1. Состав солнечной радиации. Ультрафиолетовая часть солнечного спектра.

Солнце является источником энергии, тепла и света на нашей планете. Солнечной радиации обязана своим существованием вся органическая жизнь на Земле.

С физической точки зрения  солнечная энергия  представляет собой электромагнитное и корпускулярное  излучение. Электромагнитное излучение охватывает  диапазон длин волн от самых коротких, гамма- и рентгеновских, с длиной волны до 10 нм, ультрафиолетовые (от 10 до 400 нм), видимую часть спектра (от 400 до 760 нм), инфракрасное излучение (от 760 до 100000 нм) и наиболее длинный диапазон радиочастот. Энергетический максимум солнечного излучения приходится на видимую часть спектра. Корпускулярная составляющая солнечной радиации состоит главным образом из электронов, протонов, α-частиц и др.

Электромагнитный состав солнечной радиации

(за R.F. Donnelly, O.R.White, 1980)

	Длина волны l в нанометрах
Диапазон радиочастот	> 100 000
Дальний инфракрасный участок	100 000 – 10 000
Инфракрасный участок	10 000 – 760
Видимый или оптический участок	760 – 400
Ультрафиолетовый участок	400 – 120
Крайний ультрафиолетовый участок	120-10
Мягкое рентгеновское излучение	10-0,1
Жесткое рентгеновское излучение	< 0,1

 

Энергия Солнца на границе атмосферы, падающая на 1 см² поверхности, перпендикулярной направлению лучей, в течение 1 минуты и выраженную в калориях, называют солнечной постоянной (в среднем равняется 1,98 кал. см²/мин).

Вследствие поглощения, отражения и рассеяния лучистой энергии она подвергается как количественным, так и качественным изменениям при прохождении через воздушную оболочку Земли. В результате достигает поверхности Земли не более 43 % первоначальной мощности солнечной радиации. Количество отраженной от Земли лучистой энергии, которая выражается в процентах от падающей на нее энергии, называется альбедо. Максимально отражает лучистую энергию выпавший снег, водная поверхность, песок, а минимальной отражающей способностью обладают влажная почва, чернозем. Основной составной частью радиационного баланса является прямая солнечная радиация, интенсивность которой возрастает в течение года с севера на юг.

Баланс солнечной энергии формируется таким образом: годовое количество солнечной энергии на границе атмосферы принимают за 100 %. От Земли отражается и возвращается в космическое пространство 42 % энергии, причем 38 % отражается атмосферой и только 4 % - поверхностью Земли. Остальные 58 % поглощаются атмосферой (14 %) и почвой (44 %). Нагретая поверхность Земли возвращает назад всю поглощенную энергию. При этом излучение энергии земной поверхностью составляет 20 %, на согревание воздуха и испарение влаги уходит 24 %.

Количество солнечной радиации в отдельных районах Земли зависит от угла падения солнечных лучей. Чем больше высота Солнца над горизонтом,  тем больше количество солнечной энергии, падающей на единицу площади. Когда Солнце находится у линии горизонта, солнечные лучи проходят в атмосфере путь, почти в 35 раз длиннее, чем в том случае, когда Солнце находится в зените.

Годовой режим инсоляции изменяется в зависимости от широты местности и высоты над уровнем моря. С подъемом на первые 3000 м радиация увеличивается на 10 % на каждый километр высоты.

Максимум солнечной радиации на протяжении суток наблюдается в 12 часов дня, когда Солнце максимально приближается к зениту. Максимальное напряжение солнечной радиации в южных широтах наблюдается в марте-апреле, а в северных – в апреле-мае. Другой, наименее выраженный, максимум наблюдается в августе-сентябре. Минимальное полуденное значение характерно для декабря. Снижение наблюдается также в июле-августе. Такое распределение радиации обусловлено высотой Солнца и степенью прозрачности атмосферы.

Таким образом, в течение года наибольшие значения прямой солнечной радиации наблюдаются не летом, когда солнце достигает в полдень наибольших высот, а весной, что объясняется уменьшением прозрачности воздуха в летнее время за счет большой запыленности атмосферы и повышенной влажности. При безоблачном небе максимум радиации приходится на короткие УФ-лучи, при пасмурном небе максимум радиации смещается в более длинноволновую область спектра. При облачной погоде интенсивность УФ-радиации у поверхности Земли может снижаться  на 80 %, за счет запыленности атмосферного воздуха эта потеря составляет от 11 до 50 %. В весьма широком диапазоне колеблется спектральный состав лучистой энергии.

Наибольшее значение у поверхности Земли имеет оптическая часть солнечного спектра, включающая инфракрасные лучи  с длиной волны 2800 – 760 нм, видимые (760 – 400 нм) и ультрафиолетовые (400 – 290 нм). При этом, если на границе атмосферы ультрафиолетовая часть солнечного спектра составляет 5 %, видимая – 52 % и инфракрасная – 43 %, то у земной поверхности соответственно 1, 40 и 59 %. Поскольку солнечная радиация является одним из видов электромагнитных излучений, ее биологическое действие зависит от энергии кванта, глубины проникновения в ткани тела, интенсивности облучения (количества энергии на единицу площади в единицу времени), его режима, определяющего, в частности, дозу облучения, площади облучения, условий, при которых происходит облучение, и состояния организма.

Таблица 1.

Спектральный состав и биологическое действие солнечной радиации

 

Вид излучения	Длина волны, нм	Энер-гия кванта, эВ	Прони-цаемость кожи, мм	Первичное действие	Биологический эффект	Примеча-ние
Инфракрас-ное	4000 –760	0,01– 1,6	1 – 25	глубокое тепловое	увеличение обмена веществ в коже, усиление действия УФ-излучения
Видимое	760 – 400	1,6 – 3,2	25      -  2	глубокое тепловое, слабое фотохимии-ческое	ощущение света, тонизирующее действие
Ультрафио-летовое:	400 – 290	3,2  -6,0	Доли мм			Диапазон УФИ, дости-гающий поверх-ности земли
область А (длинные)	400 – 315			фотохими-ческое	пигментообразующее (загарное), слабое общестимули-рующее
область В (средние)	315 – 280			фотохими-ческое	сильное общестимули-рующее,  загарное, синтез холекальци-ферола (витаминооб-разующее), слабое бактерицидное,	Биологи-чески наиболее ценное
область С (короткие)	280 - 180			фотохимическое	сильное бактерицидное	Короче 290 нм задержи-ваются слоем озона на высоте 20-30 км

 

 Наибольшим биологическим действием обладает ультрафиолетовая часть спектра солнечной радиации, наиболее коротковолновые ( менее 290 нм) лучи которой (губительные для всего живого) поглощаются слоем  кислорода и озона в верхних слоях земной атмосферы и не доходят до поверхности Земли. Однако загрязнение атмосферы промышленными выбросами, особенно фреоном, способствует разрушению озонового слоя атмосферы, возникновению так называемых «озоновых дыр», через которые проникают эти, губительные для всего живого, наиболее коротковолновые УФ-лучи .

Рис. 2.1. Спектральный состав и основные свойства ультрафиолетового излучения (УФИ)

УФ-лучи занимают промежуточное положение между тепловой  и проникающей радиацией и поэтому объединяют в себе их черты. УФ-радиацию подразделяют на длинноволновую часть – 315 – 400 нм (область А); средневолновую – 280 – 315 нм ( область В) и коротковолновую, с длиной волны короче 280 нм (область С) – в искусственных источниках УФИ.