какие солнечные лучи обладают самой высокой энергией самые опасные в спектре
Солнечные лучи: воздействие. Вредные солнечные лучи
Особенности воздействия прямых солнечных лучей на организм сегодня интересуют многих, в первую очередь тех, кто желает провести лето с пользой для себя, запастись солнечной энергией и приобрести красивый здоровый загар. Что же собой представляет солнечное излучение и какое влияние оно оказывает на нас?
Определение
Солнечные лучи (фото ниже) — это поток радиации, которая представлена электромагнитными колебаниями волн, имеющих разную длину. Спектр излучения, испускаемого солнцем, разнообразен и широк как по длине и частоте волны, так и по воздействию на человеческий организм.
Виды солнечных лучей
Различают несколько областей спектра:
В плане биологического влияния на живой организм самыми активными являются ультрафиолетовые солнечные лучи. Они способствуют образованию загара, оказывают гормонопротективное воздействие, стимулируют выработку серотонина и других важных компонентов, повышающих жизненный тонус и жизнеспособность.
Ультрафиолетовое излучение
В ультрафиолетовом спектре выделяют 3 класса лучей, которые по-разному воздействуют на организм:
Положительное и отрицательное влияние
В зависимости от длительности, интенсивности, периодичности воздействия УФ-излучения в человеческом организме развиваются положительные и отрицательные эффекты. К первым можно отнести образование витамина Д, выработку меланина и формирование красивого, ровного загара, синтез регулирующих биоритмы медиаторов, выработку важного регулятора эндокринной системы – серотонина. Вот поэтому мы после лета чувствуем прилив сил, рост жизненного тонуса, хорошее настроение.
Отрицательные эффекты ультрафиолетового воздействия заключаются в ожогах кожи, повреждении коллагеновых волокон, появлении дефектов косметологического характера в виде гиперпигментации, провоцировании раковых заболеваний.
Синтез витамина Д
При воздействии на эпидермис энергия солнечного излучения преобразуется в тепло или расходуется на фотохимические реакции, в результате которых в организме осуществляются различные биохимические процессы.
Поступление витамина Д происходит двумя путями:
Эндогенный путь – это довольно сложный процесс реакций, протекающих без участия ферментов, но при обязательном участии УФ-облучения В-лучами. При достаточной и регулярной инсоляции количество витамина Д3, синтезируемого в коже во время фотохимических реакций, в полной мере обеспечивает все потребности организма.
Загар и витамин Д
Активность фотохимических процессов в коже напрямую зависит от спектра и интенсивности воздействия ультрафиолетового облучения и находится в обратной зависимости от загара (степени пигментации). Доказано, что чем более выражен загар, тем больше времени нужно для накопления провитамина Д3 в коже (вместо пятнадцати минут три часа).
А вот поступающий с пищей витамин Д только компенсирует дефицит в случае недостаточной выработки в процессе фотохимического синтеза.
Образование витамина Д при нахождении на солнце
Сегодня уже установлено наукой, что для обеспечения суточной потребности в эндогенном витамине Д3 достаточно пребывать под открытыми солнечными УФ-лучами класса В в течение десяти-двадцати минут. Другое дело, что такие лучи в солнечном спектре присутствуют не всегда. Их наличие зависит как от сезона года, так и от географической широты, поскольку Земля при вращении меняет толщину и угол атмосферного слоя, через который солнечные лучи проходят.
Поэтому излучение солнца не постоянно способно образовывать в коже витамин Д3, а только тогда, когда в спектре присутствуют УФ-лучи В.
Солнечное излучение в России
В нашей стране с учетом географического расположения богатые УФ-лучами класса В периоды солнечного излучения распределяются неравномерно. Например, в Сочи, Махачкале, Владикавказе они длятся около семи месяцев (с марта по октябрь), а в Архангельске, Санкт-Петербурге, Сыктывкаре продолжаются около трех (с мая по июль) или даже меньше. Прибавьте к этому число пасмурных дней в году, задымленность атмосферы в крупных городах, и становится ясно, что большая часть жителей России испытывает нехватку гормонотропного солнечного воздействия.
Вероятно, поэтому интуитивно мы стремимся к солнцу и рвемся на южные пляжи, при этом забывая, что солнечные лучи на юге абсолютно другие, непривычные нашему организму, и, кроме ожогов, могут спровоцировать сильнейшие гормональные и иммунные всплески, способные увеличить риск онкологических и иных недугов.
