Солнечный свет
Задачей настоящей главы является физическое обоснование положения К. А. Тимирязева о тождестве действия на растения солнечного и искусственного освещения. Для этого прежде всего надо вспомнить, что представляет собой солнечный свет или, точнее, солнечное излучение, доходящее до растений, и каким закономерностям подчинено его распределение в годичном цикле у поверхности нашей планеты.
Столь же необходимы и сведения об основных физических характеристиках главнейших искусственных источников света, предназначенных заменить своей радиацией солнечную при выращивании самых разнообразных растительных видов.
И то и другое обязательно не только ^ля понимания получаемых результатов и их правильной физиологической оценки, но также и для установления единого принципа измерения и дозировок различных видов лучистой энергии. Без правильной же методики измерений радиационных воздействий нельзя сравнивать результаты разнообразных работ.
Основным источником света и тепла для поверхности земли является излучение солнца. Оно определяет климатические условия различных широт и возможности нормальной жизни растительных организмов. Количество тепла, приносимое солнечными лучами на землю, огромно. Можно считать, что солнечные лучи повышают температуру поверхности земли на 300° по сравнению с межпланетным пространством. Одновременно с нагревом земной поверхности, что приводит к перемещению воздушных масс, они совершают огромную работу по круговороту воды в пределах земной атмосферы.
Совершенно понятно, что такая колоссальная работа может ршаться только за счет столь же значительного количества ‘ тергпи. И действительно, по подсчетам некоторых астрономов, Эучистая энергия солнца, непрерывно поступающая на землю, Характеризуется очень крупными величинами. Они считают ее равной работе 217 биллионов 316 миллионов л. с. или, иначе, 543 миллиардам паровых машин по 400 сил каждая, работающих день и 1(0ЧЬ без остановки. В электрических единицах это соответствует 1 кет на 1 м2.
Для более полной характеристики солнца как излучателя энергии напомним, что указанное огромное количество лучистой энергии, попадающей на землю, составляет только одну двухбил-лионную часть того, что излучает солнце во все стороны.
Каков же характер этого излучения, что оно дает непосредственно растениям, — вот вопросы, наиболее интересные для данной темы.
Исследования последних лет приводят к заключению, что излучающая поверхность солнца (фотосфера) имеет температуру около 6000°. При такой температуре все известные элементы находятся в парообразном состоянии. Температура излучающей поверхности определяет спектральный состав излучения. Чем выше температура тела, тем дальше в область коротких волн продвигается излучение и его максимум. Зная температуру любого тела, можно составить точное представление и о спектральном составе его излучения и о распредетении энергии по спектру. Расчетные данные распределения мощностей по спектру солнечного излучения очень хорошо совпали с прямыми измерениями этих величин при помощи сложных приборов — спектроболометров. Характер распределения энергии можно видеть на рис. 1.
Атмосфера, окружающая землю, несколько изменяет характер солнечной радиации. В результате ее воздействия энергетический максимум излучения солнца у поверхности земли приходится на длину волн около 550 вызывающую в нормальном человеческом зрении ощущение желто-зеленого света. Любопытно, что этот максимум в солнечном излучении у поверхности земли очень хорошо совпадает с максимальной спектральной чувствительностью человеческого глаза. В обе стороны от максимума лежат другие спектральные области излучения, быстро переходящие из видимой области за ее пределы. Особенно широка область невидимой солнечной радиации за границами оранжево-красного участка спектра. Это так называемая инфракрасная радиация. Противоположное ей место у другого конца видимого спектра занимает также невидимая человеком ультрафиолетовая радиация, но ее во много раз меньше, чем инфракрасной. Физической характеристикой монохроматических излучений служат длины волн, или частота электромагнитного колебания, или энергия отдельных частиц лучистого потока — квантов. Длина волн убывает от инфракрасной области спектра к ультрафиолетовой, а величина квантов возрастает при том же движении по спектру. Излучения, лежащие в пределах одинаковых длин волн, называются монохроматическими. Они являются простейшими элементами всякого излучения. Их бесконечно много. Они как бы составляют непрерывный ряд элементов, образующих сплошной спектр. Но только один небольшой отрезок совокупности излучений вызывает в наших глазах ощущение света.
Скорость распространения лучистых потоков чрезвычайно велика по сравнению со всеми другими скоростями. В межпланетном пространстве она равна для всех электромагнитных излучений и выражается следующими величинами — 299 800 км в секунду или 2998 • 1010 см в секунду. Для наилучшего осознания значения этой скорости существует очень наглядное сравнение. Если бы можно было между землею и солнцем построить мост и пустить по нему поезд, идущий с постоянной скоростью 60 километров в час, то он пришел бы с земли на солнце через 285 лет, а солнечный луч проносится через это огромное расстояние за 8 минут.
В средах, вызывающих преломление лучей, скорость распространения различных монохроматических излучений неодинакова. Например, в стекле и в воде красное излучение распространяется несколько скорей, чем фиолетовое.
