طاقة الشمس هي مصدر الحياة على كوكبنا. تقوم الشمس بتسخين الغلاف الجوي وسطح الأرض. وبفضل الطاقة الشمسية، تهب الرياح، وتحدث دورة المياه في الطبيعة، وتسخن البحار والمحيطات، وتتطور النباتات، وتحصل الحيوانات على الغذاء (انظر الشكل 1.1). بفضل الإشعاع الشمسي يوجد الوقود الأحفوري على الأرض.
الشكل 1.1 - تأثير الإشعاع الشمسي على الأرض
يمكن تحويل الطاقة الشمسية إلى حرارة أو برودة، وقوة محركة وكهرباء. المصدر الرئيسي للطاقة لجميع العمليات الطبيعية تقريبًا التي تحدث على سطح الأرض وفي الغلاف الجوي هي الطاقة القادمة إلى الأرض من الشمس على شكل إشعاع شمسي.
ويعرض الشكل 1.2 مخطط تصنيف يعكس العمليات التي تحدث على سطح الأرض وفي غلافها الجوي تحت تأثير الإشعاع الشمسي.
نتائج النشاط الشمسي المباشر هي التأثير الحراري والتأثير الكهروضوئي، ونتيجة لذلك تتلقى الأرض الطاقة الحرارية والضوء. نتائج النشاط غير المباشر للشمس هي التأثيرات المقابلة في الغلاف الجوي والغلاف المائي والغلاف الأرضي، والتي تسبب ظهور الرياح والأمواج، وتحدد تدفق الأنهار، وتخلق الظروف اللازمة للحفاظ على الحرارة الداخلية للأرض.
الشكل 1.2 - تصنيف مصادر الطاقة المتجددة
الشمس عبارة عن كرة من الغاز يبلغ نصف قطرها 695300 كيلومتر، أي 109 أضعاف نصف قطر الأرض، وتبلغ درجة حرارة سطحها المشع حوالي 6000 درجة مئوية. تصل درجة الحرارة داخل الشمس إلى 40 مليون درجة مئوية.
يوضح الشكل 1.3 رسمًا تخطيطيًا لبنية الشمس. الشمس عبارة عن "مفاعل نووي حراري" عملاق يعمل بالهيدروجين ويعالج 564 مليون طن من الهيدروجين إلى 560 مليون طن من الهيليوم كل ثانية عن طريق الذوبان. خسارة أربعة ملايين طن من الكتلة تساوي 9:1-10 9 جيجاوات 
ساعة من الطاقة (1 جيجاواط يساوي 1 مليون كيلوواط). ففي ثانية واحدة، يتم إنتاج طاقة أكثر مما يمكن أن تنتجه ستة مليارات محطة للطاقة النووية في عام واحد. وبفضل الغلاف الجوي الواقي، يصل جزء فقط من هذه الطاقة إلى سطح الأرض.
تبلغ المسافة بين مركزي الأرض والشمس في المتوسط 1.496*108كم.
سنويا شمسيرسل حوالي 1.6 إلى الأرض 
10 18 كيلو واط 
ساعة من الطاقة المشعة أو 1.3 * 10 24 كال من الحرارة. وهذا يزيد 20 ألف مرة عن استهلاك الطاقة العالمي الحالي. مساهمة شمسفي توازن الطاقة في العالم أكبر بـ 5000 مرة من إجمالي مساهمة جميع المصادر الأخرى.
ستكون هذه الكمية من الحرارة كافية لإذابة طبقة من الجليد بسمك 35 مترًا تغطي سطح الأرض عند درجة حرارة 0 درجة مئوية.
وبالمقارنة مع الإشعاع الشمسي، فإن جميع مصادر الطاقة الأخرى التي تصل إلى الأرض لا تذكر. وبالتالي فإن طاقة النجوم هي جزء من مائة مليون من الطاقة الشمسية؛ الإشعاع الكوني - جزأين في المليار. وتعادل الحرارة الداخلية القادمة من أعماق الأرض إلى سطحها واحدا على عشرة آلاف من الطاقة الشمسية.