Вместе с тем южное солнце способно исцелять, просто во всем должен соблюдаться разумный подход.
Опасное солнце: почему в воде загораешь быстрее, и почему облезает кожа. Часть 5
Вода действует, как линза
фото: senivpetro/freepik.com
Как известно, солнечный луч состоит из видимого и невидимого спектров. Первая часть спектра способна восприниматься человеческим глазом, а вторая, включающая в себя тепловые инфракрасные и ультрафиолетовые лучи, нет. При этом невидимая часть УФ-лучей, в свою очередь, делится на три типа:
Вода, как пресная, так и солёная, обладает избирательной (селективной) способностью к поглощению солнечных лучей. Так, инфракрасные лучи поглощаются только до 50 см, средневолновые — до 5 метров, а длинноволновые — до 10 метров и более. При этом часть лучей, попадающих на поверхность воды, отражается, а остальные преломляются и входят в неё, постепенно рассеиваясь на определённой глубине (соотношение между отражёнными и преломлёнными световыми потоками зависит от высоты Солнца — чем оно ниже, тем больше лучей отражается от поверхности воды). Таким образом, вода действует по принципу линзы. Проще говоря, она гораздо сильнее, чем суша, притягивает солнечные лучи, а потом отражает часть из них, из-за чего интенсивность облучения объектов, находящихся на поверхности моря, увеличивается в несколько раз.
Почему в воде загораешь быстрее
фото: freepik.com
Для того чтобы ответить на вопрос, нужно в первую очередь разобраться в механизме возникновения загара. В базальном слое эпидермиса находятся специализированные клетки — меланоциты, основной функцией которых является защита организма от агрессивного воздействия ультрафиолета. Как только солнечные лучи попадают на кожу человека, эти клетки начинают вырабатывать меланин (природный пигмент), способный поглощать свет в УФ-диапазоне, защищая тем самым ткани от лучевого повреждения. Чем дольше человек подвергается инсоляции (облучение солнечной радиацией), тем больше меланина накапливается в меланоцитах. Следует отметить, что загар возникает под воздействием нескольких видов световых лучей. В ультрафиолетовом спектре основное биологическое значение имеют средневолновые лучи (типа В) и длинноволновые (типа А). Первые способствуют синтезу нового меланина в коже, а вторые активизируют пигмент, накопленный меланоцитами ранее.
Как уже было сказано выше, вода обладает способностью поглощать и отражать солнечные лучи. Когда человек находится в воде, он подвергается инсоляции и сверху (отражёнными световыми потоками), и снизу (преломлёнными лучами). Чтобы защитить организм от такого воздействия, клетки-меланоциты начинают усиленно синтезировать меланин, в результате чего части тела, находящиеся над водой, быстро покрываются загаром. Кстати, загореть можно и под водой (на небольшой глубине). Это объяснятся тем, что лучи УФ-спектра, проникая сквозь толщу воды, рассеиваются не сразу и успевают активизировать накопленный под влиянием средневолновых лучей меланин. Самая большая опасность «водного» загара таится в том, что человек, купающийся в водоёме, практически не чувствует болевых ощущений (прохладная вода их притупляет) и зачастую не успевает вовремя принять меры по предотвращению ожогов.
Меры предосторожности
фото: halayalex/freepik.com
Чтобы отдых на пляже не омрачился неприятными последствиями, нужно соблюдать ряд важных правил:
Проводя отпуск на море, не забывайте, что всё хорошо в меру: чрезмерное увлечение солнечными ваннами может привести к иссушению кожи, появлению преждевременных морщин и пигментных пятен. Будьте внимательны и предусмотрительны, бережно относитесь к своему здоровью, и тогда ничто не сможет помешать вам в полной мере насладиться летним отдыхом.
Поможет ли тень
фото: lifeforstock/freepik.com
Большинство ошибочно полагают, что в тени можно укрыться от ультрафиолетового излучения. На самом деле это не так. Ультрафиолетовые лучи обладают способностью отражаться от зеркальных поверхностей, например, от воды, и попадать на тело человека. Поэтому загореть можно даже в тени.
