Излучение нашей звезды. Влияние солнечного излучения на человека

Что, если собрать все видимое излучение Солнца в луч типа лазерного диаметром в метр и направить его на Землю?

Макс Шефер

Вот что описал Макс:

Оказавшись на пути луча, вы, разумеется, быстро умрете. И даже не «от чего-то», как обычно бывает, - вы просто превратитесь из биологического явления в физическое.

Когда луч света достигнет атмосферы, он за доли секунды нагреет воздух в точке попадания до миллионов градусов[ 1 ] . ↲ По Фаренгейту, Цельсию, Ранкину или Кельвину - совершенно не важно. ↳ Этот воздух превратится в плазму и станет рассеивать тепло во всех направлениях в виде рентгеновских лучей. Они будут нагревать окружающий воздух, превращая и его в плазму, которая будет излучать инфракрасный свет. Это как взрыв водородной бомбы, но куда интенсивнее.

Это излучение испарит все вокруг, превратит ближайшую область атмосферы в плазму и примется пожирать поверхность Земли.

Что, если вы окажетесь на другой стороне планеты? Вам все равно не выжить - при таком раскладе Земля обречена. Но от чего именно вы умрете?

Размера Земли хватит, чтобы защитить людей на обратной стороне от луча Макса, хоть и ненадолго. Сейсмические волны от разрушений тоже не сразу пройдут планету насквозь. Но вас все равно убьют не они. Земля - не идеальный щит.

Вас погубят сумерки.

Ночью темно [ ] , потому что Солнце светит на другую сторону планеты [ ] . Но темнота ночного неба не всегда абсолютна . Перед рассветом и после заката видно свечение, потому что атмосфера искривляет свет скрывшегося Солнца.

Если наш луч поразит Землю, в атмосферу вырвется спектр излучений от рентгеновского до теплового, так что стоит разобраться в том, как разные виды света взаимодействуют с воздухом.

Говоря об обычном свете, вы, возможно, слышали о рэлеевском рассеянии как ответе на вопрос «почему небо голубое?». Объяснение в целом верное, но ответ «потому что воздух голубой», пожалуй, даже лучше. Конечно, он голубой по множеству физических причин, но все обладает цветом по множеству физических причин[ 2 ] . ↲ На вопрос «почему Статуя Свободы зеленая?» мы ответим что-то вроде «статуя покрыта медью и когда-то была медного цвета, но со временем из-за окисления образовался слой карбоната меди, а он зеленый». Мы не станем говорить «статую делает зеленой рассеивание и поглощение света определенных частот молекулами поверхности».

Когда воздух нагревается, электроны теряют связь с ядрами атомов - получается плазма. Сквозь нее проходит поток радиации от луча, так что надо узнать, насколько эта плазма прозрачна для различных видов излучений. Здесь я хочу вспомнить статью Харриса Л. Мейера от 1964 года Расчеты прозрачности. Прошлое и будущее , ее вводный абзац - лучший среди всех работ по физике, что я видел:

Предпосылки к этой работе появились несколько миллиардов лет назад. Как только звезды начали формироваться, прозрачность стала одним из базовых параметров, определяющих структуру физического мира, в котором мы живем. А в последнее время, с развитием ядерного оружия, работающего при внутризвездных температурах, прозрачность становится также одним из базовых параметров, определяющих процессы, от которых мы все можем умереть.

Плазма лучше воздуха пропускает рентгеновские лучи. Они пройдут ее насквозь и нагреют благодаря эффекту Комптона и рождению пар . Но лучи быстро остановятся, как только соприкоснутся с неплазменным воздухом снаружи. Вот только плазменная сфера будет постоянно расширяться благодаря рентгеновским лучам от сверхнагретого воздуха вокруг луча. Новая плазма по краям добавит инфракрасного излучения в раскаляющий все на своем пути поток.

Кольцо тепла и света разнесется по планете, нагревая воздух и землю. С разогревом воздуха плазма и излучение будут все дальше распространяться за горизонт. Кроме того, часть атмосферы будет выбита лучом в космос и оттуда станет отражать свет обратно на планету.

Точная скорость, с которой радиация обогнет Землю, зависит от различных характеристик атмосферного рассеяния, но она неважна, если все это время Луна будет в четверти.

Когда устройство Макса включится, Луны не станет видно - освещающий ее солнечный свет будет собран в луче. После того как он коснется атмосферы, выглянет четверть Луны.

Когда луч из устройства Макса коснется атмосферы Земли, свет от точки контакта осветит Луну. В зависимости от позиции спутника и вашего расположения на поверхности планеты, один только отраженный лунный свет может запросто испепелить вас…

…а сумерки, окутав планету, принесут с собой последний закат[ 3 ] . ↲ Этой картинкой удобно досаждать определенным группам людей:

От полного уничтожения Землю могла бы спасти одна тонкость. Способен ли механизм Макса держать на мушке движущуюся цель? Если нет, планета уберется из-под удара всего за три минуты. Люди, правда, все равно изжарятся, атмосферы и поверхности станет заметно меньше, но основная масса Земли обугленной глыбой продолжит свой путь по орбите.

