Солнечное излучение в фотобиологии и фотозащита. Строение, излучение и эволюция солнца добавить свою цену в базу комментарий
Основная часть солнечной энергии достигает земли в виде трех составляющих: видимого света (40 %) и инфракрасного излучения (50 %), ультрафиолета (10 %). Наиболее значимой и хорошо изученной частью солнечного излучения являются ультрафиолетовые лучи. Они представлены тремя типами различных по длине волн и обозначаются буквами латинского алфавита: UVC-лучи — самые короткие (190-280 нм). UVB-лучи — средневолновые (280-320 нм) и UVA-лучи — длинноволновые (320-400 нм). Говоря о воздействии ультрафиолета на человека, подразумевают воздействие UVB- и UVA-лучей. Короткие UVC-лучи практически полностью поглощаются озоновым слоем атмосферы, как и короткие и очень активные космические γ-лучи. Эти лучи губительны для всего живого на поверхности земли, поэтому проблема целостности озонового слоя вызывает обеспокоенность ученых всего мира. Искусственные UVC-лучи используют для обеззараживания помещений.
UVB-лучи больше рассеиваются при прохождении через атмосферные слои, чем UVA, с увеличением географической широты уровень UVB-излучения уменьшается. Кроме того, его интенсивность зависит от времени года и существенно меняется в течение дня.
Большая часть UVB поглощается озоновым слоем, в отличие от UVA, и его доля во всей энергии ультрафиолетового излучения в летний полдень составляет около 3 %.
Различна и проникающая способность через барьер кожного покрова. Так, UVB-лучи на 70 % отражаются роговым слоем, на 20 % ослабляются при прохождении через эпидермис, дермы достигают лишь 10 %. UVA-лучи за счет поглощения, отражения и рассеивания с меньшими потерями проникают в дерму — 20-30 % и около 1 % от общей энергии достигает подкожной клетчатки.
Длительное время считалось, что доля UVB-лучей в повреждающем действии ультрафиолета составляет 80 %, поскольку именно этот спектр отвечает за возникновение эритемы солнечного ожога. На сегодняшний день известен целый ряд биологических эффектов солнечной радиации с преимущественным значением разных диапазонов ультрафиолета. Потемнение меланина (легкий и быстро проходящий загар) возникает под влиянием UVA уже через несколько часов и связан с фотооксидацией уже имеющегося меланина и его быстрым перераспределением по отросткам меланоцитов в эпидермальные клетки. Замедленный загар развивается через 3 дня и вызывается действием UVB-лучей. Он обусловлен активным синтезом меланина в меланосомах, увеличением количества меланоцитов и активизацией синтетических процессов в ранее неактивных меланоцитах. Замедленный загар более устойчив.
Синтез витамина D 3 происходит под воздействием UVB-лучей. Достаточным считается ежедневная экспозиция лица и рук в течение примерно 15 мин, по данным ВОЗ. Необходимо учитывать и географический фактор, поскольку на некоторых широтах высокий уровень UVA-облучения и низкий UVB-лучей, что может быть недостаточным для синтеза витамина D 3 .
Сильное воздействие ультрафиолета проявляется в виде солнечной эритемы и/или ожога. Эритематогенными являются UVB-лучи. Часто для оценки эффекта UV-облучения используется термин «минимальная эритемная доза» (МЭД) — энергетическая экспозиция UV-излучения, вызывающая едва заметную эритему необлученной ранее кожи. Для светлой кожи 1 МЭД равна 200-300 Дж/м 2 . Однако величина излучения, необходимая для развития эритемы, является сугубо индивидуальной и зависит от типа кожи, ее физиологической чувствительности к солнечным лучам.
Действие UVB на нормальную, не привыкшую к солнцу кожу вызывает фотозащитную реакцию — синтез меланина меланоцитами, увеличение количества меланосом. Это ограничивает поступление ультрафиолета до базального слоя и до меланоцитов. Наряду с этим наблюдается гиперплазия эпидермиса за счет пролиферации кератиноцитов, что также приводит к рассеиванию и ослаблению UV-излучения. Данные изменения носят адаптационный характер и позволяют коже выдерживать последующее облучение.