Под влиянием двух типов ультрафиолетовых лучей происходит закрашивание кожи в шоколадный оттенок, а именно:
Ультрафиолетовое излучение типа UVA обладает способностью проникать в глубокие слои эпидермиса, обезвоживать клетки и приводить к фотостарению. При этом есть возможность быстрого получения шоколадного или бронзового оттенка. Ультрафиолетовые лучи UVB полезны для организма, ведь имеют способность ускорять синтез витамина D, улучшать обменные процессы и повышать опорные функции.
Как первый, так и второй тип являются солнечной радиацией, которая распространяется как под прямым влиянием, так и в тени. При этом в последнем случае уменьшается интенсивность UVA лучей, поэтому удаётся получить больше пользы для организма одновременно с лёгким загаром. Именно поэтому рекомендуется загорать в тени, чтобы чувствовать себя молодым и красивым.
Загар в тени имеет большое количество преимуществ: удаётся избежать солнечных ожогов и злокачественных опухолей, ускорить синтез полезных микроэлементов в организме, получить красивый равномерный золотистый оттенок кожи без пигментных пятен.
Северное солнце или южное
фото: pixabay.com
Разница между ультрафиолетовым излучением на севере и юге есть, и она обусловлена тем, под каким углом солнечные лучи падают на поверхность нашей планеты. В районе экватора жарче всего, потому что здесь лучи Солнца самые короткие и падают на Землю под прямым углом — отвесно.
Отдаляясь от экватора, лучи становятся длиннее. Они уже не напрямую попадают на поверхность планеты, а как бы скользят по ней. Поэтому холоднее всего у полюсов. Таким образом, на северных территориях загореть сложнее, чем на южных.
Очевидно, что в тёплых южных регионах загар появляется буквально за считанные часы пребывания на солнце. Особенно если речь идёт о человеке, организм которого не привык к высоким дозам УФ-излучения.
К слову, кожа действительно способна адаптироваться к солнечной радиации. Для равномерного загара советуют сперва выходить на солнце ненадолго, постепенно увеличивая время.
В северных и южных широтах есть свои особенности. Например, обитателям тропиков необходимо защищаться от излишнего воздействия УФИ. А те, кто живут, например, в Санкт-Петербурге, могут не опасаться солнечных лучей в период с середины октября до середины марта. В это время излучение, способное вызвать загар, не достигает поверхности Земли.
Для южного загара характерна более интенсивная выработка меланина, так как активность УФ-излучения выше. В северных широтах меланин тоже вырабатывается, но медленнее. Его опережает процесс ороговения верхних клеток кожи. А на юге всё наоборот. Поэтому северный загар намного дольше держится, но и оттенок у него не бронзовый, а сероватый.
Интересный факт: загар, полученный в умеренных широтах, считается более полезным, стойким. Здесь действуют ультрафиолетовые лучи мягкого типа, которые не вызывают болезненные формы эритемы.
Опасность загара в дневное время
фото: tirachard/freepik.com
Солнечные ванны в дневное время намного опаснее, чем может показаться. Первая и самая очевидная причина — качество загара. В пик солнечной активности велика возможность обгореть. Кожа покраснеет и облезет, такой загар будет недолговечным. Солнечные ожоги очень вредны для кожи. Кожа быстрее стареет, могут возникнуть пигментные пятна, повышается риск возникновения онкологии.
В какое время суток лучше загорать на солнце
Загар появляется в результате воздействия на кожу ультрафиолетовых лучей. В небольших дозах ультрафиолет полезен для человека — он участвует в образовании витамина D и эндорфинов, гормонов радости. Но когда его слишком много, начинаются проблемы.
Как же понять, когда кожа получает достаточно лучей, а когда — слишком много? Дело в том, что в течение дня солнце посылает на нашу планету разное количество ультрафиолета. Больше всего лучей поступает на Землю днём, когда солнце находится в зените. В эти часы загорать не стоит, так как организм может получить слишком много ультрафиолета.
фото: tirachard/freepik.com
Выделяют две периода для безопасного загара — до 11 часов и после 16. Именно в это время выделяется допустимая доза ультрафиолетового излучения. Конечно, если загорать только утром и вечером, то кожа обретёт красивый цвет не сразу, зато шоколадный оттенок сохранится надолго.
Хотя утренние и вечерние часы являются безопасными, это не значит, что можно валяться на пляже всё время. Загорать можно не больше 2 часов в день. Но идти к этому нужно постепенно. В первый день полежите на солнце не более 20 минут, потом это время можно увеличивать примерно на 10 минут ежедневно.