Нашему солнечному лучу смерти откроется дальний космос. Если годы спустя он достигнет другой планетной системы, то будет уже слишком рассеянным и не сможет ничего испепелить, но его яркости наверняка хватит, чтобы разогреть поверхности местных планет.

Может, сценарий Макса и обрек Землю на уничтожение, но - если это кого-то утешит - мы не обязательно умрем в одиночестве.

Кандидат физико-математических наук Е. ЛОЗОВСКАЯ.

С наступлением теплых летних дней нас так и тянет погреться на солнышке. Солнечный свет улучшает настроение, стимулирует образование в коже жизненно необходимого витамина D, но в то же время, к сожалению, способствует появлению морщин и увеличивает риск развития рака кожи. Значительная часть как полезных, так и вредных эффектов связана с той частью солнечного излучения, которая невидима для человеческого глаза, - ультрафиолетом.

Спектр электромагнитного излучения и спектр солнца. Граница между ультрафиолетом В и С соответствует пропусканию земной атмосферы.

Ультрафиолет вызывает различные повреждения молекул ДНК в живых организмах.

Интенсивность ультрафиолета B зависит от широты и времени года.

Одежда из хлопка служит хорошей защитой от ультрафиолета.

Солнце служит главным источником энергии для нашей планеты, а поступает эта энергия в виде излучения - инфракрасного, видимого и ультрафиолетового. Ультрафиолетовая область расположена за коротковолновой границей видимого спектра. Когда речь идет о влиянии на живые организмы, в ультрафиолетовом спектре солнца обычно выделяют три области: ультрафиолет А (УФ-А; 320-400 нанометров), ультрафиолет В (УФ-В; 290-320 нм) и ультрафиолет С (УФ-С; 200-290 нм). Деление это достаточно произвольно: граница между УФ-В и УФ-С выбрана из тех соображений, что свет с длиной волны менее 290 нм не достигает поверхности Земли, поскольку земная атмосфера, благодаря кислороду и озону, выполняет роль эффективного природного светофильтра. Граница между УФ-В и УФ-А основана на том, что излучение короче 320 нм вызывает гораздо более сильную эритему (покраснение кожи), чем свет в диапазоне 320-400 нм.

Спектральный состав солнечного света во многом зависит от времени года, погоды, географической широты и высоты над уровнем моря. Например, чем дальше от экватора, тем сильнее коротковолновая граница сдвигается в сторону длинных волн, поскольку в этом случае свет падает на поверхность под косым углом и проходит большее расстояние в атмосфере, а значит, сильнее поглощается. На положение коротковолновой границы влияет и толщина озонового слоя, поэтому под "озоновыми дырами" на поверхность Земли попадает больше ультрафиолета.

В полдень интенсивность излучения на длине волны 300 нм в 10 раз выше, чем за три часа до этого или три часа спустя. Облака рассеивают ультрафиолет, но только темные тучи способны блокировать его полностью. Ультрафиолетовые лучи хорошо отражаются от песка (до 25%) и снега (до 80%), хуже от воды (менее 7%). Поток ультрафиолета возрастает с высотой, приблизительно на 6% с каждым километром. Соответственно в местах, расположенных ниже уровня моря (например, у берегов Мертвого моря), интенсивность излучения меньше.

ЖИЗНЬ ПОД СОЛНЦЕМ

Без света жизнь на Земле не могла бы существовать. Растения используют солнечную энергию, запасают ее с помощью фотосинтеза и обеспечивают энергией через пищу всех остальные живые существа. Человеку и другим животным свет обеспечивает возможность видеть окружающий мир, регулирует биологические ритмы организма.

Эту жизнерадостную картину немного осложняет ультрафиолет, поскольку его энергии достаточно, чтобы вызвать серьезные повреждения ДНК. Ученые насчитывают более двух десятков различных болезней, которые возникают или усугубляются под действием солнечного света, среди них пигментная ксеродерма, плоскоклеточный рак кожи, базалиома, меланома, катаракта.

Конечно, в процессе эволюции наш организм выработал механизмы защиты от ультрафиолета. Первый барьер, который преграждает потенциально опасному излучению доступ в организм, - кожа. Практически весь ультрафиолет поглощается в эпидермисе, наружном слое кожи толщиной 0,07-0,12 мм. Чувствительность к свету во многом определяется наследственной способностью организма производить меланин, темный пигмент, который поглощает свет в эпидермисе и тем самым защищает более глубокие слои кожи от фотоповреждений. Меланин вырабатывают особые клетки кожи - меланоциты. Ультрафиолетовое облучение стимулирует выработку меланина. Наиболее интенсивно этот биологический пигмент образуется при облучении светом УФ-В диапазона. Правда, эффект проявляется не сразу, а спустя 2-3 дня после пребывания на солнце, зато сохраняется в течение 2-3 недель. При этом ускоряется деление меланоцитов, возрастает число меланосом (гранул, содержащих меланин), увеличивается их размер. Свет УФ-А диапазона тоже способен вызывать загар, но более слабый и менее стойкий, поскольку число меланосом не увеличивается, а происходит лишь фотохимическое окисление предшественника меланина в меланин.