UVA-облучение не вызывает солнечных ожогов. Однако при длительной экспозиции (месяцы, годы) именно эти лучи вызывают появление признаков фотостарения, а также UV-индуцированный канцерогенез. UVA — это основной фактор цитотоксического воздействия солнечного света в базальном слое эпидермиса, за счет образования свободных радикалов и повреждения цепей ДНК. Поскольку UVA-излучение не способствует утолщению эпидермиса, вызываемый им загар малоэффективен в качестве защиты от последующего излучения.
Известно воздействие ультрафиолета на иммунитет. Ряд исследователей предполагают, что UV-облучение подавляет реакции иммунной системы человека. UVA- и UVB-излучение может активировать вирус герпеса. Экспериментальные данные о возможной активации ВИЧ, по данным ВОЗ, не подтвердились. Однако при недостатке ультрафиолета также отмечается снижение иммунитета (уменьшается титр комплемента, активность лизоцима и др.). Применение профилактических курсов UV-излучения в условиях его дефицита (в северных широтах) обладает выраженным адаптационным действием.
Клетки Лангерганса (мигрирующие дентритные клетки) играют роль в иммунологическом распознавании и чрезвычайно чувствительны к ультрафиолету. Их функция нарушается при достижении субэритемных доз облучения (1/2 МЭД). Обращает на себя внимание и более длительный срок восстановления популяции этих клеток после UVA-облучения (2-3 нед), нежели после UVB (48 ч).
Считается, что достоверно установлено влияние UV-излучения на частоту возникновения рака кожи. Относительно влияния UV на возникновение меланомы мнения специалистов расходятся. Часто отмечается преимущественное развитие меланом на открытых участках тела, подвергшихся избыточному воздействию солнечного света. Заболеваемость меланомой продолжает расти, причем в одних и тех же географических районах темнокожее население болеет реже. В Европе заболеваемость и смертность гораздо выше, нежели в северных странах.
Парадоксально, что смертность от меланомы снижается при увеличении дозы UVB. Такое положительное влияние может быть связано как со стимуляцией фотозащитного эффекта, так и с синтезом витамина D. Онкологи рассматривают гормональную форму vit D 3 -кальцитриол, синтезируемый в почках, как фактор, регулирующий дифференцировку и пролиферацию опухолевых клеток. Необходимая доза для синтеза vitD3 невелика и составляет около 55 МЭД в год.
Среди факторов естественной фотозащиты человека особое место принадлежит меланину. Количество и качество меланина определяет устойчивость к ультрафиолетовому воздействию и сопряжено с цветом кожи, волос, глаз. Активность меланогенеза и способность кожи к загару легли в основу деления людей на фототипы.
Тип 1 — всегда обгорают, никогда не загорают (рыжие, альбиносы);
Тип 2 — иногда обгорают, с трудом добиваются загара (блондины);
Тип 3 — иногда обгорают, могут загореть (европеоиды);
Тип 4 — обгорают только небольшие участки, всегда загорают (азиаты, индейцы);
Тип 5 — обгорают редко, приобретают интенсивный загар (дравиды, австралийские аборигены);
Тип 6 — никогда не обгорают, сильно загорают (негроиды).
Отмечены существенные различия в количестве и распределении меланосом у белых и чернокожих людей: у последних отмечается большее количество меланосом, причем с более равномерным их распределением в коже. В результате даже загоревший белокожий человек хуже защищен от воздействия ультрафиолета.
Среди факторов естественной фотозащиты особенно важна система репарации ДНК. Клетки имеют ряд защитных механизмов, посредством которых они могут восстанавливать повреждения в цепях ДНК. В частности, используется механизм репарации путем выщепления, в ходе которого небольшой участок поврежденной цепи ДНК удаляется и замещается новосинтезированным неповрежденным участком. Многие клетки подключают для репарации ДНК механизм фотореактивации, с помощью которого повреждение может быть исправлено без расщепления молекулы ДНК. При этом с молекулой ДНК, содержащей пиримидиновый димер, связывается фермент. В результате поглощения света (300-500 нм) комплексом «фермент ДНК» фермент активируется и восстанавливает поврежденный участок молекулы, расщепляя димеры с образованием нормальных пиримидиновых оснований.
