Введение

Свет, излучаемый Солнцем

Солнечный свет – это часть электромагнитного излучения, испускаемого Солнцем, в частности инфракрасный, видимый и ультрафиолетовый свет. На Земле солнечный свет рассеивается и фильтруется через атмосферу Земли, создавая дневной свет, когда Солнце находится над горизонтом. При отсутствии облаков, блокирующих прямое солнечное излучение, ощущается солнечный свет – сочетание яркого света и теплового излучения (атмосферного). Если солнечный свет заблокирован облаками или отражается от других объектов, он становится рассеянным. По оценкам различных источников, глобальное среднее значение составляет от 164 до 340 Вт на квадратный метр в течение 24 часов; NASA оценивает эту цифру примерно в четверть среднего общего солнечного облучения Земли. Ультрафиолетовое излучение солнечного света оказывает как положительное, так и отрицательное влияние на здоровье, поскольку необходимо для синтеза витамина D3, но при этом является мутагеном. Солнечному свету требуется около 8,3 минут, чтобы достичь Земли от поверхности Солнца. Фотону, начинающему свой путь в центре Солнца и меняющему направление при каждом столкновении с заряженной частицей, потребуется от 10 000 до 170 000 лет, чтобы добраться до поверхности. Солнечный свет является ключевым фактором фотосинтеза – процесса, используемого растениями и другими автотрофными организмами для преобразования световой энергии, как правило, солнечной, в химическую энергию, необходимую для синтеза углеводов и поддержания жизнедеятельности. Естественное освещение помещений солнечным светом называется дневным освещением. Солнечная радиация – это солнечная энергия, доступная от солнечного света.

Измерение

Исследователи могут измерять интенсивность солнечного света с помощью солнечного регистратора, пиранометра или пирелиометра. Для расчета количества солнечного света, достигающего земли, необходимо учитывать как эксцентричность эллиптической орбиты Земли, так и ослабление солнечного излучения в атмосфере Земли. Внеземная солнечная освещенность (Eext), скорректированная с учетом эллиптической орбиты посредством использования порядкового номера дня в году (dn), в хорошем приближении определяется следующим образом: где dn=1 соответствует 1 января; dn=32 – 1 февраля; dn=59 – 1 марта (за исключением високосных лет, когда dn=60), и так далее. В данной формуле используется dn–3, поскольку в настоящее время перигелий Земли, точка наибольшего сближения с Солнцем и, следовательно, максимальное значение Eext, приходится примерно на 3 января каждого года. Значение 0,033412 определено на основе того, что отношение квадрата расстояния в перигелии (0,98328989 а. е.) к квадрату расстояния в афелии (1,01671033 а. е.) должно составлять приблизительно 0,935338. Константа солнечной освещенности (Esc) равна 128×103 люкс. Прямая нормальная освещенность (Edn), скорректированная с учетом ослабляющего воздействия атмосферы, определяется следующим образом: где c – атмосферное поглощение, а m – относительная оптическая воздушная масса. Атмосферное поглощение снижает освещенность до примерно 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 оно примерно на 3,3% выше среднего, а в июле – на 3,3% ниже (см. ниже). Если внеземное солнечное излучение составляет 1367 Вт/м2 (значение при расстоянии Земля – Солнце, равном 1 астрономической единице), то прямой солнечный свет на поверхности Земли, когда Солнце находится в зените, составляет около 1050 Вт/м2, однако общее количество (прямое и рассеянное атмосферой), достигающее земли, составляет около 1120 Вт/м2. В энергетическом плане солнечный свет на поверхности Земли состоит примерно из 52–55% инфракрасного излучения (более 700 нм), 42–43% видимого света (400–700 нм) и 3–5% ультрафиолетового излучения (менее 400 нм). На верхней границе атмосферы солнечный свет примерно на 30% интенсивнее, содержа около 8% ультрафиолетового (УФ) излучения, большая часть дополнительного УФ представлена биологически опасным коротковолновым ультрафиолетом. Солнечный свет имеет световую эффективность около 93 люменов на ватт излучаемой энергии. Это выше, чем эффективность искусственного освещения, за исключением светодиодов, что означает, что использование солнечного света для освещения меньше нагревает помещение, чем флуоресцентные или лампы накаливания. Умножение значения 1050 Вт/м2 на 93 люменов/Вт показывает, что яркий солнечный свет обеспечивает освещенность примерно 98 000 люкс (люменов/м2) на перпендикулярной поверхности на уровне моря. Освещенность горизонтальной поверхности будет значительно меньше, если Солнце не находится высоко в небе. В среднем за сутки наибольшее количество солнечного света на горизонтальной поверхности наблюдается в январе на Южном полюсе (см. инсоляция). Деление излучения в 1050 Вт/м2 на площадь солнечного диска в стерадианах дает среднюю светимость в 15,4 МВт/(м2·ср). (Однако светимость в центре солнечного диска несколько выше средней по всему диску из-за лимбового затемнения). Умножение этого значения на π дает верхний предел излучения, которое можно сфокусировать на поверхности с помощью зеркал: 48,5 МВт/м2.