По восприимчивости к солнечным лучам выделяют шесть типов кожи. Кожа типа I очень светлая, она легко обгорает и совсем не покрывается загаром. Кожа типа II легко обгорает и покрывается слабым загаром. Кожа типа III быстро покрывается загаром и обгорает в меньшей степени. Кожа типа IV еще более устойчива к солнечным лучам. Кожа типов V и VI темная от природы (например, у коренных жителей Австралии и Африки) и почти не подвержена повреждающему действию солнца. У представителей негроидной расы риск развития немеланомного рака кожи ниже в 100 раз, а меланомы - в 10 раз по сравнению с европейцами.

Наиболее уязвимы к действию ультрафиолета люди с очень светлой кожей. У них даже кратковременное пребывание на ярком солнце вызывает эритему - покраснение кожи. За возникновение эритемы отвечает в основном УФ-В излучение. В качестве меры действия ультрафиолета на организм часто используют такое понятие, как минимальная эритемная доза (МЭД), то есть такая, при которой глазом заметно слабое покраснение. На самом деле величина МЭД различна не только у разных людей, но и у одного человека на разных участках тела. Например, для кожи живота белого незагорелого человека величина МЭД составляет около 200 Дж/м 2 , а на ногах - в три с лишним раза выше. Эритема обычно возникает через несколько часов после облучения. В тяжелых случаях развивается настоящий солнечный ожог с волдырями.

Какие вещества в эпидермисе кроме меланина поглощают ультрафиолет? Нуклеиновые кислоты, аминокислоты триптофан и тирозин, уроканиновая кислота. Наиболее опасны для организма повреждения нуклеиновых кислот. Под действием света в диапазоне УФ-В образуются димеры за счет ковалентных связей между соседними пиримидиновыми (цитозином или тимином) основаниями. Поскольку пиримидиновые димеры не вписываются в двойную спираль, эта часть ДНК теряет способность к выполнению своих функций. Если повреждения небольшие, специальные ферменты вырезают дефектный участок (и это еще один довольно эффективный механизм защиты). Однако, если ущерб больше, чем способность клетки к ремонту, клетка гибнет. Внешне это проявляется в том, что обожженная кожа "слезает". Повреждение ДНК может приводить к мутациям и как следствие - к раковым заболеваниям. Происходят и другие повреждения молекул, например образуются сшивки ДНК с белками. Кстати, видимый свет способствует залечиванию повреждений нуклеиновых кислот (это явление называется фотореактивацией). Предотвращать опасные последствия фотохимических реакций помогают антиоксиданты, содержащиеся в организме.

Еще одно следствие ультрафиолетового облучения - подавление иммунитета. Возможно, такая реакция организма призвана ослабить воспаление, вызванное солнечным ожогом, однако при этом снижается устойчивость к инфекциям. Сигналом для подавления иммунитета служат фотохимические реакции уроканиновой кислоты и ДНК.

МОДА НА ЗАГАР - СИМВОЛ ИНДУСТРИАЛЬНОГО ОБЩЕСТВА

Долгое время белая кожа считалась отличительной чертой знатных и богатых: сразу было видно, что ее обладателям не приходится с утра до ночи работать в поле. Но в ХХ веке все изменилось, бедные слои населения теперь проводили целые дни на заводах и фабриках, а богатые могли позволить себе отдыхать на свежем воздухе, у моря, демонстрируя красивый золотистый загар. После Второй мировой войны мода на загар приобрела массовый характер; загорелая кожа стала считаться признаком не только достатка, но и отменного здоровья. Разрослась туристическая индустрия, предлагающая отдых у моря в любое время года. Но прошло некоторое время, и врачи забили тревогу: оказалось, у любителей загара частота рака кожи возросла в несколько раз. И в качестве спасительного средства было предложено всем без исключения пользоваться солнцезащитными кремами и лосьонами, в состав которых входят вещества, отражающие или поглощающие ультрафиолет.

Известно, что еще во времена Колумба индейцы имели обыкновение раскрашивать себя красной краской, чтобы защититься от солнца. Возможно, древние греки и римляне использовали для этих целей смесь песка с растительным маслом, поскольку песок отражал солнечные лучи. Применение химических солнцезащитных средств началось в 1920-х годах, когда в качестве солнцезащитного средства была запатентована парааминобензойная кислота (ПАБК). Однако она растворялась в воде, так что защитный эффект исчезал после купания, и к тому же раздражала кожу. В 1970-е годы на смену ПАБК пришли ее эфиры, почти нерастворимые в воде и не вызывающие сильного раздражения. Настоящий бум в области солнцезащитной косметики начался в 1980-е годы. Поглощающие ультрафиолет вещества (в косметологии за ними закрепилось название "УФ-фильтры") стали добавлять не только в специальные "пляжные" кремы, но и почти во все косметические продукты, предназначенные для использования в дневное время: крем, жидкую пудру, губную помаду.