الشكل 1.3 - رسم تخطيطي لبنية الشمس
هكذا. تعتبر الشمس المصدر الوحيد للطاقة الحرارية على الأرض.
يوجد في مركز الشمس قلب الشمس (انظر الشكل 1.4). الغلاف الضوئي هو السطح المرئي للشمس، وهو المصدر الرئيسي للإشعاع. الشمس محاطة بإكليل شمسي ذو درجة حرارة عالية جدًا، لكنه مخلخل للغاية وبالتالي لا يمكن رؤيته بالعين المجردة إلا خلال فترات الكسوف الكلي للشمس.
يُطلق على السطح المرئي للشمس الذي ينبعث منه الإشعاع اسم الغلاف الضوئي (مجال الضوء). يتكون من أبخرة ساخنة لعناصر كيميائية مختلفة في حالة متأينة.
يوجد فوق الغلاف الضوئي الغلاف الجوي المضيء والشفاف تقريبًا للشمس، والذي يتكون من غازات متخلخلة تسمى الغلاف اللوني.
يوجد فوق الكروموسفير الغلاف الخارجي للشمس، والذي يسمى الإكليل.
الغازات التي تتكون منها الشمس تكون في حالة حركة عنيفة (شديدة) مستمرة، مما يتسبب في ظهور ما يسمى بالبقع الشمسية والمشاعل والبروزات.
البقع الشمسية هي قمعية كبيرة تتكون نتيجة تحركات دوامية للكتل الغازية تصل سرعتها إلى 1-2 كم/ث. درجة حرارة البقع أقل بـ 1500 درجة مئوية من درجة حرارة الشمس وتبلغ حوالي 4500 درجة مئوية. ويختلف عدد البقع الشمسية من سنة إلى أخرى حيث تبلغ فترة ظهورها حوالي 11 سنة.
الشكل 1.4 - بنية الشمس
المشاعل الشمسية هي انبعاثات من الطاقة الشمسية، والشواظات عبارة عن انفجارات هائلة في كروموسفير الشمس، تصل إلى ارتفاعات تصل إلى 2 مليون كيلومتر.
وقد أظهرت الملاحظات أنه مع زيادة عدد البقع الشمسية، يزداد عدد السُحب والبروزات، وبالتالي يزداد النشاط الشمسي.
مع زيادة النشاط الشمسي، تحدث عواصف مغناطيسية على الأرض، مما يؤثر سلبًا على الاتصالات الهاتفية والتلغراف والراديو، وكذلك على الظروف المعيشية. وترتبط الزيادة في الشفق بالظاهرة نفسها.
تجدر الإشارة إلى أنه خلال فترة تزايد البقع الشمسية، تزداد أولاً شدة الإشعاع الشمسي، وهو ما يرتبط بزيادة عامة في النشاط الشمسي في الفترة الأولية، ومن ثم يتناقص الإشعاع الشمسي، مع زيادة مساحة البقع الشمسية، وجود درجة حرارة أقل بـ 1500 درجة من درجة حرارة الغلاف الضوئي.
يُطلق على جزء الأرصاد الجوية الذي يدرس تأثيرات الإشعاع الشمسي على الأرض وفي الغلاف الجوي اسم قياس الأكتينوميتري.
عند أداء العمل الأكتينوميتري، من الضروري معرفة موضع الشمس في السماء. يتم تحديد هذا الموقف من خلال ارتفاع أو سمت الشمس.
ارتفاع الشمس هوتسمى المسافة الزاوية من الشمس إلى الأفق، أي الزاوية بين الاتجاه إلى الشمس ومستوى الأفق.
المسافة الزاوية للشمس من السمت، أي من اتجاهها العمودي تسمى السمت أو مسافة السمت.