На сегодняшний день существует много требований к вновь создаваемым препаратам с учетом их эффективности и безопасности для потребителя. Наиболее привычный и понятный sun protection factor — SPF. Это коэффициент, выражающий отношение МЭД защищенной UV-фильтром кожи к МЭД незащищенной кожи. SPF ориентирован на эритемный эффект, вызванный UVB-излучением. Поскольку повреждающее действие UVA не связано с эритемой, SPF не дает никакой информации о защищенности от UVA-излучения. В настоящее время используется несколько показателей, в основе которых заложена выраженность моментальной и отсроченной пигментации кожи, возникающей в ответ на действие UVA-лучей, защищенную и незащищенную фотопротектором (IPD-immediate pigment darkening, PPD-persistent pigment darkening). Используется также фактор, основанный на степени проявления фототоксичности.
Для европейских производителей фотозащитных средств сегодня существует единая классификация Colipa, оценивающая допустимые значения SPF: низкая фотозащита — 2-4-6; средняя фотозащита — 8-10-12; высокая фотозащита — 15-20-25; очень высокая фотозащита — 30-40-50; максимальная фотозащита — 50+.
В солнцезащитных средствах используются две группы соединений, отличающихся по механизму защитного действия. Первая — это экраны, являющиеся по химической природе минеральными соединениями. Они отражают и преломляют солнечные лучи и, как правило, «работают» на поверхности кожи. К ним относятся диоксид цинка (ZnO), диоксид титана (TiO 2), оксид железа (FeO Fe 3 O 4).
Другая группа — химические фильтры, которые представляют собой органические соединения. Они поглощают ультрафиолет, преобразуются в фотоизомеры. Поглощенная энергия при обратном процессе высвобождается уже в безопасном длинноволновом излучении.
К UVB-фильтрам относятся: циннаматы, бензофенон, пара-аминобезойная кислота, салицилаты, производные камфоры; UVA-фильтры — это дибензоилметан, бензофенон, производные камфоры, соединения, способные проникать в глубь эпидермиса.
Наиболее широко (до конца 1980-х годов) применялись препараты, содержащие эфиры парааминобензойной кислоты (РАВА). Сейчас на их смену пришли оксибензон, октокрилен, антранилаты и циннаматы.
Кроме спектра поглощения, значение имеет и коэффициент гашения, т. е. насколько активно препарат поглощает энергию (настолько он эффективен). Эффективными считаются значения не менее 20.000 (butyimethoxydibenzoyl methane — 31.000, octyldemethil PABA — 28.400, ethylhexyl p-methoxycinnamate — 24.200).
Следующей важной особенностью солнцезащитных средств является фотостабильность — способность сохранять свою структуру и свойства под влиянием излучения. Некоторые химические фильтры в значительной мере подвергаются фотолизу. К примеру, через 15 мин после воздействия солнечного света отмечается снижение активности: octyldimetyl PABA — на 15 %, avobenzone — до 36 %, octyl-p-methoxycinnamate — на 4,5 %.
Устойчивость препарата отражает его способность оставаться на коже и сохранять свою поглощающую способность. Это чрезвычайно важно, поскольку солнцезащитное средство используется вне комфортных условий: на жаре (потение), при купании, физических нагрузках.
Если солнцезащитный препарат (СЗП) поглощает только UVB-лучи и малоэффективен в отношении UVA-лучей, создается ошибочное ощущение безопасности длительного пребывания под солнцем.
Самым высоким требованием, предъявляемым к СЗП, соответствует солнцезащитная линия «Фотодерм». Введение инновационных молекул позволяет сочетать достоинства и фильтров, и экранов, избегая недостатки обеих групп. На сегодня «Фотодерм» обладает максимально широким спектром фотозащиты, включая UVB- и UVA-лучи, сохраняет клетки эпидермиса, включая клетки Лангерганса, от мутационного действия ультрафиолета.
Эффект создается благодаря особым микрочастицам: Тиносорб М — органический экран, Тиносорб S — новый химический фильтр. Соединения нового поколения, способные эффективно поглощать UVB- и UVA-лучи, включая короткие UVA (320-340 нм) и длинные UVA (340-400 нм). Разработанный лабораторией «Биодерма» фильтр «Клеточная биозащита», состоящий из двух натуральных молекул (эктоина и маннитола) позволяет защищать клетки Лангерганса, защищать структуры ДНК, стимулировать синтез протеина, чтобы не допустить термического шока, сохранять иммунную систему.
