Чому сонячні промені, що падають на земну поверхню під різними кутами, приносять різну кількість світла та тепла? Розподіл сонячного світла та тепла на поверхні землі.

Особливості впливу прямих сонячних променів на організм сьогодні цікавлять багатьох, насамперед тих, хто бажає провести літо з користю для себе. сонячною енергієюі придбати красиву здорову засмагу. Що ж собою є сонячне випромінювання і який вплив воно на нас?

Визначення

Сонячні промені (фото нижче) - це потік радіації, яка представлена ​​електромагнітними коливаннями хвиль, що мають різну довжину. Спектр випромінювання, що випромінюється сонцем, різноманітний і широкий як за довжиною та частотою хвилі, так і за впливом на людський організм.

Види сонячних променів

Розрізняють кілька областей спектра:

1. Гамма-випромінювання.
2. Рентгенівське випромінювання (довжина хвилі – менше 170 нанометрів).
3. Ультрафіолетове випромінювання (довжина хвилі – 170-350 нм).
4. Сонячне світло (довжина хвилі – 350-750 нм).
5. Інфрачервоний спектр, що надає теплову дію (довжина хвилі - понад 750 нм).

У плані біологічного впливу на живий організм найактивнішими є ультрафіолетові сонячні промені. Вони сприяють утворенню засмаги, надають гормонопротективну дію, стимулюють вироблення серотоніну та інших важливих компонентів, що підвищують життєвий тонус та життєздатність.

Ультрафіолетове випромінювання

В ультрафіолетовому спектрі виділяють 3 класи променів, які по-різному впливають на організм:

1. А-промені (довжина хвилі – 400-320 нанометрів). Мають найменший рівень радіації, в сонячному спектріпротягом дня та року залишаються постійними. Для них майже немає перешкод. Шкідливий вплив сонячних променів цього класу на організм найнижчий, водночас їхня постійна присутність прискорює процес природного старіння шкіри, тому що, проникаючи до паросткового шару, вони пошкоджують структуру та основу епідермісу, руйнуючи волокна еластину та колагену.
2. В-промені (довжина хвилі - 320-280 нм). Лише у певний час року і години дня доходять до Землі. Залежно від географічної широтита температури повітря зазвичай проникають в атмосферу з 10 до 16 годин. Ці сонячні промені беруть участь в активації синтезу в організмі вітаміну Д3, що є їхньою головною позитивною властивістю. Однак при тривалому впливі на шкіру вони здатні змінити геном клітин таким чином, що вони починають невпинно розмножуватися і формувати рак.
3. С-промені (довжина хвилі – 280-170 нм). Це найнебезпечніша частина спектра УФ-випромінювання, що беззастережно провокує розвиток раку. Але в природі все дуже мудро влаштовано, і шкідливі сонячні промені С, як і більшість (90 відсотків) В-променів, поглинаються озоновим шаром, не доходячи до Землі. Так природа охороняє живе від вимирання.

Позитивний та негативний вплив

Залежно від тривалості, інтенсивності, періодичності впливу УФ-випромінювання в організмі людини розвиваються позитивні і негативні ефекти. До перших можна віднести утворення вітаміну Д, вироблення меланіну та формування гарної, рівної засмаги, синтез регулюючих біоритми медіаторів, вироблення важливого регулятора ендокринної системи – серотоніну. Ось тому ми після літа відчуваємо приплив сил, зростання життєвого тонусу, гарний настрій.

Негативні ефекти ультрафіолетового впливу полягають у опіках шкіри, пошкодженні колагенових волокон, появі дефектів косметологічного характеру як гіперпігментації, провокуванні ракових захворювань.

Синтез вітаміну Д

При дії на епідерміс енергія сонячного випромінюванняперетворюється на тепло чи витрачається на фотохімічні реакції, у яких в організмі здійснюються різні біохімічні процеси.

Надходження вітаміну Д відбувається двома шляхами:

• ендогенним - за рахунок утворення у шкірі під впливом УФ-променів;
• екзогенним – за рахунок надходження з їжею.