هناك علاقة بين الارتفاع ومسافة السمت
(1.1)
نادرا ما يتم تحديد سمت الشمس، فقط للعمل الخاص.
يتم تحديد ارتفاع الشمس فوق الأفق بالصيغة:
أين 
-
خط عرض موقع المراقبة؛
-
انحراف الشمس هو قوس دائرة الانحراف من خط الاستواء إلى الشمس، والذي يتم حسابه اعتمادًا على موقع الشمس على جانبي خط الاستواء من 0 إلى ±90 درجة؛
ر - زاوية ساعة الشمس أو التوقيت الشمسي الحقيقي بالدرجات.
قيمة انحراف الشمس لكل يوم معطاة في الكتب المرجعية الفلكية على مدى فترة طويلة.
باستخدام الصيغة (1.2) يمكنك الحساب في أي وقت رارتفاع الشمس هوأو على ارتفاع معين HCتحديد الوقت الذي تكون فيه الشمس على ارتفاع معين.
يتم حساب الحد الأقصى لارتفاع الشمس عند الظهر في أيام مختلفة من السنة بالصيغة:
(1.3)
الجواب على سؤال ما هو الإشعاع الشمسي هو كامل طيف الضوء المنبعث من الشمس. ويشمل الضوء المرئي وجميع ترددات الإشعاع الأخرى في الطيف الكهرومغناطيسي. بالمقارنة مع مصادر الطاقة المألوفة على الأرض، تبعث الشمس كميات هائلة من الطاقة. ونوع الإشعاع المنبعث من الشمس هو نتاج حرارتها، الناتجة عن الاندماج النووي داخل قلب الشمس. يدرس العلماء الإشعاع الشمسي لأن تأثير الشمس على جسم الإنسان والكوكب ككل هائل للغاية.
لا يصل إلى الأرض سوى جزء صغير من الإشعاع الشمسي: معظمه يشع في الفضاء الفارغ. ومع ذلك، فإن الجزء الذي يصل فعليًا إلى الأرض أكبر بكثير من كمية الطاقة المستهلكة على الأرض من خلال مصادر مثل الوقود الأحفوري. ويمكن تفسير الكمية الهائلة من الطاقة المنبعثة من الشمس بكتلتها الكبيرة ودرجة حرارتها المرتفعة.
أنواع الإشعاع الشمسي
إجمالي الإشعاع الشمسي، والذي يُطلق عليه غالبًا الإشعاع العالمي، هو مجموع الإشعاع المباشر والمنتشر والمنعكس. إن الإشعاع الشمسي المتوفر لنا هو دائمًا خليط من المكونات الثلاثة المذكورة أعلاه.
أنواع الإشعاع الشمسي
الإشعاع المباشر
يتم الحصول على الإشعاع المباشر من أشعة الشمس التي تنتقل مباشرة من الشمس إلى الأرض. يُطلق على اتجاه الإشعاع أيضًا اسم إشعاع الشعاع أو إشعاع الشعاع المباشر. وبما أن الإشعاع المباشر هو أن أشعة الشمس تتحرك في خط مستقيم، فإن ظلال الأجسام التي تظهر في مسار أشعة الشمس تتشكل. تشير الظلال إلى وجود إشعاع مباشر.
في المناطق المشمسة وخلال فصل الصيف، يمثل الإشعاع المباشر ما يقرب من 70-80٪ من إجمالي الإشعاع. تستخدم منشآت الطاقة الشمسية التتبع الشمسي لاستيعاب معظم الإشعاع المباشر. إذا لم يتم تركيب نظام تتبع الطاقة الشمسية، فلن يتم التقاط الإشعاع المباشر القيم.
الإشعاع المنتشر
الإشعاع المباشر له اتجاه ثابت. الإشعاع المنتشر ليس له اتجاه ثابت. عندما تتناثر أشعة الشمس بواسطة الجزيئات الموجودة في الغلاف الجوي، فإن أشعة الشمس المتناثرة هذه تمثل إشعاعًا منتشرًا.