«Фотодерм мах» — представитель экстремальной степени защиты от всего спектра ультрафиолетового воздействия, наделенный онкопротекторной активностью.
Сотрудниками лаборатории «Биодерма» разработаны специфические фотозащитные средства, с учетом особенностей фотозависимых состояний: для больных витилиго — «Фотодерм мах тональный», для пациентов, страдающих розацеа, — «Фотодерм АR», для подростков с угревыми высыпаниями — «Фотодерм AKN», при локальной гиперпигментации — «Фотодерм SPOT».
До сих пор предметом дискуссий среди сторонников и противников загара остается главный вопрос: полезен или вреден ультрафиолет для человека? О несомненной пользе говорит тот факт, что солнечные лучи с начала века используют для лечения самых разных заболеваний (так называемая «гелиотерапия»). Солнечные лучи обладают выраженным антидепрессивным действием. Полноспектровое освещение с низкой эмиссией ультрафиолета применяют в лечении сезонных аффективных расстройств. Дерматологические заболевания (псориаз, атопический дерматит, склеродермия, ихтиоз) поддаются терапии с помощью ультрафиолета.
Солнце — непростой друг и союзник. Даже здоровому человеку, планирующему свой отдых в непривычном для него регионе, необходимо проконсультироваться со специалистом, чтобы отдых послужил укреплению здоровья.
По вопросам литературы обращайтесь в редакцию.
Л. О. Мечикова, В. В. Савенков
КВД № 3, Москва
Ближайшая к нам звезда – это конечно Солнце. Расстояние от Земли до него по космическим параметрам совсем небольшое: от Солнца до Земли солнечный свет идет всего лишь 8 минут.
Солнце – это не обычный желтый карлик, как считали ранее. Это центральное тело солнечной системы, возле которой вертятся планеты, с большим количеством тяжелых элементов. Это звезда, образовавшаяся после нескольких взрывов сверхновых, около которой сформировалась планетная система. За счет расположения, близкого к идеальным условиям, на третьей планете Земля возникла жизнь. Возраст Солнца насчитывает уже пять миллиардов лет. Но давайте разберемся, почему же оно светит? Какое строение Солнца, и каковы его характеристики? Что ждет его в будущем? Насколько значительное влияние оно оказывает на Землю и ее обитателей? Солнце – это звезда, вокруг которой вращаются все 9 планет солнечной системы, в том числе и наша. 1 а.е. (астрономическая единица) = 150 млн. км – таким же является и среднее расстояние от Земли до Солнца. В Солнечную систему входят девять больших планет, около сотни спутников, множество комет, десятки тысяч астероидов (малых планет), метеорные тела и межпланетные газ и пыл. В центре всего этого и находится наше Солнце.
Солнце светит уже миллионы лет, что подтверждают современные биологические исследования, полученные из остатков сине-зелено-синих водорослей. Изменись температура поверхности Солнца хотя бы на 10 %, и на Земле, погибло бы все живое. Поэтому хорошо, что наша звезда равномерно излучает энергию, необходимую для процветания человечества и других существ на Земле. В религиях и мифах народов мира, Солнце постоянно занимало главное место. Почти у всех народов древности, Солнце было самым главным божеством: Гелиос – у древних греков, Ра – бог Солнца древних египтян и Ярило у славян. Солнце приносило тепло, урожай, все почитали его, потому что без него не было бы жизни на Земле. Размеры Солнца впечатляют. Например, масса Солнца в 330 000 раз больше массы Земли, а его радиус в 109 раз больше. Зато плотность нашего звездного светила небольшая – в 1,4 раза больше, чем плотность воды. Движение пятен на поверхности заметил еще сам Галилео Галилей, таким образом доказав, что Солнце не стоит на месте, а вращается.