По принципу действия УФ-фильтры можно разделить на две группы: отражающие свет ("физические") и поглощающие ("химические"). К отражающим средствам относятся разного рода минеральные пигменты, прежде всего диоксид титана, оксид цинка, силикат магния. Принцип их действия прост: они рассеивают ультрафиолет, не давая ему проникнуть в кожу. Окись цинка захватывает область длин волн от 290 до 380 нм, остальные - несколько меньше. Основной недостаток отражающих средств тот, что они представляют собой порошок, непрозрачны и придают коже белый цвет.

Естественно, что производителей косметики больше привлекали прозрачные и хорошо растворимые "химические" УФ-фильтры (известные в фотохимии как УФ-абсорберы). К ним относятся уже упоминавшаяся ПАБК и ее эфиры (сейчас их почти не используют, так как появились сведения, что они разлагаются с образованием мутагенов), салицилаты, производные коричной кислоты (циннаматы), антраниловые эфиры, оксибензофеноны. Принцип действия УФ-абсорбера заключается в том, что, поглотив квант ультрафиолета, его молекула изменяет свою внутреннюю структуру и преобразует энергию света в тепло. Наиболее эффективные и светостойкие УФ-абсорберы работают по внутримолекулярному циклу переноса протона.

Большинство УФ-абсорберов поглощают свет только в УФ-В области. Обычно солнцезащитные средства содержат не один УФ-фильтр, а несколько, как физических, так и химических. Общее содержание УФ-фильтров может превышать 15 процентов.

Для характеристики защитной эффективности кремов, лосьонов и прочей косметической продукции стали использовать так называемый солнцезащитный фактор (по-английски "sun protection factor", или SPF). Идея солнцезащитного фактора была впервые предложена в 1962 году австрийским ученым Францем Грайтером и принята представителями косметической и фармацевтической промышленности. Солнцезащитный фактор определяется как отношение минимальной дозы ультрафиолета, необходимой для возникновения эритемы при действии на защищенную кожу, к дозе, вызывающей такой же эффект при незащищенной коже. Получила широкое распространение популярная интерпретация: если без защиты вы обгораете за 20 минут, то, намазав кожу кремом с защитным фактором, скажем, 15, получите солнечный ожог только пробыв на солнце в 15 раз дольше, то есть через 5 часов.

ОБМАНЧИВОЕ ЧУВСТВО ЗАЩИТЫ

Казалось бы, решение проблемы ультрафиолета найдено. Но на деле все не так просто. В научной литературе стали появляться сообщения, что у людей, которые постоянно пользуются солнцезащитными препаратами, частота возникновения таких разновидностей рака кожи, как меланома и базалиома, не только не снизилась, но и возросла. Было предложено несколько объяснений этого обескураживающего факта.

Первым делом ученые предположили, что потребители неправильно пользуются солнцезащитными средствами. При тестировании кремов принято наносить на кожу 2 мг крема на 1 см 2 . Но, как показали исследования, люди часто наносят более тонкий слой, в 2-4 раза меньше, соответственно уменьшается и фактор защиты. Кроме того, кремы и лосьоны частично смываются водой, например во время купания.

Нашлось и другое объяснение. Как уже отмечалось, большинство химических УФ-абсорберов (а именно они наиболее широко используются в косметике) поглощают свет только в УФ-В области, предотвращая развитие солнечного ожога. Но, по некоторым данным, меланома возникает под действием УФ-А излучения. Не пропуская УФ-В излучение, солнцезащитные средства блокируют природный предупреждающий сигнал - покраснение кожи, замедляют образование защитного загара, и в результате человек получает избыточную дозу в области УФ-А, которая как раз и может спровоцировать рак.

Результаты опросов показывают, что те, кто пользуется кремами с более высоким фактором защиты, проводят на солнце больше времени, а значит, неосознанно подвергают себя большему риску.

Нельзя забывать и о том, что смесь химических веществ, которые входят в состав защитных кремов, при длительном воздействии ультрафиолета может стать источником свободных радикалов - инициаторов окисления биомолекул. Некоторые из УФ-фильтров потенциально токсичны либо вызывают аллергию.

"СОЛНЕЧНЫЙ" ВИТАМИН

Настало время вспомнить о том, что поми-мо многочисленных негативных эффектов ультрафиолета есть и позитивные. И самый яркий пример - фотосинтез витамина D 3 .