Не стоит забывать и о температуре. Если она превышает 25 °C, то загар даже в утренние и вечерние часы не будет безопасным — есть риск теплового удара. Находясь в местах с очень жарким климатом, проводите под солнцем не более 5 минут в день.
Если вы отдыхаете у моря, особенно важно соблюдать осторожность. Прохладный бриз от воды может скрыть то, насколько высока температура воздуха, поэтому следите за тем, в какое время вы загораете и сколько минут лежите под солнцем.
Наличие облаков тоже не делает загар безопасным. Дело в том, что ультрафиолетовые лучи не задерживаются в облаках, а спокойно проходят сквозь них. Вы не чувствуете жара, из-за чего может возникнуть иллюзия того, что загорать безопасно. На самом деле это не так. Независимо от погодных условий принимайте солнечные ванны до 11 или после 16 часов.
Загорать днём, когда солнце активно, не только неэффективно, но и опасно. Чтобы получить красивый загар и не навредить здоровью, следуйте правилам, находитесь под солнцем только в подходящее время.
Шелушение кожи
фото: freepik.com
Если кожа повреждена из-за чрезмерного пребывания на солнце, то повреждается сразу большое количество клеток кожи, происходит отслоение наружного слоя эпидермиса («слезает кожа»). При длительном воздействии ультрафиолета, верхний слой получает микроожог, после чего отмирает и отторгается. Этот происходит для того, чтобы защитить от солнечных лучей более глубокие слои кожи — это вообще одна из важнейших физиологических защитных функций кожи от ультрафиолетового излучения.
Процесс шелушения кожи после загара говорит только об одном — вы получили солнечный ожог, ускорив в несколько раз естественный механизм старения и отмирания старых клеток кожного покрова.
Погибшие клетки эпидермиса начинают интенсивно отслаиваться, отторгаясь организмом, при этом происходит обновление кожного покрова. Постоянное обновление омертвевших клеток кожи на живые — явление нормальное. Однако происходить такое обновление должно незаметно и постепенно. Если же появляются струпья, то это говорит о нарушении правил безопасного загара. При этом нельзя обдирать кожу или использовать различные виды скрабирования, что может привести к неприятным последствиям для кожи. Если усиленно помогать коже отшелушиваться, есть риск зацепить место соединения мёртвого слоя эпидермиса с живым. Иными словами, потянув за слой мёртвой кожи, вы рискуете буквально отодрать некоторый участок живого кожного покрова! А там образуется повреждение на коже, через которое в организм может попасть инфекция. В результате этого может начаться нагноение.
Также не стоит расчёсывать кожу. Дело в том, что образующийся на теле свежий слой кожи (взамен шелушащейся) ещё не очень прочен. Его можно легко повредить ногтями, что грозит присоединением вторичной инфекции.
фото на обложке: solominphoto/freepik.com
Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов
Солнечный спектр
Перед вами — видимая часть солнечного спектра в интервале от 4000 до 7000 Å (ангстрем — это внесистемная единица длины, равная 10 −10 м, то есть 10 Å=1 нм). Изображение создано на основе данных цифрового атласа, полученных при помощи фурье-спектрографа обсерватории McMath-Pierce Solar Observatory, расположенной в пустыне Сонора (штат Аризона, США). Эта обсерватория является частью комплекса Национальной обсерватории Китт-Пик (Kitt Peak National Observatory).
Это сплошная, непрерывная лента перехода от красного до фиолетового, разбитая на 50 полос по 60 ангстрем. Лента испещрена вертикальными фраунгоферовыми линиями — темными перерывами в радуге солнечного спектра, разделяющими ленту на отдельные «кирпичики». Наличие этих линий объясняется присутствием в атмосфере Солнца элементов, атомы которых поглощают свет на определенных частотах. Поэтому в местах спектра, соответствующих этим частотам, образуются темные провалы.
При взгляде на Солнце невооруженным глазом мы видим его ярким желтым или белым раскаленным диском. Но еще Исаак Ньютон, разложив солнечный свет в спектр при помощи стеклянной призмы, показал, что в нем присутствуют, плавно переходя друг в друга, все видимые нами цвета от красного до фиолетового. На самом деле диапазон солнечного излучения, конечно, гораздо шире. Видимый нами свет — это узкая часть электромагнитного спектра, простирающегося от гамма-излучения до многокилометровых радиоволн (подробнее можно посмотреть на нашем интерактивном плакате).