Конвективная зона Солнца
Радиоактивная зона около 2/3 внутреннего диаметра Солнца, а радиус составляет около 140 тыс.км. Удаляясь от центра, фотоны теряют свою энергию под влиянием столкновения. Такое явление называют — феномен конвекции. Это напоминает процесс, происходящий в кипящем чайнике: энергии, поступающей от нагревательного элемента, намного больше того количества, которое отводится тепло проводимостью. Горячая вода, находящаяся в близости от огня, поднимается, а более холодная опускается вниз. Этот процесс называются конвенция. Смысл конвекции в том, что более плотный газ распределяется по поверхности, охлаждается и снова идет к центру. Процесс перемешивания в конвективной зоне Солнца осуществляется непрерывно. Глядя в телескоп на поверхность Солнца, можно увидеть ее зернистую структуру — грануляции. Ощущение такое, что оно состоит из гранул! Это связано с конвекцией, происходящей под фотосферой.
Фотосфера Солнца
Тонкий слой (400 км) — фотосфера Солнца, находится прямо за конвективной зоной и представляет собой видимую с Земли «настоящую солнечную поверхность». Впервые гранулы на фотосфере сфотографировал француз Янссен в 1885г. Среднестатистическая гранула имеет размер 1000 км, передвигается со скоростью 1км/сек и существует примерно 15 мин. Темные образования на фотосфере можно наблюдать в экваториальной части, а потом они сдвигаются. Сильнейшие магнитные поля, являются отличительно чертой таких пятен. А темный цвет получается вследствие более низкой температуры, относительно окружающей фотосферы.
Хромосфера Солнца
Хромосфера Солнца (цветная сфера) – плотный слой (10 000 км) солнечной атмосферы, который находится прямо за фотосферой. Хромосферу наблюдать достаточно проблематично, за счет ее близкого расположения к фотосфере. Лучше всего ее видно, когда Луна закрывает фотосферу, т.е. во время солнечных затмений.
Солнечные протуберанцы – это огромные выбросы водорода, напоминающие светящиеся длинные волокна. Протуберанцы поднимаются на огромные расстояние, достигающие диаметра Солнца (1.4 млм км), двигаются со скоростью около 300 км/сек, а температура при этом, достигает 10 000 градусов.
Солнечная корона – внешние и протяженные слои атмосферы Солнца, берущие начало над хромосферой. Длина солнечной короны является очень продолжительной и достигает значений в несколько диаметров Солнца. На вопрос где именно она заканчивается, ученые пока не получили однозначного ответа.
Состав солнечной короны – это разряженная, высоко ионизированная плазма. В ней содержатся тяжелые ионы, электроны с ядром из гелия и протоны. Температура короны достигает от 1 до 2ух млн градусов К, относительно поверхности Солнца.
Солнечный ветер – это непрерывное истечение вещества (плазмы) из внешней оболочки солнечной атмосферы. В его состав входят протоны, атомные ядра и электроны. Скорость солнечного ветра может меняться от 300 км/сек до 1500 км/сек, в соответствии с процессами, происходящими на Солнце. Солнечный ветер, распространяется по всей солнечной системе и, взаимодействуя с магнитным полем Земли, вызывает различный явления, одним из которых, является северное сияние.
Характеристики Солнца
Масса Солнца: 2∙1030 кг (332 946 масс Земли)
Диаметр: 1 392 000 км
Радиус: 696 000 км
Средняя плотность: 1 400 кг/м3
Наклон оси: 7,25° (относительно плоскости эклиптики)
Температура поверхности: 5 780 К
Температура в центре Солнца: 15 млн градусов
Спектральный класс: G2 V
Среднее расстояние от Земли: 150 млн. км
Возраст: 5 млрд. лет
Период вращения: 25,380 суток
Светимость: 3,86∙1026 Вт
Видимая звездная величина: 26,75m
В 80-е годы XIX века в Америке и Европе загорелое тело считалось красивым и желанным, к чему стремились очень многие. Это дало ученым массу поводов и материалов для исследований. Они выяснили, что изменения кожи, называемые возрастными, в большинстве своем зависят вовсе не от количества прожитых человеком лет, а от вредного воздействия ультрафиолета, который ответственен за появление загара.
Так возникла теория фотостарения - преждевременного увядания кожи под воздействием УФ-излучения. Ее подтверждают данные, что кожа жителей южных стран стареет быстрее, чем тех, кто не избалован солнцем. Кроме того, открытые области тела, не защищенные одеждой, быстрее подвергаются различным изменениям.