В эпидермисе содержится довольно много 7-дигидрохолестерола, предшественника витамина D 3 . Облучение светом УФ-В диапазона запускает цепочку реакций, в результате которых и получается холекальциферол (витамин D 3), пока еще не активный. Это вещество связывается с одним из белков крови и переносится в почки. Там оно превращается в активную форму витамина D 3 - 1, 25-дигидроксихолекальциферол. Витамин D 3 необходим для всасывания кальция в тонком кишечнике, нормального фосфорно-кальциевого обмена и образования костей, при его недостатке у детей развивается тяжелое заболевание - рахит.

После облучения всего тела в дозе 1 МЭД концентрация витамина D 3 в крови возрастает в 10 раз и возвращается к прежнему уровню через неделю. Применение солнцезащитных средств подавляет синтез витамина D 3 в коже. Дозы, необходимые для его синтеза, невелики. Считается достаточным ежедневно проводить на солнце примерно по 15 минут, подставляя солнечным лучам лицо и руки. Суммарная годовая доза, необходимая для поддержания уровня витамина D 3 , составляет 55 МЭД.

Хронический дефицит витамина D 3 приводит к ослаблению костной ткани. К группе риска относятся темнокожие дети, живущие в северных странах, и пожилые люди, которые мало бывают на свежем воздухе. Некоторые исследователи считают, что увеличение частоты заболеваемости раком при использовании солнцезащитных средств связано именно с блокировкой синтеза витамина D 3 . Не исключено, что его дефицит приводит к возрастанию риска рака толстой кишки и молочной железы.

Другие полезные эффекты ультрафиолета связаны в основном с медициной. Ультрафиолетом лечат такие заболевания, как псориаз, экзема, розовый лишай. Датский врач Нильс Финсен в 1903 году получил Нобелевскую премию за применение ультрафиолета в лечении волчаночного туберкулеза кожи. Метод облучения крови ультрафиолетом сейчас успешно применяют для лечения воспалительных и других заболеваний.

СОЛОМЕННАЯ ШЛЯПКА ОТ ЗАГАРА

Вопрос о том, полезен или вреден ультрафиолет, не имеет однозначного ответа: и да, и нет. Многое зависит от дозы, спектрального состава и особенностей организма. Избыток ультрафиолета безусловно опасен, но на защитные кремы полностью полагаться нельзя. Требуются дополнительные исследования, чтобы установить, в какой степени употребление солнцезащитных средств может способствовать развитию раковых заболеваний.

Лучшее средство уберечь кожу от солнечного ожога, преждевременного старения, а заодно и снизить риск развития рака - одежда. Для обычной летней одежды характерны защитные факторы выше 10. Хорошими защитными свойствами обладает хлопок, правда в сухом виде (при намокании он пропускает больше ультрафиолета). Не забудьте про шляпу с широкими полями и солнцезащитные очки.

Рекомендации достаточно просты. Избегайте бывать на солнце в самые жаркие часы. Будьте особенно осторожны с солнцем, если принимаете лекарства, обладающие свойствами фотосенсибилизаторов: сульфаниламиды, тетрациклины, фенотиазины, фторхинолоны, нестероидные противовоспалительные препараты и некоторые другие. Фотосенсибилизаторы входят и в состав некоторых растений, например зверобоя (см. "Наука и жизнь" № 3, 2002 г.). Усиливать действие света могут ароматические вещества, входящие в состав косметики и духов.

Учитывая, что у ученых есть сомнения в эффективности и безопасности солнцезащитных кремов и лосьонов, не пользуйтесь ими (а также дневной косметикой с высоким содержанием УФ-фильтров) без особой необходимости. Если такая необходимость возникла, отдавайте предпочтение тем средствам, что обеспечивают защиту в широком спектре - от 280 до 400 нм. Как правило, такие кремы и лосьоны содержат окись цинка или другие минеральные пигменты, поэтому имеет смысл внимательно прочесть состав на этикетке.

Защита от солнца должна быть индивидуальной, в зависимости от места жительства, сезона и типа кожи.

Что такое Солнце? В масштабах видимой Вселенной это – всего лишь крошечная звезда на окраине галактики, которая носит название Млечный Путь. Но для планеты Земля Солнце – не просто раскаленный сгусток газа, а источник тепла и света, необходимый для существования всего живого.

С доисторических времен дневное светило было объектом поклонения, его движение по небесной тверди ассоциировалось с проявлением божественных сил. Исследования Солнца и его излучения начались еще до принятия гелиоцентрической модели Николая Коперника, над его загадками ломали головы величайшие умы древних цивилизаций.

Технический прогресс подарил человечеству возможность изучить не только процессы внутри и на поверхности Солнца, но и изменения земного климата под его воздействием. Статистические данные позволяют дать четкий ответ на вопрос, что такое солнечная радиация, в чем она измеряется и определить ее влияние на живые организмы, населяющие планету.

Что называют солнечной радиацией

Природа солнечного излучения оставалась неясной до тех пор, пока в начале ХХ века выдающийся астроном Артур Эддингтон не предположил, что источником колоссальной солнечной энергии являются реакции термоядерного синтеза, которые происходят в его недрах. Температура вблизи его ядра (около 15 млн градусов) является достаточной для того, чтобы протоны преодолевали силу взаимного отталкивания и в результате столкновения образовывали ядра Гелия.