Ендогенний шлях - це досить складний процес реакцій, що протікають без участі ферментів, але за обов'язкової участі УФ-опромінення променями. При достатній та регулярній інсоляції кількість вітаміну Д3, синтезованого у шкірі під час фотохімічних реакцій, повною мірою забезпечує всі потреби організму.

Загар та вітамін Д

Активність фотохімічних процесів у шкірі безпосередньо залежить від спектру та інтенсивності впливу. ультрафіолетового опроміненняі знаходиться у зворотній залежності від засмаги (ступеня пігментації). Доведено, що чим більша засмага, тим більше часу потрібно для накопичення провітаміну Д3 у шкірі (замість п'ятнадцяти хвилин три години).

З погляду фізіології це зрозуміло, оскільки засмага - це захисний механізмнашої шкіри, і шар меланіну, що утворився в ній, виконує функцію певного бар'єру на шляху як УФ-променів В, що служать медіатором фотохімічних процесів, так і променів класу А, які забезпечують термічну стадію перетворення в шкірі провітаміну Д3 на вітамін Д3.

А ось вітамін Д, що надходить з їжею, тільки компенсує дефіцит у разі недостатнього вироблення в процесі фотохімічного синтезу.

Утворення вітаміну Д при знаходженні на сонці

Сьогодні вже встановлено наукою, що для забезпечення добової потреби в ендогенному вітаміні Д3 достатньо перебувати під відкритими сонячними променями УФ класу В протягом десяти-двадцяти хвилин. Інша річ, що такі промені у сонячному спектрі присутні не завжди. Їхня наявність залежить як від сезону року, так і від географічної широти, оскільки Земля при обертанні змінює товщину та кут атмосферного шару, через який сонячні промені проходять.

Тому випромінювання сонця який завжди здатне утворювати у шкірі вітамін Д3, лише тоді, як у діапазоні є УФ-промені У.

Сонячне випромінювання в Росії

У нашій країні з урахуванням географічного розташування багаті на УФ-промені класу У періоди сонячного випромінювання розподіляються нерівномірно. Наприклад, у Сочі, Махачкалі, Владикавказі вони тривають близько семи місяців (з березня по жовтень), а в Архангельську, Санкт-Петербурзі, Сиктивкарі тривають близько трьох (з травня до липня) або навіть менше. Додайте до цього кількість похмурих днів у році, задимленість атмосфери в великих містах, і стає зрозуміло, що більшість жителів Росії відчуває нестачу гормонотропного сонячного впливу.

Ймовірно, тому інтуїтивно ми прагнемо до сонця і рвемося на південні пляжі, при цьому забуваючи, що сонячні промені на півдні абсолютно інші, незвичні нашому організму, і, крім опіків, можуть спровокувати сильні гормональні та імунні сплески, здатні збільшити ризик. .

Разом з тим південне сонце здатне зцілювати, просто у всьому повинен дотримуватися розумного підходу.

Сонце – зірка Сонячна система, яка є джерелом величезної кількості тепла та сліпучого світла. Незважаючи на те, що Сонце знаходиться від нас на значній відстані і до нас доходить лише невелика частина його випромінювання, цього цілком достатньо для розвитку життя на Землі. Наша планета обертається навколо Сонця по орбіті. Якщо з космічного корабляспостерігати Землю протягом року, можна помітити, що Сонце завжди висвітлює лише якусь одну половину Землі, отже, там буде день, але в протилежної половині у цей час буде ніч. Земна поверхня отримує тепло лише вдень.

Наша земля нагрівається нерівномірно. Нерівномірне нагрівання Землі пояснюється її кулястою формою, тому кут падіння сонячного променя в різних районах різний, а значить, різні ділянкиЗемлі одержують різну кількість тепла. На екваторі сонячні промені падають прямовисно, і вони сильно нагрівають Землю. Чим далі від екватора, тим кут падіння променя стає меншим, а отже, і меншою кількістю тепла отримують ці території. Один і той же за потужністю пучок сонячного випромінювання обігріває набагато меншу площу, оскільки він падає прямовисно. Крім того, промені, що падають під меншим кутом, ніж на екваторі, пронизуючи, проходять у ній більший шлях, внаслідок чого частина сонячних променів розсіюється в тропосфері і не доходить до земної поверхні. Все це свідчить про те, що при віддаленні від екватора на північ або на південь зменшується, оскільки зменшується кут падіння сонячного променя.

