Солнечный свет и его свойства¶

Солнечный свет — электромагнитное излучение, испускаемое Солнцем, охватывающее диапазон от инфракрасного до ультрафиолетового излучения. Является основным источником энергии для Земли, обеспечивая фотосинтез, климатообразование и жизнедеятельность большинства организмов. В узком смысле под солнечным светом понимают видимую часть спектра, воспринимаемую человеческим глазом.

¶Физические характеристики

Солнечное излучение возникает в результате термоядерных реакций в ядре звезды, где водород превращается в гелий. До поверхности Земли свет доходит примерно за 8 минут 20 секунд, преодолевая расстояние около 149,6 млн км. Спектр солнечного света на верхней границе атмосферы близок к спектру абсолютно чёрного тела с температурой около 5800 К.

Атмосфера Земли существенно изменяет спектральный состав излучения. Озон поглощает большую часть жёсткого ультрафиолета (диапазон UVC и частично UVB), водяной пар и углекислый газ — часть инфракрасного излучения. В результате у поверхности Земли наблюдаются три основных диапазона:

• ультрафиолетовое излучение (100–400 нм) — около 5–7 %;
• видимый свет (400–700 нм) — около 40–45 %;
• инфракрасное излучение (700 нм – 1 мм) — около 50–55 %.

Интенсивность солнечного света измеряется в ваттах на квадратный метр. Солнечная постоянная — поток излучения на верхней границе атмосферы, перпендикулярной лучам, — составляет в среднем 1361 Вт/м². У поверхности Земли в ясный полдень на экваторе этот показатель снижается до 1000–1100 Вт/м² из-за поглощения и рассеяния в атмосфере.

¶Биологическое значение

Солнечный свет — необходимое условие существования жизни на Земле. Посредством фотосинтеза растения преобразуют энергию света в химическую, производя органические вещества и кислород. Фотопериодизм — реакция организмов на продолжительность светового дня — регулирует сезонные циклы цветения, плодоношения, миграции и спячки у животных.

У человека свет воздействует на синтез витамина D в коже, происходящий под действием ультрафиолета спектра B. Недостаток солнечного света приводит к дефициту витамина D, нарушениям кальциевого обмена и сезонному аффективному расстройству. Свет также регулирует циркадные ритмы через воздействие на эпифиз и подавление выработки мелатонина.

Избыточное облучение ультрафиолетом вызывает солнечные ожоги, преждевременное старение кожи и повышает риск развития меланомы и других раковых заболеваний. Всемирная организация здравоохранения рекомендует ограничивать пребывание на солнце в часы максимальной активности — с 10 до 16 часов.

¶Освещённость и восприятие

Освещённость, создаваемая солнечным светом, зависит от географической широты, времени года, времени суток и состояния атмосферы. В ясный полдень летом в средних широтах освещённость достигает 100 000 люкс, в пасмурный день — 10 000–20 000 люкс, в сумерках — около 1 люкса. Для сравнения: стандартное офисное освещение составляет 300–500 люкс.

Цветовая температура солнечного света меняется в течение дня: на восходе и закате она составляет около 2000–3000 К (тёплые красноватые тона), в полдень — 5500–6500 К (нейтральный белый). Эти изменения обусловлены увеличением пути луча через атмосферу и усиленным рассеянием коротковолновой части спектра.

¶Использование человеком

Солнечный свет используется человечеством с древнейших времён. Пассивное солнечное отопление применялось в архитектуре ещё в античности: ориентация зданий на юг позволяла аккумулировать тепло в холодное время года. В XIX веке появились первые солнечные коллекторы для нагрева воды, в 1954 году в лабораториях Bell Labs был создан первый кремниевый фотоэлемент с КПД около 6 %.

Современная гелиоэнергетика включает два основных направления:

• фотоэлектрические станции, преобразующие свет непосредственно в электричество с помощью полупроводниковых панелей;
• солнечные тепловые электростанции, концентрирующие свет зеркалами для нагрева теплоносителя и последующей выработки электроэнергии.

КПД серийных кремниевых солнечных панелей достигает 20–24 %, лабораторные образцы многопереходных элементов — свыше 47 %. В 2023 году суммарная мощность мировой солнечной генерации превысила 1,4 ТВт, что составляет около 5 % мирового производства электроэнергии.

¶Культурное значение

Солнечный свет играет значительную роль в культуре и религии. Культы Солнца существовали в Древнем Египте (Ра), Месопотамии (Шамаш), индейских цивилизациях Америки. В иудаизме, христианстве и исламе свет выступает символом божественного присутствия. Солнечный календарь, основанный на видимом годичном движении Солнца, лёг в основу григорианского календаря, принятого в большинстве стран мира.

В живописи импрессионисты впервые сделали свет главным предметом изображения, исследуя его изменчивость и рефлексы. В архитектуре XX века получило развитие направление «солнечной архитектуры», стремящейся к максимальному использованию естественного освещения в интерьерах.

¶Влияние на технику и материалы

Солнечный свет вызывает деградацию многих материалов: выцветание красителей, разрушение полимеров под действием ультрафиолета, коррозию. Для защиты применяются светостабилизаторы, УФ-абсорберы и защитные покрытия. С другой стороны, ультрафиолетовое облучение используется для стерилизации воды и воздуха, отверждения полимерных покрытий и в фотолитографии при производстве микросхем.

Спутниковые системы и наземные обсерватории ведут постоянный мониторинг солнечной активности и её влияния на космическую погоду. Вспышки на Солнце и корональные выбросы массы способны вызывать магнитные бури, нарушающие работу радиосвязи и энергосистем в высоких широтах.

¶Источники

• Дюффи Дж., Бекман У. Основы солнечной теплоэнергетики. — М.: Интеллект, 2013.
• Гусев Н. М., Киреев Н. Н. Освещение и световая среда. — М.: МЭИ, 2011.
• Всемирная организация здравоохранения. Ультрафиолетовое излучение и здоровье человека. — Женева: ВОЗ, 2019.
• Солнечная энергетика: учебное пособие / под ред. В. В. Елистратова. — СПб.: Политех, 2020.