Впоследствии ученые (в частности – Альберт Эйнштейн) обнаружили, что масса ядра Гелия несколько меньше суммарной массы четырех протонов, из которых оно образуется. Этот феномен получил название дефекта масс. Проследив взаимосвязь массы и энергии, ученые обнаружили, что этот излишек выделяется в виде гамма-квантов.

При прохождении пути от ядра к поверхности Солнца через слои составляющих его газов, гамма-кванты дробятся и превращаются в электромагнитные волны, среди которых находится и видимый человеческому глазу свет. Этот процесс занимает около 10 млн лет. А для достижения солнечного излучения земной поверхности требуется всего 8 минут.

Солнечная радиация включает в себя электромагнитные волны с широким диапазоном и солнечный ветер, который представляет собою поток лёгких частиц и электронов.

Какие существуют виды солнечного излучения и его характеристики

На границе атмосферы Земли интенсивность солнечного излучения – постоянная величина. Энергия Солнца дискретна и переносится порциями (квантами) энергии, но их корпускулярный вклад относительно мал, поэтому солнечные лучи рассматриваются как электромагнитные волны, которые распространяются равномерно и прямолинейно.

Основной волновой характеристикой является длина волны, с помощью которой выделяют виды излучения:

• радиоволны;
• инфракрасное (тепловое);
• видимый (белый) свет;
• ультрафиолетовое;
• гамма-лучи.

Солнечная радиация представлена инфракрасным (ИК), видимым (ВС) и ультрафиолетовым (УФ) излучением в соотношении 52%, 43% и 5% соответственно. Количественной мерой излучения Солнца считается энергетическая освещенность (плотность энергетического потока) – лучистая энергия, поступающая в единицу времени на единицу поверхности.

Распределение солнечной радиации по земной поверхности

Большая часть излучения поглощается атмосферой земли и нагревает ее до привычной для живых организмов температуры. Озоновый слой пропускает всего 1% ультрафиолетовых лучей и служит щитом от более агрессивного коротковолнового излучения.

Атмосфера поглощает около 20 % солнечных лучей, 30% рассеивает в разные стороны. Таким образом, на земную поверхность попадает только половина лучистой энергии, названная прямой солнечной радиацией.

На интенсивность прямого солнечного излучения влияет несколько факторов:

• угол падения солнечных лучей (географическая широта);
• расстояние от точки падения до Солнца (время года);
• характер отражающей поверхности;
• прозрачность атмосферы (облачность, загрязненность).

Рассеянное и прямое излучение составляют суммарную солнечную радиацию, интенсивность которой измеряется в калориях на единицу поверхности. Понятно, что солнечная радиация оказывает влияние только в дневное время суток и распределяется по земной поверхности неравномерно. Ее интенсивность увеличивает по мере приближения к полюсам, однако снега отражают большую долю лучистой энергии, в результате чего воздух не нагревается. Поэтому суммарный показатель уменьшается по мере отдаления от экватора.

Солнечная активность формирует климат Земли и воздействует на процессы жизнедеятельности организмов, которые ее населяют. На территории стран СНГ (в северном полушарии) в зимнее время года преобладает рассеянное излучение, в летнее – прямое.

Инфракрасное излучение и его роль в жизни человечества

Солнечная радиация представлена преимущественно , невидимым человеческому глазу. Именно оно нагревает земную почву, которая впоследствии отдает тепло атмосфере. Таким образом, поддерживается оптимальная для жизни на Земле температура и привычные климатические условия.

Кроме Солнца источниками инфракрасного излучения являются все нагретые тела. По этому принципу работают все нагревательные приборы и устройства, которые позволяют разглядеть более или менее нагретые предметы в условиях плохой видимости.

То, что человек не в состоянии воспринимать инфракрасный свет, не уменьшает его влияния на организм. Этот вид излучения нашел применение в медицине благодаря таким свойствам:

• расширение кровеносных сосудов, нормализация кровотока;
• увеличение количества лейкоцитов;
• лечение хронических и острых воспалений внутренних органов;
• профилактика кожных заболеваний;
• удаление коллоидных рубцов, лечение незаживающих ранений.

Инфракрасные термографы позволяют вовремя выявить заболевания, не поддающиеся диагностике с помощью других методов (тромбы, раковые опухоли и т.д.). Инфракрасное излучение является своеобразным «противоядием» от негативного ультрафиолета, поэтому его целительные свойства применяются для восстановления здоровья людей, длительное время пребывавших в космическом пространстве.

Механизм воздействия инфракрасных лучей полностью не изучен и, как и любой вид радиации, при неграмотном использовании может нанести вред здоровью человека. Противопоказано лечение с помощью ИК-лучей при наличии гнойных воспалений, кровотечений, злокачественных опухолей, недостаточности мозгового кровообращения и сердечно-сосудистой системы.