На этой схеме хорошо видно, сколь малый фрагмент из всего многообразия электромагнитных волн способен увидеть человек. Видимый свет заключен между ультрафиолетовым и инфракрасным участками электромагнитного спектра. Вверху указана частота в герцах, то есть в колебаниях в секунду. Например, частота 10 10 Гц, соответствующая микроволновому диапазону, означает, что волна за одну секунду успевает сделать 10 миллиардов колебаний. Внизу серой ленты подписаны длины волн в метрах. То есть тому же микроволновому диапазону соответствуют сантиметровые волны. Поскольку скорость света в вакууме постоянна, длина волны и ее частота связаны: их произведение всегда дает скорость света. В самом деле, свет за секунду проходит 300 000 000 м, а волна делает 10 миллиардов колебаний, значит, за время одного колебания она успевает пройти 0,03 метра, или 3 сантиметра, что соответствует диапазону сантиметровых волн. Изображение с сайта ru.wikipedia.org
Солнце светит, не ограничивая себя узкой полосой видимого света: внеатмосферные наблюдения зафиксировали излучение в диапазоне от 0,001 Å до 1 км (атмосфера поглощает часть солнечного излучения). Излучает Солнце и в рентгене, и в инфракрасной области, и в ультрафиолете, и даже в области радиоволн.
График зависимости мощности солнечного излучения (в ваттах на квадратный метр) от длины волны. Внешний, полупрозрачный контур, демонстрирует спектр солнечного излучения в космосе, за пределами земной атмосферы. Он уходит, постепенно снижая интенсивность, далеко вправо — до значений в миллионы нм. В этом диапазоне сконцентрирована практически вся излучаемая Солнцем энергия. Далее, до радиоволн километровой длины, о которых говорилось выше, интенсивность резко снижается. Внутренний контур — это спектр на уровне моря, с учетом поглощения части излучения атмосферой. Радужная вертикальная полоса соответствует видимому свету. Изображение с сайта fondriest.com
Солнечный спектр, как видно на главном фото, сплошной, но перекрывается темными провалами линий поглощения. Что это значит? Любое вещество, как мы знаем со времен Демокрита, состоит из атомов. Сами же атомы, чего не знал Демокрит, состоят из ядра и электронов и имеют свои энергетические уровни — фиксированные значения энергии, которыми могут обладать электроны, находящиеся вокруг ядра. Переход электрона с уровня на уровень сопровождается испусканием (или поглощением) энергии в виде света.
Рассмотрим этот процесс на примере атома водорода. Переходы могут происходить и со второго уровня на первый, и с пятого на третий. Все возможные переходы с вышележащих уровней на какой-то один называются спектральной серией. Так, переходы на первый уровень — это серия Лаймана, на второй — серия Бальмера и так далее. При этих переходах излучаются кванты света (фотоны) определенной частоты и длины волны.
Спектральные серии водорода. На схеме подписаны значения длин волн, соответствующие фотону, излучаемому при переходах между уровнями (n). Например, в серии Бальмера при переходе с шестого уровня на второй будет излучен фотон с длиной волны 410 нм. Изображение с сайта ru.wikipedia.org
Фотоны в видимом диапазоне излучаются только при переходах с верхних уровней на второй уровень. Все переходы на первый уровень (серия Лаймана) лежат в ультрафиолетовой области, на третий и выше — в инфракрасной. Чем больше энергия фотона, тем больше его частота и тем, соответственно, меньше длина волны. Переход с третьего уровня на второй излучает меньше всего энергии, так как разница между столь близкими уровнями невелика. Поэтому фотон получается самый низкоэнергетичный для этой серии и с самой большой длиной волны — 6565 Å (или 656,5 нм). Он дает красную полосу в спектре водорода (поскольку 6565 Å — это длина волны красного цвета). «Падения» с более высоких уровней будут давать фотоны со всё большим смещением в фиолетовую часть спектра.