ومع زيادة التلوث، تزداد أيضًا كمية الإشعاع المنتشر. وفي المناطق الجبلية وخلال فصل الشتاء، تزداد نسبة الإشعاع المنتشر. يتم التقاط الحد الأقصى من الإشعاع المتناثر بواسطة الألواح الشمسية عندما يتم وضعها أفقيًا. وهذا يعني أنه مع الألواح الشمسية التي يتم وضعها بزاوية لتتبع معظم الإشعاع المباشر، سيتم تقليل كمية الإشعاع الشارد الذي تلتقطه الألواح. كلما زادت الزاوية التي تصنعها الألواح الشمسية مع الأرض، قلت كمية الإشعاع المتناثر الذي تلتقطه الألواح.
الإشعاع المنعكس والعالمي
الإشعاع المنعكس هو أحد مكونات الإشعاع الذي ينعكس من الأسطح الأخرى غير جزيئات الهواء. الإشعاع المنعكس من التلال والأشجار والمنازل والمسطحات المائية يعكس الإشعاع المنعكس. يشكل الإشعاع المنعكس عادة نسبة صغيرة من الإشعاع العالمي، لكنه يمكن أن يساهم بما يصل إلى 15% في المناطق المغطاة بالثلوج.
الإشعاع العالمي هو مجموع الإشعاع المباشر والمنتشر والمنعكس. الإشعاع الشمسي هو مزيج من الموجات فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء. كل من هذه المكونات يؤثر على الجسم بطريقته الخاصة.
تأثير الإشعاع الشمسي على جسم الإنسان
عند الحديث عن تأثير الشمس على جسم الإنسان، من المستحيل تحديده بالضبط. وما تأثيرها على صحة الإنسان ضرراً أم نفعاً؟ تنبعث أشعة الشمس من الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء. أشعة الشمس تشبه السعرات الحرارية التي يتم الحصول عليها من الطعام. ونقصها يؤدي إلى الهزال، وكثرتها تسبب السمنة. لذلك هو في هذه الحالة. كمية معتدلة من الإشعاع الشمسي لها تأثير إيجابي على الجسم، في حين أن الأشعة فوق البنفسجية الزائدة تثير الحروق وتطور العديد من الأمراض. تأثير
الآثار الإيجابية للأشعة تحت الحمراء
السمة الرئيسية للأشعة تحت الحمراء هي أنها تخلق تأثيرًا حراريًا له تأثير إيجابي على جسم الإنسان. يساعد عنصر التسخين على توسيع الأوعية الدموية وتطبيع الدورة الدموية. الحرارة لها تأثير مريح على العضلات، مما يوفر تأثيرًا طفيفًا مضادًا للالتهابات ومسكنًا. تحت تأثير الحرارة، يزداد التمثيل الغذائي ويتم تطبيع عمليات استيعاب المكونات النشطة بيولوجيا. الأشعة تحت الحمراء القادمة من الشمس تحفز الدماغ والجهاز البصري.
مثير للاهتمام! بفضل الإشعاع الشمسي، فإنه يزامن الإيقاعات البيولوجية للجسم، بدءاً من النوم واليقظة. العلاج بأشعة الشمس تحت الحمراء يحسن حالة الجلد ويزيل حب الشباب. الضوء الدافئ يرفع الحالة المزاجية ويحسن الخلفية العاطفية للشخص. كما أنها تعمل على تحسين نوعية الحيوانات المنوية لدى الرجال وفعاليتها.
