшерін болдырмайтын табиғи механизмдерді айналып өтеді. D витаминінің денсаулыққа көптеген пайдалы әсерлері бар, мысалы, сүйектерді күшейтеді және кейбір қатерлі ісіктердің өсуін тежейді. Күнге ұшырау мелатонин синтезінің уақытын, қалыпты тәуліктік ритмді сақтау және маусымдық көңіл күйдің төмендеуі қаупін азайтумен байланысты. Күн сәулесіне ұзақ уақыт бойы тозу тері қатерлі ісігінің, терінің қартаюының, иммундық жүйенің нашарлауының және катаракта мен макулярлық дегенерация сияқты көз ауруларының дамуымен байланысты. Қысқа мерзімді шамадан тыс тозу күн күйігіне, қардан соқырлыққа және күн ретинопатиясына әкеледі. Ультракүлгін сәулелер, демек күн сәулесі мен күн шамдары, денсаулыққа пайдалы екені белгілі бір канцерогендер тізіміне кіреді, және көптеген қоғамдық денсаулық сақтау ұйымдары күн сәулесінің көп немесе аз болуының қауіптері арасында тепе-теңдік болуы керек деп мәлімдейді. Күн күйігіне жол бермеудің қажеттігі туралы жалпы пікір бар. Эпидемиологиялық деректер көрсеткендей, күнге көбірек тозылған адамдардың жоғары қан қысымы мен жүрек-қантамырлық аурулардан туындаған өлім-жітім деңгейі төмен. Күн сәулесі (және оның ультракүлгін сәулелері) тері қатерлі ісігіне қатысты болғанымен, "күннен қашудың денсаулыққа жалпы пайдасынан зияны көп болуы мүмкін". Бір зерттеу ультракүлгін сәулелердің өмір сүру ұзақтығын қысқартатынына ешқандай дәлел жоқ екенін көрсетті. Бұл өсімдер ДНК зақымдануын жаңаруға қатысатын ферменттің күшті индукциясымен бірге жүреді. Осылайша, жер бетіндегі күннің ультракүлгін B сәулелену деңгейі өсімдіктердің геномдық тұрақтылығына әсер етеді.