Электроны, находящиеся внутри атома, «спрыгивают» с вышележащих уровней на второй, излучая разницу энергии в виде фотона определенной частоты. Белыми стрелками изображены переходы с третьего, четвертого, пятого и шестого уровней. Внизу изображен получающийся спектр атома водорода, под ним указана длина волны (в ангстремах). Нижнее изображение — с сайта grotrian.nsu.ru
Спектры излучения атомов имеют, таким образом, четкие раздельные светящиеся линии, частота которых соответствует частотам излученных фотонов. Такой спектр называется линейчатым. В 1859 году физик Густав Кирхгоф и химик Роберт Бунзен показали, что спектрам излучения атомов различных веществ соответствуют различные наборы линий в спектрах. Иными словами, линейчатый спектр каждого элемента уникален, как отпечаток пальца, и по этому отпечатку его можно идентифицировать. Так появился спектральный анализ.
Благодаря этим уникальным портретам атомов стало возможным выявить присутствие вещества в любом теле, смеси жидкостей или газов, спектр которого мы получили и можем рассмотреть. Но чтобы обладать линейчатым спектром, вещество должно состоять из таких отдельных атомов, то есть быть разреженным атомарным газом. Например, в хромосфере (части атмосферы) Солнца присутствует в виде очень разреженного газа ионизированный кальций.
Видимый линейчатый спектр излучения кальция. Изображение с сайта grotrian.nsu.ru
Если же вещество состоит из молекул, а не из отдельных атомов, его спектры становятся более «размазанными», состоящими из широких полос. В молекулах из-за взаимодействия атомов появляются новые энергетические уровни с близкими значениями энергий, и картина от них выглядит как широкие полосы. В том же случае, когда вещество находится в твердом или жидком состоянии или представляет собой газ, находящийся под высоким давлением, его молекулы постоянно взаимодействуют и порождают уже не уровни, а целые энергетические зоны, переходы между которыми и внутри которых дают сплошной спектр излучения.
Виды спектров излучения: а) линейчатый, атомный: состоит из отдельных узких линий. b) молекулярный: полосы молекулярного газа состоят из множества узких полос, таких же, как у линейчатых спектров, просто они расположены очень плотно друг к другу. с) сплошной: излучение происходит на всех частотах
Вот такой же сплошной спектр и у Солнца. Сплошным спектром обладают плотные, жидкие или твердые тела, притом тела горячие, нагретые достаточно, чтобы тепловое взаимодействие их молекул создавало множественные энергетические зоны. Для описания такого теплового излучения физики (а именно, всё тот же Густав Кирхгофф) ввели понятие абсолютно черного тела (АЧТ) — некоего абстрактного идеального объекта, который всю полученную энергию возвращает только в виде теплового излучения. Абсолютно черное тело не отражает ничего из падающего на него излучения — ни единого кванта ни в каком диапазоне. Всё, что попадает на него, идет на увеличение его внутренней энергии. Нагреваясь, АЧТ начинает излучать само, давая тот самый сплошной спектр нагретых тел. Цветовая температура, указываемая на некоторых осветительных приборах, например на лампах (6000 К — «холодный белый свет» и т. д.), — это как раз температура АЧТ, при которой оно излучает свет того же цвета (тона), что и маркируемый прибор (К, кельвин — температурная шкала, предложенная лордом Кельвином, начало которой совпадает с абсолютным нулем, а шаг равен градусу по шкале Цельсия).
В 2014 году был создан искусственный материал из углеродных нанотрубок, больше всего приближающийся по своим свойствам к гипотетическому АЧТ, — vantablack. В видимом диапазоне он поглощает 99,965% падающего на него света (см. картинку дня Самый черный материал). В прошлом году был создан еще более черный материал с коэффициентом поглощения 99,995%, что в 10 раз чернее vantablack.
Наше Солнце по своему спектру очень близко к излучению АЧТ, нагретого до температуры 6000 К. Однако природа его излучения совсем другая, чем у твердого нагретого тела. Ответственность за изображение Солнца, каким мы его видим, несет фотосфера — часть атмосферы Солнца, где и формируется непрерывный спектр солнечного излучения. Это небольшой слой глубиной порядка 300–400 км. Фотосфера представляет собой вовсе не твердое тело — это газ, раскаленный и очень сильно разреженный (плотность фотосферы равна в среднем 10 −9 г/см 3 — одна миллиардная грамма на кубический сантиметр, в миллион раз меньше плотности воздуха). Газ этот состоит из водорода (74%), гелия (25%), а также кислорода и находящихся в газообразном состоянии прочих элементов (железа, углерода, магния, серы и других), на долю которых приходится примерно 1% от общей массы. Тем не менее спектр его излучения вовсе не линейчатый.