الآثار الإيجابية للأشعة فوق البنفسجية
على الرغم من كل الجدل حول الآثار السلبية للأشعة فوق البنفسجية على الجسم، إلا أن غيابها يمكن أن يؤدي إلى مشاكل صحية خطيرة. وهذا من أهم عوامل الوجود. ويؤدي نقص الضوء فوق البنفسجي في الجسم إلى التغييرات التالية:
أولا، أنه يضعف جهاز المناعة (التأثير في المقام الأول على خلايا الجسم). ويرجع ذلك إلى ضعف امتصاص الفيتامينات والمعادن واضطرابات التمثيل الغذائي على المستوى الخلوي.
الشمس تعوض نقص فيتامين د هناك ميل لتطوير أمراض مزمنة جديدة أو تفاقمها، وهي مضاعفات تحدث في أغلب الأحيان. ولوحظ الخمول ومتلازمة التعب المزمن وانخفاض مستويات الكفاءة. يمنع نقص الأشعة فوق البنفسجية للأطفال تكوين فيتامين د ويسبب تباطؤه. ومع ذلك، عليك أن تفهم أن النشاط الشمسي المفرط لن يفيد الجسم.
الآثار السلبية للشمس
يجب أن يكون وقت التعرض للأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية محدودًا بشكل صارم. الإشعاع الشمسي المفرط:
- قد يؤدي إلى تدهور الحالة العامة للجسم (ما يسمى بالصدمة الحرارية بسبب ارتفاع درجة الحرارة)؛
- تؤثر سلباً على الجلد، فهي يمكن أن تسبب تغيرات دائمة؛
- يضعف الرؤية
- يسبب اضطرابات هرمونية في الجسم.
- قد يثير تطور الحساسية.
- يمكن أن يكون لها تأثير سلبي على الجينوم البشري وبنية الحمض النووي البشري.
- يؤثر سلباً على الجنين؛
- يؤثر سلباً على نفسية الإنسان.
تأثير الشمس على الجلد
الكميات المفرطة من الإشعاع الشمسي تؤدي إلى مشاكل جلدية خطيرة. على المدى القصير، أنت معرض لخطر الحروق أو التهاب الجلد. هذه أصغر مشكلة قد تواجهك عندما تتسحر بالشمس في يوم حار. إذا تكرر هذا الوضع بانتظام يحسد عليه، فإن الإشعاع الشمسي سيحفز تكوين أورام خبيثة في سرطان الجلد.
بالإضافة إلى ذلك، تؤدي الأشعة فوق البنفسجية إلى جفاف الجلد، مما يجعله رقيقًا وحساسًا. لكن الإقامة الدائمة تحت الأشعة المباشرة تسرع عملية الشيخوخة، مما يسبب ظهور التجاعيد المبكرة.
التأثير السلبي على الرؤية
تأثير ضوء الشمس على الجهاز البصري هائل. في الواقع، بفضل أشعة الضوء، نتلقى معلومات حول العالم من حولنا. يمكن أن تكون الإضاءة الاصطناعية بديلاً للضوء الطبيعي في بعض النواحي، ولكن فيما يتعلق بالقراءة والكتابة باستخدام ضوء المصباح، فهي تزيد من إجهاد العين.
عند الحديث عن التأثيرات السلبية على الإنسان وأشعة الشمس المرئية، فهذا يعني تلف العين نتيجة التعرض الطويل للشمس بدون نظارات شمسية.
بسبب الانزعاج الذي قد تشعر به، قد تشعر بألم في العين واحمرار ورهاب الضوء. أخطر الأضرار التي لحقت شبكية العين هي الحرق. ومن الممكن أيضًا جفاف الجلد وتكوين التجاعيد.
آثار الإشعاع على جسم الإنسان في الفضاء
يعد الإشعاع الفضائي أحد المخاطر الصحية الرئيسية الناجمة عن رحلات الفضاء. وهو خطير لأنه يحتوي على طاقة كافية لتغيير أو تدمير جزيئات الحمض النووي، مما قد يؤدي إلى تلف الخلايا أو قتلها. وهذا يمكن أن يؤدي إلى مشاكل صحية تتراوح بين الآثار الحادة والتعرض طويل الأمد.