Спектральный состав и свойства видимого света

Световые пучки распространяются прямолинейно и не накладываются друг на друга, что порождает справедливый вопрос, почему окружающий мир поражает многообразием различных оттенков. Секрет заключается в основных свойствах света: отражении, преломлении и поглощении.

Доподлинно известно, что предметы не испускают свет, он частично поглощается ими и отражается под разным углом в зависимости от частоты. Человеческое зрение эволюционировало веками, однако сетчатка глаза способна воспринимать только ограниченный диапазон отраженного света в узком промежутке между инфракрасным и ультрафиолетовым излучением.

Изучение свойств света породило не только отдельную отрасль физики, но и ряд ненаучных теорий и практик, основанных на влиянии цвета на психическое и физическое состояние индивидуума. Оперируя этими знаниями, человек оформляет окружающее пространство в наиболее приятном для глаз цвете, что делает быт максимально комфортным.

Ультрафиолетовое излучение и его влияние на организм человека

Ультрафиолетовый спектр солнечного света состоит из длинных, средних и коротких волн, которые отличаются физическими свойствами и характером воздействия на живые организмы. Ультрафиолетовые лучи, которые относятся к длинноволновому спектру, преимущественно рассеиваются в атмосфере и не достигают поверхности земли. Чем меньше длина волны, тем глубже проникает ультрафиолет в кожные покровы.

Ультрафиолетовое излучение необходимо для поддержания жизни на Земле. На организм человека УФ-лучи оказывают следующее влияние:

• насыщение витамином D, необходимым для формирования костной ткани;
• профилактика остеохондроза и рахита у детей;
• нормализация обменных процессов и синтеза полезных ферментов;
• активация регенерации тканей;
• улучшение кровообращения, расширение сосудов;
• повышение иммунитета;
• снятие нервного возбуждения за счет стимуляции выработки эндорфинов.

Несмотря на объемный перечень положительных качеств, солнечные ванны не всегда эффективны. Длительное пребывание на солнце в неблагоприятное время или в периоды аномально высокой солнечной активности сводит на нет полезные свойства УФ-лучей.

Ультрафиолетовое облучение в больших дозах имеет результат прямо противоположный ожидаемому:

• эритему (покраснение кожи) и солнечные ожоги;
• гиперемию, отечность;
• повышение температуры тела;
• головные боли;
• нарушение функций иммунной и центральной нервной систем;
• снижение аппетита, тошнота, рвота.

Эти признаки являются симптомами солнечного удара, при котором ухудшение состояния человека может происходить незаметно. Порядок действий при солнечном ударе:

• переместить человека из зоны воздействия прямых солнечных лучей в прохладное место;
• положить на спину и поднять ноги на возвышение, чтобы нормализовать кровообращение;
• ополоснуть лицо и шею прохладной водой, желательно сделать компресс на лоб;
• обеспечить возможность свободно дышать и избавить от тесной одежды;
• в течение получаса дать напиться небольшим количеством чистой холодной воды.

В тяжелых случаях при потере сознания необходимо вызвать бригаду скорой помощи и по возможности привести пострадавшего в чувство. Медицинская помощь больному заключается в экстренном введении глюкозы или аскорбиновой кислоты внутривенно.

Правила безопасного загара

УФ-лучи стимулируют синтез особого гормона меланина, с помощью которого кожа человека темнеет и принимает бронзовый оттенок. Споры о пользе и вреде загара ведутся не одно десятилетие.

Доказано, что загар – это защитная реакция организма на облучение ультрафиолетом, а чрезмерное увлечения солнечными ваннами увеличивает риск возникновения злокачественных образований.

Если желание отдать дань моде преобладает, необходимо понимать, что такое солнечная радиация, как от нее защититься и следовать простым рекомендациям:

• загорать постепенно исключительно в утреннее или вечернее время;
• не находиться под прямыми солнечными лучами более часа;
• наносить на кожу защитные средства;
• пить больше чистой воды, чтобы избежать обезвоживания;
• включить в рацион продукты, в которых содержится витамин Е, бета-каротин, тирозин и селен;
• ограничить употребление алкогольных напитков.

Реакция организма на облучение ультрафиолетом индивидуальна, поэтому время для солнечных ванн и их длительность должны подбираться с учетом типа кожи и состояния здоровья человека.

Крайне противопоказан загар беременным, пожилым, людям с заболеваниями кожи, сердечной недостаточностью, психическими расстройствами и при наличии злокачественных образований.

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

Солнце - главный источник энергии на Земле. Без него невозможным было бы существование жизни. И хотя все буквально вертится вокруг Солнца, мы очень редко задумываемся над тем, как работает наша звезда.

Структура Солнца

Чтобы понять, как работает Солнце, сначала нужно разобраться в его структуре.

• Ядро.
• Зона лучистого переноса.
• Конвективная зона.
• Атмосфера: фотосфера, хромосфера, корона, солнечный ветер.