Длина любой волны излучения может быть измерена и при этом с большой точностью. Они (эти длины) представляют собой очень малые величины, не превышающие, например, для видимых излучений одной тысячной доли миллиметра. Для их выражения пользуются следующими единицами: — миллионная доля метра, или тысячная доля миллиметра, миллимикрон (сокращенно му) — тысячная доля микрона, онгстрем (сокращенно А), или десятитысячная доля микрона.
Основные цветные участки спектра видимого излучения в их наиболее типичном виде выражаются следующими длинами волн:
Все эти излучения в определенном энергетическом соотношении между собой при их одновременном воздействии на человеческий глаз создают впечатление белого света.
При волновом воззрении на природу излучений считается, что энергия распределяется равномерно по всей волне, однако квантовая теория отрицает это положение и заменяет его другим, исходящим из представления о концентрации энергии отдельными сгустками, порциями — квантами. Энергия отдельного кванта, с точки зрения обычных представлений, очень мала, но в масштабе атомных явлений колоссальна. Считается, что энергия светового кванта близка к кинетической энергии молекулы при температуре в 20 000°. Этой концентрироваиностыо энергии и объясняется сильное действие, оказываемое светом на вещество. При поглощении света в целом ряде веществ происходят химические реакции, изменяющие их внутреннюю структуру. Эти реакции называются фотохимическими.
Как для фотосинтеза, так и вообще для нормального течения всех физиологифских процессов жизнедеятельности растений нужен свет — лучистая энергия, не только определенного спектрального состава, но и соответствующей мощности. И то и другое, а также и продолжительность ежесуточного освещения, зависит от характера поступления на поверхность земли солнечного излучения.
В различные времена года на различных широтах высота солнца над горизонтом меняется от 0 до 90°, а продолжительность ежесуточного освещения — от полной темноты до непрерывного освещения. Оба эти фактора определяют количество приходящей на землю солнечной лучистой энергии. Чем меньше угол, под которым падают лучи солнца на землю, тем длиннее путь солнечного луча и больше атмосферная масса земли, лежащая на его пути.
Чем ниже солнце над горизонтом, тем большую массу атмосферы проходят его лучи раньше чем попадают на землю. А так как атмосфера не является для солнечных лучей безразличной средой а, напротив, рассеивает и поглощает их составляющими ее элементами, то ее масса не может не сказываться и на количестве и на качестве света у поверхности земли. Опыт показывает, что при среднем состоянии прозрачности атмосферы, в зависимости от ее массы, до земли доходят следующие количества лучистой энергии: при высоте солнца в С0°—70%, при высоте в 30° — 60%, а при стоянии солнца над горизонтом на 5° — только 20% радиации. Очень большую роль в количественном распределении лучистой энергии играет и угол, под которым она падает на поглощающую ее поверхность (рис. 2). Чем меньше угол падения луча на поверхность, тем на большую площадь распределяется его энергия и, следовательно, тем меньше энергии получает каждая точка этой поверхности. Если солнечный луч падает на земную поверхность под углом в 30°, то каждая единица этой поверхности получит энергии в два раза меньше по сравнению с поверхностью, на которую этот луч падает отвесно, т. е. под углом в 90°. Понятно, что с еще большим уменьшением угла падения лучей будет уменьшаться и количество лучистой энергии, приходящейся на единицу поверхности. Так, при высоте солнца в 10 градусов количество энергии, приходящейся на единицу поверхности, составляет только одну шестую часть от падающей под прямым углом, а при высоте в 5° всего одну двенадцатую долю ее.
Вот потому-то зимою при малой высоте солнца над горизонтом и коротких днях поглощение лучистой энергии земной поверхностью мало.
Различные части атмосферы по-разному поглощают и рассеивают проходящее через них солнечное излучение. Поатому спектральный состав солнечного излучения у границы земной атмосферы и у поверхности земли несколько различен. Не остается он постоянным и в течение суток и в течение года, особенно в умеренных и северных широтах.
Попадая в земную атмосферу, излучение солнца рассеивается молекулами газов и взвешенными среди них частицами пыли, кристаллами льда и капельками воды. Характер рассеивания и атмосфере по спектру излучения неодинаков и определяется длиною волны излучения и размером рассеивающих частиц. Чем короче длина волны, тем больше рассеивание. Так для наиболее коротких ультрафиолетовых волн, доходящих до поверхности земли, рассеивание их атмосферой в 30 раз больше по сравнению с красною областью спектра. Еще большее значение для изменения спектрального состава, доходящего до поверхности земли, имеет поглощающая роль атмосферы. Прозрачность последней не одинакова для различных областей спектра солнечного излучения.
Наибольшему изменению под влиянием атмосферы подвержена ультрафиолетовая область радиации. Она и сильно рассеивается и еще больше поглощается. Основным поглотителем ультрафиолетовой радиации в атмосфере является озон, находящийся в ее верхних частях (в стратосфере). Благодаря его присутствию, спектр солнечного излучения, попадающего на землю, обрывается в ультрафиолетовом конце на длине волны в 291 му.