Механизм фотостарения
Проникая в кожу, УФ-лучи встречаются с естественным ультрафиолетовым фильтром - меланином, задерживающим более 90% ультрафиолетового излучения. Таким образом, загар - не что иное, как реакция кожи на травмирующее действие солнечного излучения. Сейчас многие знают, что длительное воздействие ультрафиолета способствует развитию меланомы, рака кожи, ускоряет старение и появление морщин.
Виды УФ-излучений
Типы солнечных лучей
Ультрафиолетовое излучение делится на три составляющие: лучи А, В и С (УФА-, УФB-, УФС-лучи соответственно). При прохождении солнечного света через земную атмосферу самые опасные УФС-лучи и около 90% УФB-лучей среднего диапазона поглощаются озоном, кислородом и углекислым газом. Поэтому радиация, доходящая до человека, в большей степени содержит ультрафиолет УФА и небольшое количество УФВ.
Чем опасны УФВ-лучи
УФВ-лучи способствуют образованию меланина, приводят к фотостарению кожи, а также стимулируют развитие большинства видов рака кожи, однако они блокируются защитными веществами, содержащимися в кремах от загара.
Чем опасны УФА-лучи
УФА-лучи менее активны в стимуляции развития многих видов рака кожи, нежели УФВ, но они способствуют образованию меланомы - самой опасной разновидности рака кожи. Кроме того, это излучение не блокируется многими солнечными фильтрами, поэтому основная защита от него - это одежда.
Почему ультрафиолет опасен для человека:
- он снижает выработку коллагена - белка соединительной ткани организма, из-за нехватки которого кожа теряет эластичность и на ней появляются морщины;
- он провоцирует огрубение и утолщение рогового слоя кожи, вследствие чего она становится сухой, тусклой и шероховатой;
- он провоцирует сосудистые изменения, нарушение пигментации кожи, а также развитие новообразований.
О пользе солнца
Место под солнцем
Несмотря на опасность ультрафиолетового излучения для организма, в малых дозах оно может быть полезным. Для этого достаточно всего лишь несколько раз в неделю подставлять солнечному свету лицо или руки в течение 10-15 минут.
Целебный ультрафиолет:
- под воздействием ультрафиолета в организме синтезируется витамин D, который регулирует обмен кальция и служит строительным материалом для костной ткани;
- солнечный свет активизирует иммунную систему, повышает сопротивляемость организма к вирусам и инфекциям;
- солнце благоприятно влияет на нервную систему человека, увеличивая выработку эндорфинов (гормон радости) и тем самым повышая настроение;
- в малых дозах ультрафиолет предупреждает появление заболеваний сердечно-сосудистой системы, опорно-двигательного аппарата (остеохондроз, артрит) и органов дыхания (бронхит, ринит), дерматологических заболеваний (псориаз, нейродермит, экзема и др.), недостаточность мозгового кровообращения.
Как правильно загорать
Начинать загорать нужно понемногу, в утренние и вечерние часы, проводя на солнце от 10 до 15 минут с перерывами. Как смуглым, так и бледнокожим людям следует обязательно использовать солнцезащитные средства, соответствующие их типу кожи и с подходящим фактором защиты. Наносить их на кожу следует за 20-30 минут до выхода на улицу.
Обладателям особо чувствительной к солнечным лучам кожи необходимо как можно чаще находиться в тени и использовать средства с наивысшим SPF-фактором (Sun Protection Factor). Глазам и губам также нужна защита от солнца, поэтому следует использовать солнцезащитный крем для кожи вокруг глаз, бальзам для губ с SPF и надевать солнечные очки, выходя на улицу.
Пилинги считаются эффективным средством по устранению
симптомов фотостарения кожи. Они обладают отшелушивающим
действием, а также возвращают коже тонус и красоту.
Елена Кобозева, врач-дерматовенеролог, косметолог: «Ультрафиолет является главным фактором старения кожи. При чрезмерном солнечном облучении он провоцирует так называемый мелкоморщинистый тип старения. Кожа становится похожей на сморщенное печеное яблоко, покрытое сетью мелких морщин. Кроме того, ультрафиолетовое излучение провоцирует образование пигментных пятен. Особенно это становится заметным в возрасте старше 35 лет. Поэтому летом необходимо постоянно защищать кожу с помощью солнцезащитных кремов с высоким фактором защиты».
