"Астрономия", Галузо И.В., Голубев В.А., Шимбалев А.А.
Солнце даёт Земле свет и тепло, без которых невозможны фотосинтез, круговорот воды и привычные погодные процессы. До планеты доходят электромагнитное излучение и поток заряженных частиц — солнечный ветер. Атмосфера и магнитосфера ослабляют часть опасного воздействия, но солнечные вспышки всё же могут вызывать полярные сияния и помехи в работе техники. Количество получаемой энергии зависит от угла падения лучей, времени суток, широты и состояния атмосферы.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Солнечная радиация — поток электромагнитного излучения Солнца, распространяющийся в пространстве. До Земли доходят видимый свет, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, хотя атмосфера поглощает часть их энергии. Видимый свет освещает планету, инфракрасное излучение связано с нагревом, а ультрафиолетовое воздействует на живые организмы.
Солнечная постоянная — поток солнечной энергии за секунду через единицу площади, перпендикулярной лучам, на среднем расстоянии Земли от Солнца. Её значение у верхней границы атмосферы составляет примерно 1360 Вт/м². Эта величина нужна для оценки поступающей от Солнца энергии, но не показывает, сколько тепла получает любой квадратный метр поверхности.
Солнечная активность — изменения состояния Солнца, заметные, в частности, по числу пятен, вспышкам и выбросам вещества. Она меняется из-за процессов в солнечной плазме и магнитных полей, которые перестраиваются и усиливаются в отдельных областях. Наблюдая за активностью, можно оценивать вероятность усиления потоков излучения и частиц в сторону Земли.
Солнечный ветер — непрерывный поток заряженных частиц, испускаемых Солнцем. В основном это протоны и электроны, движущиеся сквозь межпланетное пространство. В отличие от солнечного излучения, которое представляет собой электромагнитные волны, ветер переносит вещество и взаимодействует с магнитными полями.
Солнце испускает энергию во всех направлениях, поэтому с увеличением расстояния один и тот же поток распределяется по всё большей площади. Земля перехватывает лишь часть этого потока, и получаемая энергия зависит от расстояния до Солнца. Солнечная постоянная описывает интенсивность потока у орбиты Земли для площадки, поставленной перпендикулярно лучам. Реальная поверхность планеты обычно расположена к лучам под другим углом, поэтому на единицу площади приходится меньше энергии.
Попавшее к Земле излучение сначала проходит через атмосферу: газы и облака отражают и поглощают его, а часть пропускают к поверхности. Разные участки поверхности тоже ведут себя неодинаково: одни отражают больше света, другие сильнее нагреваются. После нагрева Земля передаёт энергию воздуху и воде, а облачность может как ограничивать поступление солнечного света, так и задерживать тепло. Поэтому температура зависит не только от мощности излучения, но и от состава атмосферы, облаков и свойств поверхности.
Солнечная энергия поддерживает жизнь, потому что растения используют свет для фотосинтеза. В ходе этого процесса они создают органическое вещество из углекислого газа и воды и выделяют кислород. Органические вещества становятся пищей для других организмов и основой пищевых цепей. Нагрев суши и океана также создаёт разность температур и давления, благодаря которой движутся воздушные массы; испарение воды, её перенос и выпадение осадков поддерживают круговорот воды.
При повышенной солнечной активности вспышки усиливают излучение, а выбросы вещества могут увеличить поток частиц, направленных к Земле. Магнитосфера — область вокруг планеты, где движение заряженных частиц определяется магнитным полем, — отклоняет значительную их часть. Частицы, проникшие в верхнюю атмосферу у полюсов, сталкиваются с газами и вызывают свечение — полярные сияния. Изменения в околоземной среде способны также нарушать радиосвязь, влиять на спутники и создавать помехи в технических системах.
Количество солнечной энергии в конкретном месте меняется в течение суток, потому что Земля вращается и угол падения лучей меняется. Широта тоже важна: вблизи экватора лучи в среднем падают круче, чем в высоких широтах. Облака дополнительно ослабляют прямое освещение, а продолжительность дня определяет, как долго поверхность получает энергию. Смена времён года связана прежде всего с наклоном земной оси: он меняет высоту Солнца и длину дня в полушариях, а не главным образом расстояние Земли от Солнца.
Таблица связывает источник воздействия с его результатами: от непосредственного нагрева до последствий для живых организмов и техники. Сравнивая строки, можно проследить, какие процессы создают солнечную энергию и какие природные «экраны» смягчают её действие. Защитная роль атмосферы и магнитосферы не означает полной изоляции Земли от солнечных процессов.
| Источник или проявление | Как воздействует на Землю | Основное последствие |
|---|---|---|
| Солнечное излучение | Доставляет энергию к планете | Освещение и поступление энергии для природных процессов |
| Нагрев поверхности и атмосферы | Передаёт тепло воздуху и воде, создаёт различия температур | Погода и движение воздушных масс |
| Фотосинтез | Растения используют энергию света для образования органического вещества | Появление органического вещества и выделение кислорода |
| Солнечный ветер и вспышки | Потоки частиц и усиленное излучение взаимодействуют с околоземной средой | Полярные сияния и возможные помехи технике |
| Защитная роль атмосферы и магнитосферы | Поглощает часть излучения и отклоняет многие заряженные частицы | Ослабление опасного воздействия на поверхность и живые организмы |
Задача 1. Солнечная постоянная равна примерно 1360 Вт/м². Сколько энергии за 1 секунду проходит через площадку площадью 2 м², расположенную перпендикулярно солнечным лучам у Земли? Сначала нужно понять, что ватт — это джоуль энергии за секунду. Поскольку площадка перпендикулярна лучам, значение солнечной постоянной можно применить напрямую.