Диаметр солнечного ядра составляет 150-175 000 км, около 20-25% солнечного радиуса. Температура ядра достигает 14 млн градусов по Кельвину. Внутри постоянно происходят термоядерные реакции с образованием гелия. Именно в ядре в результате данной реакции выделяется энергия, а так же тепло. Остальная часть Солнца нагрета этой энергией, она проходит сквозь все слои до фотосферы.

Зона лучистого переноса находится над ядром. Энергия переносится с помощью излучения фотонов и их поглощения.

Над зоной лучистого переноса находится конвективная зона. Здесь перенос энергии осуществляется не переизлучением, а переносом вещества. С высокой скоростью более холодное вещество фотосферы проникает в конвективную зону, а излучение из зоны лучистого переноса поднимается на поверхность - это и есть конвекция.

Фотосфера - это видимая поверхность Солнца. Из этого слоя исходит большая часть видимого излучения. В фотосферу уже не проникает излучение более глубоких слоев. Средняя температура слоя достигает 5778 К.

Хромосфера окружает фотосферу, она имеет красноватый оттенок. Из поверхности хромосферы постоянно происходят выбросы - спикулы.

Последняя внешняя оболочка нашей звезды - корона, состоящая из энергетических извержений и протуберанцев, образующих солнечный ветер, распространяющийся к самым дальним уголкам солнечной системы. Средняя температура короны - 1-2 млн К, но есть участки с 20 млн К.

Солнечный ветер - это поток ионизированных частиц, распространяющийся до границ гелиосферы со скоростью около 400 км/с. Многие явления на Земле связаны с солнечным ветром, например, полярное сияние и магнитные бури.

Солнечное излучение

Плазма Солнца обладает высокой электропроводностью, что способствует появлению электрических токов и магнитных полей.

Солнце - самый сильный излучатель электромагнитных волн в мире, который дает нам:

• ультрафиолетовые лучи;
• видимый свет - 44% солнечной энергии (преимущественно желто-зеленый спектр);
• инфракрасные лучи - 48%;
• рентгеновское излучение;
• радиационное излучение.

Лишь 8% энергии отводится на ультрафиолетовое, рентгеновское и радиационное излучение. Видимый свет расположен между лучами инфракрасного и ультрафиолетового спектра.

Также Солнце является мощным источником радиоволн нетепловой природы. Помимо всевозможных электромагнитных лучей излучается постоянный поток частиц: электронов, протонов, нейтрино и так далее.

Все виды излучения оказывают свое влияние Землю. Именно это влияние мы ощущаем.

Воздействие УФ лучей

Ультрафиолетовые лучи воздействуют на Землю и все живые существа. Благодаря им существует озоновый слой, так как УФ-лучи разрушают кислород, который модифицируется в озон. Магнитное поле Земли в свою очередь формирует озоновый слой, который, как ни парадоксально, ослабляет силу воздействия УФ.

На живые организмы и окружающую среду ультрафиолет влияет многогранно:

• способствует выработке витамина D;
• обладает антисептическими свойствами;
• вызывает появление загара;
• усиливает работу кроветворных органов;
• повышает свертываемость крови;
• увеличивается щелочной резерв;
• дезинфицирует поверхности предметов и жидкости;
• стимулирует обменные процессы.

Именно ультрафиолетовое излучение способствует самоочищению атмосферы, устраняет смог, частицы дыма и пыли.

В зависимости от широты сила воздействия УФ излучения сильно изменяется.

Воздействие ИК лучей: почему и как Солнце греет

Все тепло на Земле - это инфракрасные лучи, которые появляются благодаря термоядерному синтезу водорода с образованием гелия. Эта реакция сопровождается огромным выбросом лучистой энергии. До земли доходит порядка 1000 Ватт на квадратный метр. Именно за это ИК излучение очень часто называют тепловым.

Удивительно, но Земля выступает в роли инфракрасного излучателя. Планета, а также облака поглощают ИК лучи, а затем переизлучают эту энергию обратно в атмосферу. Такие вещества как водяной пар, капли воды, метан, диоксид углерода, азот, некоторые соединения фтора и серы излучают ИК лучи во всех направлениях. Именно благодаря этому имеет место парниковый эффект, который поддерживает поверхность Земли в постоянно подогретом состоянии.

Инфракрасные лучи не только нагревают поверхности предметов и живых существ, но и оказывают другое влияние:

• обеззараживают;
• улучшают метаболизм;
• стимулируют кровообращение;
• снимают болевые ощущения;
• нормализуют водно-солевой баланс;
• укрепляют иммунитет.

Почему зимой Солнце греет слабо

Так как Земля вращается вокруг Солнца с некоторым наклоном оси, в разное время года происходит отклонение полюсов. В первой половине года Северный полюс повернут к Солнцу, в во второй - Южный. Соответственно, меняется угол воздействия солнечной энергии, а также мощность.