Эксперт:
Елена Кобозева, врач-дерматовенеролог, косметолог
Катерина Капустина
Протуберанец на поверхности
Излучение Солнца, которое известно как солнечный свет, представляет собой смесь электромагнитных волн, от инфракрасных (ИК) до ультрафиолетовых лучей (UV). Оно включает в себя видимый свет, который находится между ИК и УФ в электромагнитном спектре.
Скорость распространения электромагнитных волн
Все электромагнитные волны (ЭМ) распространяются со скоростью приблизительно 3,0х10*8 м/с в вакууме. Пространство не является идеальным вакуумом, оно, на самом деле, содержит частицы в низкой концентрации, электромагнитные волны, нейтрино и магнитные поля. Поскольку, среднее расстояние между Землей и Солнцем более 149,6 млн. км, то требуется около 8 минут, чтобы излучение добралось до Земли. Солнце светит не только в ИК, видимом и УФ диапазоне. В основном, оно выделяет гамма-лучи высокой энергии.
Однако, фотоны гамма-излучения проходят длинный путь до поверхности, они постоянно поглощаются солнечной плазмой и повторно излучаются с изменением своей частоты.
К тому времени, как они добираются до поверхности, фотоны гамма лучей представляют собой ИК, видимый и УФ спектры. Инфракрасное излучение это тепло которое мы ощущаем. Без него и видимого света, жизнь на Земле была бы невозможна. Во время солнечных вспышек, оно также испускает рентгеновские лучи. Когда электромагнитное излучение Солнца достигает атмосферы Земли, часть его поглощается, в то время, как остальное долетает до поверхности Земли.
В частности, УФ излучение поглощается озоновым слоем и повторно излучается в виде тепла, что приводит к нагреву стратосферы.
Энергия Солнца является источником жизни на нашей планете. Солнце нагревает атмосферу и поверхность Земли. Благодаря солнечной энергии дуют ветры, осуществляется круговорот воды в природе, нагреваются моря и океаны, развиваются растения, животные имеют корм (см. рис.1.1). Именно благодаря солнечному излучению на Земле существуют ископаемые виды топлива.
Рисунок 1.1 – Влияние солнечного излучения на Землю
Солнечная энергия может быть преобразована в теплоту или холод, движущую силу и электричество. Основным источником энергии практически всех природных процессов, происходящих на поверхности Земли и в атмосфере, является энергия, поступающая на Землю от Солнца в виде солнечной радиации.
На рисунке 1.2 представлена классификационная схема, которая отражает процессы, возникающие на поверхности Земли и в ее атмосфере под действием солнечного излучения.
Результатами прямой солнечной деятельности являются тепловой эффект и фотоэффект, вследствие чего Земля получает тепловую энергию и свет. Результатами косвенной деятельности Солнца являются соответствующие эффекты в атмосфере, гидросфере и геосфере, служащие причиной появления ветра, волн, обуславливающие течение рек, создающие условия для сохранения внутреннего тепла Земли.
Рисунок 1.2 - Классификация возобновляемых источников энергии
Солнце представляет собой газовый шар радиусом 695300 км, в 109 раз больше радиуса Земли, с температурой излучающей поверхности около 6000°С. Внутри Солнца температура достигает 40 млн °С.
На
рисунке 1.3 приведена схема строения
Солнца. Солнце
- гигантский "термоядерный реактор",
работающий на водороде и ежесекундно
путем плавления перерабатывающий 564
млн. тонн водорода в 560 млн. тонн гелия.
Потеря четырех миллионов тонн массы
равна 9:1-10 9
ГВт
ч
энергии (1 ГВт равен 1 млн. кВт). За одну
секунду энергии производится больше,
чем шесть миллиардов АЭС смогли бы
произвести за год. Благодаря защитной
оболочке атмосферы только часть этой
энергии достигает поверхности Земли.
Расстояние между центрами Земли и Солнца равно в среднем 1,496*10 8 км.
Ежегодно
Солнце
посылает к Земле около 1,6
10 18
кВт
ч
лучистой энергии или 1,3*10 24
кал тепла. Это в 20 тыс. раз больше
современного мирового энергопотребления.