Воздействия на живые клетки радиацией ртутно-кварцевых ламп, излучающих ультрафиолетовую радиацию с длиною волн более коротких чем 290 м\i, показали ее губительное действие.
Инфракрасная радиация поглощается частично углекислотою и водяными парами, которых в атмосфере немало, причем общее количество их подвержено значительным колебаниям.
Видимая часть солнечного излучения претерпевает наименьшие изменения при Похождении через атмосферу. Поэтому и энергетический максимум излучения, находящийся в синефиолетовой области, смещается атмосферой сравнительно в незначительной степени, если солнце стоит около зенита и атмосфера чиста.
Общее представление о суточном изменении спектрального состава прямого солнечного излучения у поверхности земли дает рис. 15, показывающий соотношение между тремя главнейшими его областями: инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой в зависимости от высоты стояния солнца над горизонтом. Даже при положении солнца прямо над головой (в зените), что бывает только в южных широтах, на долю инфракрасной радиации приходится до 50% от общей суммы солнечного излучения. В этих же условиях видимое излучение составляет только 46%, а ультрафиолетовое всего 4% от общего потока солнечной радиации. При уменьшении высоты солнца до 30° количество инфракрасной радиации возрастает до 53%, а видимой и ультрафиолетовой падает, первой до 44%, а второй до 3%.
При положении солнца у горизонта ультрафиолетовое излучение исчезает полностью из лучистого потока, достигающего земли, и он в это время состоит только из инфракрасной — 72% и видимой — 28%.
Что касается видимой области излучения, то ее спектральный состав, в различных условиях стояния солнца над горизонтом,представлен на рис. 4. Как видно, при стоянии солнца в зените все пять основных составных частей белого света — красная, желтая, зеленая, синяя и фиолетовая — находятся почти в одинаковом соотношении. По мере приближения солнца к горизонту красно-
оранжевая часть видимого излучения возрастает, а все остальные области, н особенно сине-фиолетовая, резко сокращаются. Уже при высоте солнца в 10° половину всей видимой радиации составляют красные лучи, а из другой половины одна четверть приходится па желтое излучение, а остальные три участка спектра вместе составляют только 0,25 радиации. При положении солнца у горизонта оно кажется красным потому, что в это время (высота солнца около 0,5°) три четверти видимого излучения, доходящего до земли, составляет красная область спектра. В это время сине-фиолетовое излучение у поверхности земли отсутствует,, а на желто-зеленое приходится 0,25 всего видимого излучения.
Кроме прямой солнечной радиации, о которой говорилось выше, для жизни растений очень большое значение имеет и так называемая рассеянная радиация. Последняя представляет собою ту же солнечную радиацию, но только отраженную от отдельных частиц атмосферы и различных земных поверхностей. В пасмурные дни, когда солнце закрыто тучами, до растений доходит только рассеянная радиация. Так как таких дней немало, интересно знать, что же представляет собой этот вид света. Основное отличие его от прямого излучения заключается в том, что последнее имеет направленный поток лучистой энергии от солнца к любому облучаемому нм предмету или поверхности, а у рассеянной солнечной радиации общая направленность отсутствует, и она идет от всех точек небесного свода. Это обстоятельство делает рассеянную радиацию наиболее объемной. Второе различие этих потоков сводится к неодинаковому спектральному их составу. Так, в рассеянной радиации при наличии безоблачного неба преобладает коротковолновая часть, при облачном небе, наоборот, максимум излучения перемещается т; более длинным волнам.
Так как источником рассеянной радиации является солнечный луч, то все основные закономерности, указанные для прямой солнечной радиации, относятся в известной степени и к рассеянной. В частности, интенсивность рассеянной радиации изменяется в зависимости от высоты стояния солнца над горизонтом. Возрастает с увеличением высоты его и ослабевает с уменьшением последней. При безоблачном небе количество рассеянной радиации зависит от прозрачности атмосферы. Чем чище атмосфера, тем меньше рассеянной радиации; чем больше в атмосфере добавочных центров рассеивания (пылинок и т. п.), тем больше рассеянной радиации. Однако, как показывают прямые измерения, количество рассеянной радиации при безоблачном небе очень невелико и роль ее в общем приходе лучистой энергии для земной поверхности незначительна. Иное дело при облачном небе. В это время количество рассеянного света очень увеличивается, так как облака, состоящие пз капелек воды илп кристаллов льда, являются хорошей рассеивающей и отражающей средой. Роль рассеянной радиации особенно велика для северных и полярных хпирот, где прямых солнечных лучей часто не бывает. Для растений наибольшее значение имеет так называемая суммарная радиация, состоящая пз прямой солнечной и рассеянной.
Использвание искусственного освещения - Солнечный свет
Остались вопросы по теме - "Солнечный свет", задайте их на