أما التأثيرات الحادة، مثل التغيرات في الدم والإسهال والغثيان والقيء، فهي خفيفة وتتعافى. الآثار الأخرى للإشعاع الحاد تكون أكثر خطورة، مثل تلف الجهاز العصبي المركزي أو حتى الموت. ويجب ألا يكون هذا التعرض ناتجًا عن التعرض للإشعاع الكوني، إلا إذا تعرض رائد الفضاء لجزيئات شمسية، مثل التوهج الشمسي، الذي ينتج جرعات عالية من الإشعاع.
النجم اللامع يحرقنا بأشعة ساخنة ويجعلنا نفكر في معنى الإشعاع في حياتنا وفوائده وأضراره. ما هو الإشعاع الشمسي؟ يشير أحد دروس الفيزياء المدرسية إلى أننا نتعرف أولاً على مفهوم الإشعاع الكهرومغناطيسي بشكل عام. يشير هذا المصطلح إلى شكل آخر من أشكال المادة - يختلف عن المادة. وهذا يشمل كلا من الضوء المرئي والطيف الذي لا تراه العين. أي الأشعة السينية وأشعة جاما والأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء.
موجات كهرومغناطيسية
في ظل وجود مصدر باعث للإشعاع، تنتشر موجاته الكهرومغناطيسية في جميع الاتجاهات بسرعة الضوء. هذه الموجات، مثل أي موجات أخرى، لها خصائص معينة. وتشمل هذه تردد الاهتزاز والطول الموجي. أي جسم تختلف درجة حرارته عن الصفر المطلق له خاصية انبعاث الإشعاع.
الشمس هي المصدر الرئيسي والأقوى للإشعاع بالقرب من كوكبنا. بدورها، فإن الأرض (غلافها الجوي وسطحها) نفسها تبعث إشعاعات، ولكن في نطاق مختلف. أدت مراقبة ظروف درجة الحرارة على الكوكب على مدى فترات زمنية طويلة إلى ظهور فرضية وجود توازن في كمية الحرارة الواردة من الشمس والتي يتم إطلاقها في الفضاء الخارجي.
الإشعاع الشمسي: التركيب الطيفي
تكمن الأغلبية المطلقة (حوالي 99%) من الطاقة الشمسية في الطيف في نطاق الطول الموجي من 0.1 إلى 4 ميكرون. أما الـ 1% المتبقية فهي عبارة عن أشعة ذات أطوال أطول وأقصر، بما في ذلك موجات الراديو والأشعة السينية. ما يقرب من نصف الطاقة الإشعاعية للشمس موجودة في الطيف الذي ندركه بأعيننا، وحوالي 44% منها توجد في الأشعة تحت الحمراء، و9% في الأشعة فوق البنفسجية. كيف نعرف كيفية تقسيم الإشعاع الشمسي؟ حساب توزيعه ممكن بفضل دراسات الأقمار الصناعية الفضائية.
هناك مواد يمكنها الدخول إلى حالة خاصة وإصدار إشعاعات إضافية ذات نطاق موجي مختلف. على سبيل المثال، يحدث التوهج عند درجات حرارة منخفضة، وهي ليست نموذجية لانبعاث الضوء من مادة معينة. وهذا النوع من الإشعاع، الذي يسمى الانارة، لا يستجيب للمبادئ المعتادة للإشعاع الحراري.
تحدث ظاهرة التلألؤ بعد أن تمتص المادة كمية معينة من الطاقة وتنتقل إلى حالة أخرى (ما يسمى بالحالة المثارة)، وهي أعلى في الطاقة من درجة حرارة المادة نفسها. يظهر التلألؤ أثناء الانتقال العكسي - من الحالة المثارة إلى الحالة المألوفة. وفي الطبيعة، يمكننا أن نلاحظ ذلك على شكل توهجات السماء ليلاً والشفق القطبي الشمالي.