Вклад Солнца
в энергетический баланс земного шара
в 5000 раз превышает суммарный вклад всех
других источников.
Такого количества тепла хватило бы, чтобы растопить слой льда толщиной 35 м, покрывающий земную поверхность при 0°С.
В сравнении с солнечной радиацией все остальные источники энергии, поступающей на Землю, ничтожно малы. Так, энергия звезд составляет одну стомиллионную часть солнечной энергии; космическое излучение - две миллиардные доли. Внутреннее тепло, поступающее из глубины Земли на ее поверхность составляет одну десятитысячную часть солнечной энергии.
Рисунок 1.3 – Схема строения Солнца
Таким образом. Солнце является фактически единственным источником тепловой энергии на Земле.
В центре Солнца находится солнечное ядро (см. рис. 1.4). Фотосфера - это видимая поверхность Солнца, которая и является основным источником излучения. Солнце окружает солнечная корона, которая имеет очень высокую температуру, однако она крайне разрежена, поэтому видима невооружённым глазом только в периоды полного солнечного затмения.
Видимая поверхность Солнца, излучающая радиацию называется фотосферой (сфера света). Она состоит из раскаленных паров различных химических элементов, находящихся в ионизированном состоянии.
Над фотосферой находится светящаяся практически прозрачная атмосфера Солнца, состоящая из разряженных газов, которая называется хромосферой.
Над хромосферой располагается внешняя оболочка Солнца, называемая короной.
Газы, образующие Солнце, находятся в состоянии непрерывного бурного (интенсивного) движения, что обусловливает появление так называемых солнечных пятен, факелов и протуберанцев.
Солнечные пятна представляют собой большие воронки, образовавшиеся в результате вихревых движений масс газа, скорость которых достигает 1-2 км/с. Температура пятен на 1500°С ниже температуры Солнца и составляет около 4500°С. Количество солнечных пятен изменяется из года в год с периодом около 11 лет.
Рисунок 1.4 - Строение Солнца
Солнечные факелы это выбросы солнечной энергии, а протуберанцы - колоссальной силы взрывы в хромосфере Солнца, достигающие высоты до 2 млн. км.
Наблюдения показали, что с увеличением количества солнечных пятен увеличивается количество факелов и протуберанцев и соответственно увеличивается солнечная активность.
С увеличением солнечной активности на Земле происходят магнитные бури, которые оказывают отрицательное воздействие на телефонную, телеграфную и радиосвязь, а также на условия жизнедеятельности. С этим же явлением связано увеличение полярных сияний.
Следует отметить, что в период увеличения солнечных пятен, интенсивность солнечной радиации сначала увеличивается, что связано с общим увеличением солнечной активности в начальный период, а затем солнечное излучение уменьшается, так как увеличивается площадь солнечных пятен, имеющих температуру на 1500° ниже температуры фотосферы.
Часть метеорологии, изучающая влияние солнечной радиациина Земле и в атмосфере, называется актинометрией.
При актинометрических работах необходимо знать положение Солнца на небесном своде. Это положение определяется высотой или азимутом Солнца.
Высотой Солнца he называется угловое расстояние от Солнца до горизонта, то есть угол между направлением на Солнце и плоскостью горизонта.
Угловое расстояние Солнца от зенита, то есть от его вертикального направления называется азимутом или зенитным расстоянием.
Между высотой и зенитным расстоянием существует соотношение
(1.1)
Азимут Солнца определяется редко, только для специальных paбот.
Высота Солнца над горизонтом определяется по формуле:
где
-
широта места наблюдений;
-
склонение Солнца - это дуга круга
склонений от экватора до Солнца, которая
отсчитывается в зависимости от положения
Солнца в обе стороны от экватора от 0 до
±90°;
t - часовой угол Солнца или истинное солнечное время в градусах.
Величина склонения Солнца на каждый день приводится в астрономических справочниках за многолетний период.
По формуле (1.2) можно вычислить для любого времени t высоту Солнца he или по заданной высоте hc определить время, когда Солнце бывает на данной высоте.
Максимальная высота Солнца в полдень для различных дней года вычисляется по формуле:
(1.3)