На ступінь нагріву земної поверхні впливає також і те, що земна вісь нахилена до площини орбіти, за якою Земля здійснює повний оборот навколо Сонця, під кутом 66,5 ° і постійно спрямована північним кінцем у бік Полярної зірки.

Уявімо, що Земля, рухаючись навколо Сонця, має земну вісь, перпендикулярну до площини орбіти обертання. Тоді б поверхня на різних широтах отримувала б незмінну протягом року кількість тепла, кут падіння сонячного променя був увесь час постійним, завжди день дорівнював би ночі, не відбувалося б зміни пір року. На екваторі ці умови мало відрізнялися б від нинішніх. Істотний вплив на нагрівання земної поверхні, отже, і весь нахил земної осі має у помірних широтах.

Протягом року, тобто за час повного оборотуЗемлі навколо Сонця особливо примітні чотири дні: 21 березня, 23 вересня, 22 червня, 22 грудня.

Тропики та полярні кола поділяють поверхню Землі на пояси, які різняться між собою сонячною освітленістю та кількістю тепла, що отримується від Сонця. Виділяють 5 поясів освітленості: північний та південний полярні, які отримують мало світла та тепла, пояс із жарким кліматом та північний та південний пояси, які отримують світла та тепла більше, ніж полярні, але менше, ніж тропічні.

Отже, на закінчення можна зробити загальний висновок: нерівномірне нагрівання та освітлення земної поверхні пов'язані з кулястістю нашої Землі та з нахилом земної осі до 66,5° до орбіти обертання навколо Сонця.

Як змінюється висота Сонця над горизонтом протягом року.Щоб з'ясувати це, згадайте результати спостережень за довжиною тіні, яку відкидає гномон (шість довжиною 1 м) опівдні. У вересні тінь була однієї довжини, у жовтні вона стала довшою, у листопаді — ще довшою, у 20-х числах грудня — найдовшою. З кінця грудня тінь знову зменшується. Зміна довжини тіні гномона показує, що протягом року Сонце опівдні буває на різній висоті над горизонтом (рис. 88). Чим вище Сонце над горизонтом, тим коротша тінь. Що нижче Сонце над горизонтом, то довша тінь. Найвище піднімається Сонце в Північній півкулі 22 червня (у день літнього сонцестояння), а найнижче його положення - 22 грудня (у день зимового сонцестояння).

Чому нагрівання поверхні залежить від висоти Сонця?З рис. 89 видно, що однакова кількість світла і тепла, що надходить від Сонця, при його високому положенні потрапляє на меншу ділянку, а за низького — на більшу. Яка ділянка буде нагріватися більше? Зрозуміло, менший, оскільки там зосереджені промені.

Отже, що вище Сонце над горизонтом, то прямолінійніше падають його промені, тим більше земна поверхня нагрівається, а від неї і повітря. Тоді настає літо (рис. 90). Чим нижче Сонце над горизонтом, тим менший кут падіння променів і тим менше нагрівається поверхня. Настає зима.

Чим більший кут падіння сонячних променів на земну поверхню, тим більше вона висвітлюється і нагрівається.

Як нагрівається поверхня Землі?На поверхню кулястої Землі сонячні промені падають під різним кутом. Найбільший кут падіння променів на екваторі. У напрямку полюсів він зменшується (рис. 91).

Під найбільшим кутом, майже прямовисно, сонячне проміння падає на екваторі. Земна поверхня там отримує найбільше сонячного тепла, тому у екватора жарко цілий рікі зміни пір року не буває.

Чим далі від екватора північ чи південь, тим кут падіння сонячних променів менше. Внаслідок цього менше нагріваються поверхня та повітря. Стає прохолодніше, ніж на екваторі. З'являються пори року: зима, весна, літо, осінь.

На полюси та приполярні райони взимку сонячні промені зовсім не потрапляють. Сонце по кілька місяців не з'являється через горизонт, і день не настає. Це явище називається Полярна ніч . Поверхня та повітря сильно охолоджуються, тому зими там дуже суворі. Влітку ж Сонце місяцями не заходить за обрій і світить цілодобово (ніч не настає) — це полярний день . Здавалося б, якщо так довго триває літо, то й поверхня повинна нагріватися. Але Сонце знаходиться низько над горизонтом, його промені лише ковзають поверхнею Землі і майже нагрівають її. Тому літо поблизу полів холодне.