Опубликованные таблицы

Таблицы прямого солнечного излучения на склонах различного уклона от 0 до 60 градусов северной широты, выраженные в калориях на квадратный сантиметр, изданные в 1972 году и опубликованные Тихоокеанской северо-западной исследовательской станцией лесного хозяйства и лесных ресурсов, Лесной службой Министерства сельского хозяйства США, Портленд, штат Орегон, США, доступны в сети Интернет.

Сезонные и орбитальные изменения

На Земле солнечное излучение меняется в зависимости от угла Солнца над горизонтом: продолжительность солнечного дня на высоких широтах летом больше, в то время как зимой вблизи соответствующего полюса солнечный свет может отсутствовать вовсе. Когда прямое излучение не заблокировано облаками, мы ощущаем его как солнечный свет. Нагрев земной поверхности (и других объектов) зависит от поглощения электромагнитного излучения в форме тепла. Количество радиации, перехватываемое планетой, обратно пропорционально квадрату расстояния между звездой и планетой. Орбита Земли и её наклон меняются со временем (в течение тысяч лет), иногда приближаясь к идеальному кругу, а иногда вытягиваясь до орбитальной эксцентриситета в 5% (в настоящее время 1,67%). При изменении орбитальной эксцентриситета среднее расстояние от Солнца (большая полуось существенно не меняется), а значит, и общее количество солнечной радиации, получаемой за год, остаётся почти постоянным благодаря второму закону Кеплера, где "площадиная скорость" является инвариантом. То есть, интеграл по орбитальному периоду (тоже инвариантному) остаётся постоянной величиной. Если предположить, что мощность солнечного излучения P постоянна во времени, а солнечное облучение подчиняется закону обратных квадратов, то и средняя инсоляция также будет постоянной. Однако сезонное и широтное распределение, а также интенсивность солнечного излучения, достигающего поверхности Земли, действительно меняются. Влияние угла падения солнечных лучей на климат приводит к изменению количества солнечной энергии летом и зимой. Например, на широтах 65 градусов это изменение может превышать 25% из-за колебаний орбиты Земли. Поскольку изменения зимой и летом, как правило, компенсируют друг друга, изменение среднегодовой инсоляции в конкретной точке близко к нулю, но перераспределение энергии между летом и зимой существенно влияет на интенсивность сезонных циклов. Эти изменения, связанные с перераспределением солнечной энергии, считаются вероятной причиной наступления и отступления недавних ледниковых периодов (см. циклы Миланковича).

Изменение солнечной интенсивности

Космические наблюдения солнечной иррадиации начались в 1978 году. Эти измерения показывают, что солнечная постоянная не является постоянной. Она изменяется в различных временных масштабах, включая 11-летний цикл солнечных пятен. Эти исследования демонстрируют, что помимо изменения солнечной иррадиации в соответствии с солнечным циклом (цикл Швабе), солнечная активность меняется и в рамках более длительных циклов, таких как предполагаемые 88-летний (цикл Глейсберга), 208-летний (цикл ДеВриса) и 1000-летний (цикл Эдди).

Солнечная константа

Солнечная константа — это мера плотности потока, определяющая количество входящего солнечного электромагнитного излучения на единицу площади, приходящегося на плоскость, перпендикулярную солнечным лучам, на расстоянии одной астрономической единицы (а. е.) – примерно среднего расстояния от Солнца до Земли. "Солнечная константа" включает в себя все типы солнечного излучения, а не только видимый свет. Ранее считалось, что её среднее значение составляет приблизительно 1366 Вт/м², с небольшими колебаниями в зависимости от солнечной активности, однако недавние перекалибровки данных спутниковых наблюдений указывают на более реалистичное значение, близкое к 1361 Вт/м².