Спектр излучения Солнца и спектр абсолютно черного тела. Сплошными линиями показаны наблюдаемые данные, штрихованными — спектр АЧТ при указанной температуре. В области видимого и инфракрасного излучения экспериментальные данные хорошо согласуются с линией АЧТ при температуре 6000 К (в длинноволновой области температура равна 10 4 К и 10 5 К). Изображение с сайта astronet.ru
В фотосфере присутствуют металлы, которые очень легко ионизируются то есть теряют электроны с внешних оболочек, слабо связанных с ядром. Температуры фотосферы недостаточно, чтобы ионизировать гелий или водород, а вот электроны металлов, «разогреваясь», получают достаточно энергии, чтобы покинуть атом металла и отправиться в свободный полет. Врезаясь в атомы водорода, они «остаются там жить», порождая очень любопытное явление — отрицательные ионы водорода (см. Hydrogen anion). «Вселяясь» на свободные энергетические уровни, электроны испускают разницу между своей прежней энергией и энергией своего новообретенного уровня в атоме водорода в виде кванта света.
Этот процесс подобен описанному выше излучению при переходах между уровнями, однако, поскольку электрон прилетает извне и может обладать абсолютно любой энергией, а не только строго равной энергии вышележащих слоев, излучение происходит не в узких линейчатых диапазонах, соответствующих разностям значений энергии перехода, а в любом диапазоне. Иными словами, если переходы внутри того же атома водорода дают, как мы видели на изображении его спектра, набор излучений на одном и том же наборе частот, то излучение кванта от «приземлившегося» внешнего электрона может быть каким угодно и дать линию в любой части спектра.
Однако остается атом в этом состоянии недолго. По сотне миллионов раз в секунду он испускает фотоны, переводя электроны на более низкие энергетические уровни, сталкивается с новыми электронами, поглощает фотоны и так далее. Жизнь кипит: атом водорода постоянно излучает и поглощает фотоны, теряет электроны, сталкивается с новыми, снова излучает, но уже в другом месте спектра. Из-за обилия таких актов излучения, а также из-за огромного количества атомов все длины волн в спектре излучения оказываются занятыми. Фотосфера излучает во всем диапазоне, образуя таким образом сплошной спектр.
Как мы уже сказали, атом может не только излучать фотоны, но и поглощать. И кроме спектров излучения бывают и спектры поглощения, которые выглядят как темные провалы (полоски) в сплошном красивом спектре. Они возникают, когда те же самые атомы сами оказываются в потоке света. Тогда летящие фотоны возбуждают электроны и «закидывают их наверх», на высокоэнергетические уровни. Электроны держатся там недолго и снова спрыгивают вниз, однако переизлучают уже во всех возможных направлениях без разбору, из-за чего в направлении первоначального пучка света лучей именно с такой длиной волны отправится гораздо меньше, и в этом месте у спектра будет провал.
Спектр натрия. (а) — эмиссионный, или излучательный: две яркие полосы на фоне черного фона, 589,0 нм и 589,59 нм (так называемый «дублет натрия»); (b) — поглощательный (абсорбционный): те же две полосы на тех же точно частотах, но это уже черные полосы отсутствия света на фоне сплошного спектра. Изображение с сайта Висконсинского университета astro.wisc.edu
Именно такие провалы на главном изображении и делят непрерывные красочные полоски солнечного спектра на отдельные «кирпичики». Обнаружил их в 1802 году английский химик Уильям Воластон, правда не придав этому никакого значения. А вот немецкий физик Йозеф Фраунгофер придал и взялся в 1814 году за их изучение. Он описал более пятисот таких темных «провалов» в солнечном спектре, и они называются теперь фраунгоферовыми линиями.
Эти линии дают входящие в состав фотосферы элементы, причем любопытно, что большой вклад вносят те, чье присутствие весьма невелико, например те же металлы. Связано это с низкими потенциалами ионизации металлов: их внешним электронам, слабо связанным с ядром, для перехода на другой энергетический уровень и, соответственно, для поглощения кванта света нужно в несколько раз меньше энергии, чем водороду. Водороду же, чтобы поглощать в видимом спектре, необходимо иметь электрон не на основном уровне, а на втором. Как мы говорили, электроны, спускаясь с более высоких уровней на второй, испускают фотоны в видимом диапазоне. Это серия Бальмера. И наоборот, чтобы поглотить фотон в видимом спектре, атом должен иметь электрон на этом втором уровне, чтобы энергии фотона было достаточно ровно на «закидывание» электрона на один из «верхних рубежей». Но чтобы иметь электрон на «втором этаже», атому водорода необходимо быть возбужденным, чего в условиях фотосферы сложно достичь: слишком низка температура. Поэтому количество таких возбужденных и потому поглощающих водородных атомов крайне мало — относительно их общего числа, конечно же.