Освітлення і нагрівання поверхні залежить від її розташування Землі: що ближче до екватору, то більше вписувалося кут падіння сонячних променів, тим більше нагрівається поверхню. У міру віддалення від екватора до полюсів кут падіння променів зменшується, відповідно поверхня нагрівається менше, і стає холодніше.Матеріал із сайту

Навесні рослини починають бурхливо розвиватися

Значення світла та тепла для живої природи.Сонячне світло і тепло потрібні всьому живому. Навесні і влітку, коли світла і тепла багато, рослини перебувають у розквіті. З приходом осені, коли Сонце над горизонтом знижується та зменшується надходження світла та тепла, рослини скидають листя. З настанням зими, коли тривалість дня невелика, природа перебуває у стані спокою, деякі тварини (ведмеді, борсуки) навіть впадають у сплячку. Коли настаємо весна і Сонце піднімається все вище, у рослин знову починається активне зростання, оживає тваринний світ. І все це завдяки Сонцю.

Декоративні рослини, такі як монстера, фікус, аспарагус, якщо їх поступово повертати до світла, розростаються рівномірно на всі боки. Але квітучі рослини погано переносять таку перестановку. Азалія, камелія, герань, фуксія, бегонія майже відразу скидають бутони і навіть листя. Тому під час цвітіння «чутливі» рослини краще не переставляти.

Чи не знайшли те, що шукали? Скористайтеся пошуком

На цій сторінці матеріал за темами:

• коротко розподіл світла та тепла на земній кулі

Найважливішим джерелом, від якого поверхню Землі та атмосфера отримують теплову енергію, є Сонце. Воно посилає у світовий простір колосальну кількість променистої енергії: теплової, світлової, ультрафіолетової. Випромінені Сонцем електромагнітні хвиліпоширюються із швидкістю 300 000 км/с.

Від величини кута падіння сонячних променів залежить нагрівання земної поверхні. Всі сонячні промені приходять на поверхню Землі паралельно один одному, але так як Земля має кулясту форму, сонячні промені падають на різні ділянки поверхні під різними кутами. Коли Сонце в зеніті, його промені падають прямовисно і Земля нагрівається сильніше.

Вся сукупність променистої енергії, що посилається Сонцем, називається сонячною радіацією,зазвичай вона виявляється у калоріях на одиницю поверхні на рік.

Сонячна радіація визначає температурний режимповітряної тропосфери Землі.

Необхідно зауважити, що загальна кількість сонячного випромінювання більш ніж у два мільярди разів перевищує кількість енергії, яку отримує Земля.

Радіація, що досягає земної поверхні, складається з прямої та розсіяної.

Радіація, що приходить на Землю безпосередньо від Сонця у вигляді прямих сонячних променів при безхмарному небі, називається прямий.Вона несе найбільша кількістьтепла та світла. Якби наша планета не мала атмосфери, земна поверхня отримувала тільки пряму радіацію.

Однак, проходячи через атмосферу, приблизно четверта частина сонячної радіації розсіюється молекулами газів та домішками, відхиляється від прямого шляху. Деяка їхня частина досягає поверхні Землі, утворюючи розсіяну сонячну радіацію.Завдяки розсіяній радіації світло проникає й у місця, куди прямі сонячні промені (пряма радіація) не проникають. Ця радіація створює денне світлота надає колір небу.

Сумарна сонячна радіація

Усі сонячні промені, що надходять на Землю, становлять сумарну сонячну радіацію,тобто сукупність прямої та розсіяної радіації (рис. 1).