Общая солнечная радиация (TSI) и спектральная солнечная радиация (SSI) на Земле

С 1978 года в рамках серии совместных экспериментов NASA и ESA измеряется общий солнечный поток (TSI) – количество солнечной радиации, достигающей верхней границы атмосферы Земли, – равный 1,365 киловатт на квадратный метр (кВт/м²). Наблюдения TSI продолжаются в рамках спутниковых экспериментов ACRIMSAT/ACRIM3, SOHO/VIRGO и SORCE/TIM. Полученные данные свидетельствуют об изменениях TSI на различных временных масштабах, включая солнечный магнитный цикл и множество более коротких периодических циклов. TSI является источником энергии, определяющим климат Земли, поэтому продолжение ведения базы данных временных рядов TSI критически важно для понимания роли солнечной изменчивости в изменении климата. С 2003 года спектральный солнечный поток (SSI) – спектральное распределение TSI – контролируется с помощью спектрального иррадиационного монитора (SIM) аппарата SORCE. Данные указывают на то, что SSI в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне длин волн связан с климатическими реакциями Земли менее однозначно и, вероятно, более сложным образом, чем считалось ранее, что стимулирует новые направления исследований в области "взаимосвязи Солнца со стратосферой, тропосферой, биосферой, океаном и климатом Земли".

Освещение поверхности и спектр

Спектр поверхностного освещения зависит от высоты Солнца над горизонтом из-за атмосферных эффектов: синяя составляющая спектра преобладает во время сумерек до и после восхода и заката, а красная – непосредственно во время восхода и заката. Эти эффекты заметны в естественной световой фотографии, где основным источником освещения является солнечный свет, проходящий через атмосферу. Хотя цвет неба обычно определяется рассеянием Рэлея, исключение наблюдается на закате и в сумерках. «Выборочное поглощение солнечного света озоном на больших расстояниях вблизи горизонта придает зенитному небу голубой оттенок, когда Солнце находится у горизонта». Подробности см. в разделе о диффузном излучении неба.

Спектральный состав солнечного света на поверхности Земли

Солнце можно сказать, излучает свет, который является мерой освещенности в определенном диапазоне чувствительности. Многие животные (включая людей) обладают диапазоном чувствительности примерно от 400 до 700 нм, и при оптимальных условиях поглощение и рассеяние в атмосфере Земли создают освещение, близкое к источнику с равномерным распределением энергии по всему этому диапазону. Например, диапазон, полезный для цветового зрения у человека, составляет примерно от 450 до 650 нм. Помимо эффектов, наблюдаемых на закате и восходе, спектральный состав изменяется главным образом в зависимости от того, насколько прямо падает солнечный свет. При непрямом освещении рассеяние Рэлея в верхних слоях атмосферы приводит к преобладанию синих длин волн. Водяной пар в нижних слоях атмосферы вызывает дополнительное рассеяние, а озон, пыль и водяные частицы также поглощают определенные длины волн.

Жизнь на Земле

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 как строительные блоки и в других синтетических путях, обеспечивающих рост организма. Гетеротрофы, такие как животные, используют свет Солнца косвенно, потребляя продукты автотрофов, либо поедая самих автотрофов, либо их продукты, либо других гетеротрофов. Сахара и другие молекулярные компоненты, производимые автотрофами, затем расщепляются, высвобождая накопленную солнечную энергию и обеспечивая гетеротрофа энергией, необходимой для выживания. Этот процесс известен как клеточное дыхание. В доисторические времена люди начали расширять этот процесс, находя иное применение растительным и животным материалам. Например, они использовали шкуры животных для тепла или деревянное оружие для охоты. Эти навыки позволили людям получать больше солнечной энергии, чем было возможно только посредством гликолиза, и численность населения начала расти. Во время неолитической революции одомашнивание растений и животных еще больше увеличило доступ человека к солнечной энергии. Поля, предназначенные для выращивания сельскохозяйственных культур, обогащались несъедобными растительными остатками, обеспечивая сахара и питательные вещества для будущих урожаев. Животные, которые ранее предоставляли людям только мясо и инструменты после забоя, теперь использовались для работы на протяжении всей жизни, питаясь травами, несъедобными для человека. Ископаемое топливо — это остатки древних растений и животных, образовавшиеся с использованием энергии солнечного света и затем заключенные в недра Земли на миллионы лет.