Ответ: через площадку за секунду проходит примерно 2720 Дж энергии. Расчёт относится к условиям, заданным в задаче, и не учитывает ослабление излучения атмосферой. Если площадка наклонена к лучам, её эффективная площадь для перехвата потока будет меньше.
Задача 2. Почему одинаковые по площади участки Земли могут получать разное количество солнечной энергии в течение суток? Нужно учесть, что поток на поверхность зависит от угла падения лучей, а энергия поступает только при освещении. Поворот Земли меняет и положение участка относительно Солнца, и направление лучей по отношению к поверхности.
Ответ: участки получают неодинаковую энергию из-за различий угла падения лучей и продолжительности дня. Даже при одинаковой площади эти условия могут меняться с широтой и временем года. Облачность дополнительно уменьшает поступление прямого солнечного света.
Задача 3. Во время сильной солнечной вспышки ожидаются полярные сияния и возможные помехи радиосвязи. Какие процессы приводят к этим явлениям? Вспышка относится к проявлениям повышенной активности Солнца, но сами сияния возникают не на его поверхности. Чтобы объяснить последствия, проследим путь энергии и частиц от Солнца к околоземному пространству.
Ответ: полярные сияния появляются при взаимодействии заряженных частиц с газами верхней атмосферы, а радиопомехи связаны с возмущениями околоземной среды и ионосферы. Магнитное поле и атмосфера снижают воздействие, но не устраняют его полностью. Поэтому усиление солнечной активности может быть важно не только для наблюдений за небом, но и для работы техники.
Солнечную постоянную иногда принимают за поток энергии, который получает любой участок поверхности Земли. Ошибка возникает потому, что в названии есть слово «постоянная», но величина задана для площадки, перпендикулярной лучам, у верхней границы атмосферы. Проверьте себя: если в условии есть поверхность, уточните угол падения и влияние атмосферы.
Смену времён года объясняют тем, что Земля то приближается к Солнцу, то удаляется от него. Такое объяснение кажется убедительным, если представить орбиту как главный источник сезонного нагрева. Проверка: спросите, почему в одно и то же время года в Северном и Южном полушариях сезоны противоположны; ответ связан с наклоном земной оси.
Солнечное излучение и солнечный ветер иногда считают одним потоком. Их смешивают, потому что оба приходят от Солнца и распространяются через космос. Чтобы проверить себя, вспомните: излучение — электромагнитные волны, а ветер — заряженные частицы, то есть вещество.
Можно ошибочно полагать, что магнитосфера полностью исключает влияние солнечной активности. Это заблуждение возникает из-за представления о магнитном поле как о сплошном щите. Проверьте себя по последствиям: полярные сияния возникают именно потому, что частицы взаимодействуют с верхней атмосферой, а возмущения способны влиять на технику.
Для изучения солнечного воздействия нужны представления об электромагнитном излучении, энергии и потоке энергии, а также знания об атмосфере и магнитном поле Земли. Связь солнечного света с фотосинтезом объясняет, откуда берётся органическое вещество в пищевых цепях, а нагрев поверхности помогает понять круговорот воды. Взаимодействие солнечных частиц с атмосферой и магнитосферой связано с полярными сияниями и космической погодой, влияющей на спутники и связь. Наклон земной оси и движение Земли вокруг Солнца помогают объяснить смену сезонов и распределение тепла.
Что называют солнечной постоянной и почему она не означает одинаковый нагрев всей Земли?
Солнечная постоянная — поток энергии за секунду через единицу площади, перпендикулярной солнечным лучам, на среднем расстоянии Земли от Солнца; он составляет примерно 1360 Вт/м². На поверхности планеты лучи падают под разными углами, ослабляются атмосферой и облаками, поэтому нагрев неодинаков.
Как солнечная энергия влияет на жизнь растений и животных?
Растения используют свет при фотосинтезе, создавая органические вещества и выделяя кислород. Полученная энергия затем передаётся по пищевым цепям животным, а солнечный нагрев влияет на условия их жизни.
Чем солнечный ветер отличается от солнечного излучения?
Излучение — это электромагнитные волны, распространяющиеся в том числе в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах. Солнечный ветер состоит из движущихся заряженных частиц, главным образом протонов и электронов.
Как солнечные вспышки могут повлиять на Землю?
Вспышки усиливают потоки излучения, а связанные с активностью Солнца выбросы могут приносить к Земле заряженные частицы. Их взаимодействие с магнитосферой и верхними слоями атмосферы вызывает полярные сияния, а также способно нарушать радиосвязь и работу спутников.
Почему смена времён года не объясняется изменением расстояния от Земли до Солнца?
Главная причина смены сезонов — наклон земной оси к плоскости орбиты. Из-за него в течение года меняются высота Солнца над горизонтом и продолжительность дня в полушариях, а значит, и количество получаемого тепла.
§ 21. Влияние Солнца на жизнь Земли