Рис. 1. Сумарна сонячна радіація протягом року

Розподіл сонячної радіації по земній поверхні

Сонячна радіація розподіляється землі нерівномірно. Це залежить:

1. від щільності та вологості повітря - що вони вище, тим менше радіації отримує земна поверхня;

2. від географічної широти території — кількість радіації зростає від полюсів до екватора. Кількість прямої сонячної радіації залежить від довжини шляху, що проходить сонячне проміння в атмосфері. Коли Сонце перебуває у зеніті (кут падіння променів 90°), його промені потрапляють Землю найкоротшим шляхом і інтенсивно віддають свою енергію малої площі. На Землі це відбувається у смузі між 23° з. ш. та 23° пд. ш., тобто між тропіками. У міру віддалення від цієї зони на південь чи північ довжина шляху сонячних променів збільшується, т. е. зменшується кут їх падіння на земну поверхню. Промені починають падати на Землю під меншим кутом, ніби ковзаючи, наближаючись у районі полюсів до дотичної лінії. В результаті той же потік енергії розподіляється на велику площутому збільшується кількість відображеної енергії. Таким чином, в районі екватора, де сонячні промені падають на земну поверхню під кутом 90°, кількість отримуваної земної поверхнею прямої сонячної радіації вище, а в міру пересування до полюсів ця кількість різко скорочується. Крім того, від широти місцевості залежить і тривалість дня в різні часироку, що також визначає величину сонячної радіації, що надходить на земну поверхню;

3. від річного та добового руху Землі - у середніх та високих широтах надходження сонячної радіації сильно змінюється по порах року, що пов'язано зі зміною південної висоти Сонця та тривалості дня;

4. від характеру земної поверхні — що світліша поверхня, то більше вписувалося сонячних променів вона відбиває. Здатність поверхні відбивати радіацію називається альбедо(Від лат. Білизна). Особливо сильно відбиває радіацію сніг (90%), слабкіший пісок (35%), ще слабкіший чорнозем (4%).

Земна поверхня поглинає сонячну радіацію (поглинена радіація),нагрівається і сама випромінює тепло в атмосферу (Відбита радіація).Нижні шари атмосфери значною мірою затримують земне випромінювання. Поглинена земною поверхнею радіація витрачається на нагрівання ґрунту, повітря, води.

Та частина сумарної радіації, яка залишається після відображення та теплового випромінювання земної поверхні, називається радіаційним балансом.Радіаційний баланс земної поверхні змінюється протягом доби та по сезонах року, однак у середньому за рік має позитивне значеннявсюди, крім крижаних пустель Гренландії та Антарктиди. Максимальних значень радіаційний баланс досягає в низьких широтах (між 20° пн. ш. і 20° пд. ш.) — понад 42*10 2 Дж/м 2 , на широті близько 60° обох півкуль він знижується до 8*10 2 13*10 2 Дж/м2.

Сонячні промені віддають атмосфері до 20% своєї енергії, яка розподіляється по всій товщі повітря, і тому нагрівання повітря, що викликається ними, відносно невелике. Сонце нагріває поверхню Землі, яка передає тепло атмосферному повітрю за рахунок конвекції(Від лат. convectio- доставка), тобто вертикального переміщення нагрітого біля земної поверхні повітря, на місце якого опускається більше холодне повітря. Саме так атмосфера отримує велику частинутепла - у середньому втричі більше, ніж безпосередньо від Сонця.

Присутність у Вуглекислий газі водяної пари не дозволяє теплу, відбитому від земної поверхні, безперешкодно йти в космічний простір. Вони створюють парниковий ефект,завдяки якому перепад температури Землі протягом доби вбирається у 15 °З. За відсутності в атмосфері вуглекислого газу земна поверхня остигала за ніч на 40-50 °С.

Внаслідок зростання масштабів господарської діяльностілюдини — спалювання вугілля та нафти на ТЕС, викидів промисловими підприємствами, збільшення автомобільних викидів - вміст вуглекислого газу в атмосфері підвищується, що веде до посилення парникового ефектута загрожує глобальною зміною клімату.

Сонячні промені, пройшовши атмосферу, потрапляють на поверхню Землі та нагрівають її, а та, у свою чергу, віддає тепло атмосфері. Цим пояснюється характерна особливістьтропосфери: Зниження температури повітря з висотою. Але трапляються випадки, коли вищі шари атмосфери виявляються теплішими, ніж нижчі. Таке явище зветься температурної інверсії(Від латів. inversio - перевертання).