Культурные аспекты

Эффект солнечного света важен для живописи, что подтверждается, например, работами Эдуарда Мане и Клода Моне с изображениями наружных сцен и пейзажей. Многие люди считают прямой солнечный свет слишком ярким для комфорта; действительно, прямой взгляд на Солнце может привести к долгосрочному повреждению зрения. Чтобы уменьшить яркость солнечного света, многие носят солнцезащитные очки. Автомобили, многие шлемы и кепки оснащены козырьками, чтобы защитить от прямых солнечных лучей, когда Солнце находится низко над горизонтом. Солнечный свет часто блокируют от проникновения в здания с помощью стен, жалюзи, навесов, ставней, штор или деревьев, создающих тень. Воздействие солнечного света необходимо для биологического производства витамина D в коже – важного соединения, необходимого для формирования крепких костей и мышц. Во многих мировых религиях, таких как индуизм, Солнце почитается как божество, поскольку оно является источником жизни и энергии на Земле. Солнце также считалось богом в Древнем Египте.

Солнечные ванны

Солнечные ванны – популярный вид досуга, при котором человек сидит или лежит под прямыми солнечными лучами. Люди часто загорают в комфортных местах с достаточным количеством солнечного света. К распространенным местам для принятия солнечных ванн относятся пляжи, открытые бассейны, парки, сады и уличные кафе. Загорающие обычно носят минимум одежды, а некоторые предпочитают загорать обнаженными. Для некоторых альтернативой солнечным ваннам являются солярии, генерирующие ультрафиолетовое излучение и позволяющие загорать в помещении независимо от погодных условий. Во многих странах мира солярии запрещены. Для многих людей со светлой кожей одна из целей принятия солнечных ванн – придать коже более темный оттенок (загореть), поскольку в некоторых культурах это считается привлекательным, ассоциируется с активным отдыхом, отпусками и здоровьем. Некоторые предпочитают загорать обнаженными, чтобы получить равномерный загар, иногда как часть определенного образа жизни. Контролируемая гелиотерапия, то есть принятие солнечных ванн, используется для лечения псориаза и других заболеваний. Загар кожи достигается за счет увеличения количества темного пигмента в клетках кожи, называемых меланоцитами, и является автоматической защитной реакцией организма на достаточное воздействие ультрафиолетового излучения от Солнца или искусственных ламп. Таким образом, загар постепенно исчезает со временем, когда воздействие этих источников прекращается.

Влияние на здоровье человека

Ультрафиолетовое излучение в солнечном свете оказывает как положительное, так и отрицательное воздействие на здоровье, поскольку является одновременно основным источником витамина D3 и мутагеном. Диетическая добавка может обеспечить витамин D без этого мутагенного эффекта, но обходит естественные механизмы, которые предотвращают передозировку витамина D, вырабатываемого в организме под воздействием солнечного света. Витамин D обладает широким спектром положительных эффектов для здоровья, включая укрепление костей и, возможно, подавление роста некоторых видов рака. Воздействие солнечного света также связано с регуляцией синтеза мелатонина, поддержанием нормальных циркадных ритмов и снижением риска сезонного аффективного расстройства. Длительное воздействие солнечного света известно как фактор, связанный с развитием рака кожи, старением кожи, подавлением иммунитета и заболеваниями глаз, такими как катаракта и макулярная дегенерация. Кратковременное чрезмерное воздействие вызывает солнечные ожоги, снежную слепоту и солнечную ретинопатию. Ультрафиолетовые лучи, а следовательно, солнечный свет и солярии, – единственные известные канцерогены, обладающие доказанными преимуществами для здоровья. Многие организации общественного здравоохранения утверждают, что необходимо соблюдать баланс между рисками, связанными с избыточным или недостаточным воздействием солнечного света. Существует общее мнение, что солнечных ожогов следует избегать любой ценой. Эпидемиологические данные свидетельствуют о том, что у людей, получающих больше солнечного света, реже встречается высокое кровяное давление и смертность от сердечно-сосудистых заболеваний. Хотя солнечный свет (и его ультрафиолетовые лучи) являются фактором риска развития рака кожи, «избегание солнца может быть более вредным, чем полезным для общего состояния здоровья». Исследование показало, что нет доказательств того, что УФ-излучение сокращает продолжительность жизни, в отличие от других факторов риска, таких как курение, употребление алкоголя и высокое кровяное давление. Эти процессы сопровождаются сильной индукцией фермента, играющего ключевую роль в рекомбинационном восстановлении повреждений ДНК. Таким образом, уровень наземного солнечного УФ-В излучения, вероятно, влияет на стабильность генома растений.