Таким образом, при температуре фотосферы водород остается нейтральным (за исключением описанных выше отрицательных ионов, но таким становится только один атом водорода на сто миллионов, и вклад они вносят в спектр излучения фотосферы, а не поглощения), а металлы и прочие элементы фотосферы ионизируются, поглощая для этого фотоны, и почти все их атомы участвуют в создании темных полос спектра поглощения (более подробный вывод см. в новости Сесилия Пейн — хозяйка звездной кухни в разделе «Солнце: кальций и водород», «Элементы», 27.05.2020).
Упрощенная версия главного изображения: линии поглощения в солнечном спектре. Каждая из этих темных полос соответствует какому-либо элементу. В центре видны линии дублета натрия. Справа — H-α — линия водорода, доминирующая в видимой части спектра (тот самый переход со второго энергетического уровня на третий с поглощением фотона с длиной волны 656 нм). Слева оставляют след атомы кальция, потерявшие один электрон (ионы Ca II); они излучают и поглощают свет на нескольких длинах волн, в частности, на 396,8 нм и 393,3 нм в фиолетовой области спектра. Это линии Ca-H и Ca-K (более сильные, то есть более интенсивные, линии обозначают буквами от A до K) однократно ионизированного кальция. Прочие черные линии соответствуют спектрам поглощения других элементов; установить, каким, можно по буквенным обозначениям, соответствующим фраунгоферовым линиям. Изображение с сайта ru.wikipedia.org
Со времен Фраунгофера, открывшего и описавшего свыше 500 линий поглощения, их число выросло более чем до 25 000 — это, конечно, уже во всем спектре, не только в видимой его части. По этим спектральным провалам можно делать выводы о строении и составе Солнца (так, например, был открыт гелий, в честь Солнца и названный).
Увеличенная часть главного изображения. Так выглядит знакомый нам дублет натрия. Длина волны (в ангстремах) подписана под спектральной лентой. Название элемента, которому принадлежит линия, — над ней. Рассмотреть весь спектр Солнца в подробностях, где каждая линия поглощения подписана, можно, скачав файл по ссылке
Изучение Солнца в различных электромагнитных диапазонах позволяет делать выводы о его активности и происходящих там процессах; собственно, это основной способ получения информации о преобразованиях энергии, происходящих в нашей звезде. Например, в ультрафиолете получены картины движения плазмы, сопровождающие пересоединение магнитных линий в атмосфере — основного кандидата на объяснение повышенной температуры солнечной короны (см. задачу «Магнитное пересоединение»).
Слева — кадр из видеосъемки Солнца в рентгеновском диапазоне, сделанной японским спутником Hinode в январе 2012 года. Сама поверхность Солнца в рентгене почти не излучает, поэтому выглядит на снимке как черная сфера. Рентгеновское излучение дает солнечная корона, разогретая до миллионов градусов (красный «туман»), и солнечные вспышки (небольшие яркие пятна). Справа — изображение в ультрафиолете на длине волны 171 Å, полученное Обсерваторией солнечной динамики также в 2012 году. Яркими выглядят активные области — вспышки и петли плазмы вдоль линий магнитных полей. Фото с сайта nasaviz.gsfc.nasa.gov. Оба кадра изначально монохромны и раскрашены. Считается, что человеческий глаз лучше воспринимает контраст между различно окрашенными объектами
Линии поглощения помогают получать информацию о солнечной структуре из разных слоев. С высотой меняются физические характеристики солнечной атмосферы и, соответственно, состояние элементов, что сказывается на их спектрах. Линии поглощения позволяют рассматривать Солнце без ослепляющей засветки фотосферы — для этого нужно использовать светофильтр, имеющий узкую полосу пропускания именно на частоте линии поглощения. Так рассматривают свет, идущий от хромосферы, обычно невидимой в ярком свете фотосферного слоя.