Якщо подивитися на Сонце, коли воно частково закрите хмарами і ховається за цими грудками атмосферної води, ви можете побачити знайоме видовище: промені світла, що пробиваються крізь хмари, і падаючі на землю. Іноді вони здаються паралельними, іноді здається, що вони розходяться. Іноді може бачити форму Сонця через хмари. Чому так відбувається? Наш читач цього тижня запитує:

Чи можете ви пояснити мені, чому у хмарний день можна бачити промені сонця, що пробиваються крізь хмари? Мені здається, що оскільки Сонце набагато більше Землі, і оскільки його фотони доходять до нас приблизно паралельними шляхами, ми повинні бачити все небо рівномірно освітленим, а не спостерігати невелику кулю світла.

У типовий сонячний день небо освітлене. Промені Сонця падають на Землю майже паралельно, оскільки Сонце дуже далеке і воно дуже велике порівняно із Землею. Атмосфера досить прозора для того, щоб все сонячне світло доходило до поверхні Землі або розсіювалося в усіх напрямках. Останній ефект і відповідає за те, що у похмурий день на вулиці щось можна розглянути – атмосфера чудово розсіює сонячне світло та заповнює їм навколишній простір.

Саме тому в яскравий сонячний день ваша тінь буде темнішою за решту поверхні, на яку вона падає, але все-таки залишиться підсвіченою. У вашій тіні можна розглянути землю так само, якби Сонце сховалося за хмарами, і тоді все інше стає таким же неяскравим, як ваша тінь, але все-таки освітлюється розсіяним світлом.

Пам'ятаючи про це, повернемося до феномена сонячних променів. Чому, коли Сонце ховається там, іноді можна бачити промені світла? І чому іноді вони виглядають, як паралельні колони, а іноді – як такі, що розходяться?

Перше, що потрібно зрозуміти, це те, що розсіювання сонячного світла, коли він стикається з частинками атмосфери і перенаправляється на всі боки, працює завжди – ховається Сонце там чи ні. Тому вдень завжди присутній базовий рівеньосвітлення. Тому це і є «день», і тому, щоб знайти днем ​​темряву, вам потрібно глибше забратися до печери.

А що таке промені? Вони походять від проміжків або тонких ділянок хмар (або дерев або інших непрозорих об'єктів), які не блокують сонячне світло. Це світло, що йде прямо, здається яскравішим, ніж його оточення, але його помітно, тільки якщо він контрастує з темним, тіньовим фоном! Якщо це світло буде всюди, у ньому нічого очікувати примітного, наші очі пристосуються до нього. Але якщо яскравий промінь світла виявляється світлішим за своє оточення, ваші очі відзначають це і повідомляють вам про різницю.

А що щодо форми променів? Ви можете подумати, що хмари працюють як лінзи або призми, відхиляючи або заломлюючи промені і змушуючи їх розходитися. Але це не так; хмари поглинають і перевипускають світло однаково в усіх напрямках, тому і непрозорі. Ефект з променями виникає тільки там, де хмари не поглинають більшу частину світу. При проведенні вимірювань виявляється, ці промені насправді паралельні, що відповідає великій відстані до Сонця. Якщо ви поспостерігаєте за променями, спрямованими не до вас і не від вас, а перпендикулярно до лінії вашого зору, ви саме це і виявите.

Причина, через яку нам здається, що промені «сходяться» до Сонця та сама, через яку нам здається, що рейки або полотно дороги сходиться в одній точці. Це паралельні лінії, одна частина яких виявляється ближчою до вас, ніж інша. Сонце дуже далеко, і точка, з якої виходить промінь, знаходиться далі від вас, ніж точка його зіткнення з Землею! Це не завжди очевидно, але саме тому промені набувають форми променів, що добре помітно, коли стає видно, наскільки близько ви перебуваєте до кінця променя.

Тому наявністю променя ми зобов'язані перспективі оточуючих його тіней і можливості наших очей розрізняти яскравість прямого світла і його відносної темряви. А причина, через яку промені здаються схожими, лежить у перспективі, і в тому, що точка приземлення цих насправді паралельних променів світла знаходиться ближче до нас, ніж їхня початкова точка в нижній частині хмар. Ось така наука у сонячних променів, і чому вони виглядають саме так!