نجمنا
تكاد تكون طاقة أشعة الشمس المصدر الوحيد للحرارة لكوكبنا. إن إشعاعها القادم من أعماقها إلى السطح له كثافة أقل بنحو 5 آلاف مرة. وفي الوقت نفسه، فإن الضوء المرئي - وهو أحد أهم عوامل الحياة على الكوكب - ليس سوى جزء من الإشعاع الشمسي.
تتحول طاقة أشعة الشمس إلى حرارة، جزء أصغر - في الغلاف الجوي، وجزء أكبر - على سطح الأرض. وهناك يتم إنفاقه على تسخين المياه والتربة (الطبقات العليا)، والتي تطلق بعد ذلك الحرارة إلى الهواء. عند تسخينها، ينبعث الغلاف الجوي وسطح الأرض بدورهما الأشعة تحت الحمراء إلى الفضاء أثناء التبريد.
الإشعاع الشمسي: التعريف
عادة ما يسمى الإشعاع الذي يصل إلى سطح كوكبنا مباشرة من القرص الشمسي بالإشعاع الشمسي المباشر. وتنشرها الشمس في كل الاتجاهات. مع الأخذ في الاعتبار المسافة الهائلة من الأرض إلى الشمس، يمكن تمثيل الإشعاع الشمسي المباشر في أي نقطة على سطح الأرض على شكل شعاع من الأشعة المتوازية، مصدرها لا نهاية له تقريبًا. وبالتالي فإن المنطقة الواقعة بشكل متعامد مع أشعة الشمس تتلقى أكبر كمية منها.
كثافة التدفق الإشعاعي (أو الإشعاع) هي مقياس لكمية الإشعاع الساقط على سطح معين. هذه هي كمية الطاقة الإشعاعية المتساقطة لكل وحدة زمنية لكل وحدة مساحة. يتم قياس هذه الكمية - الإشعاع - بوحدة W/m2. أرضنا، كما يعلم الجميع، تدور حول الشمس في مدار إهليلجي. وتقع الشمس في إحدى بؤرتي هذا القطع الناقص. لذلك، كل عام في وقت معين (أوائل شهر يناير) تحتل الأرض موقعًا أقرب إلى الشمس وفي مكان آخر (أوائل شهر يوليو) - أبعد عنها. في هذه الحالة، تتغير كمية إضاءة الطاقة بشكل عكسي مع مربع المسافة إلى النجم.
أين يذهب الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى الأرض؟ يتم تحديد أنواعها من خلال العديد من العوامل. اعتمادًا على خط العرض الجغرافي والرطوبة والغيوم، يتناثر بعضها في الغلاف الجوي، ويتم امتصاص بعضها، لكن الأغلبية لا تزال تصل إلى سطح الكوكب. في هذه الحالة، تنعكس كمية صغيرة، ويتم امتصاص الكمية الرئيسية من خلال سطح الأرض، تحت تأثير تسخينها. كما يسقط الإشعاع الشمسي المتناثر جزئيًا على سطح الأرض، ويمتصه جزئيًا وينعكس جزئيًا. والباقي يذهب إلى الفضاء الخارجي.
كيف يتم التوزيع؟
هل الإشعاع الشمسي موحد؟ أنواعها بعد كل "الخسائر" في الغلاف الجوي قد تختلف في تركيبها الطيفي. ففي نهاية المطاف، تتناثر الأشعة ذات الأطوال المختلفة ويتم امتصاصها بطرق مختلفة. في المتوسط، يمتص الغلاف الجوي حوالي 23% من كميته الأصلية. ويتحول ما يقرب من 26% من إجمالي التدفق إلى إشعاعات متناثرة، ثم يصل ثلثاها إلى الأرض. في جوهره، هذا نوع مختلف من الإشعاع، يختلف عن النوع الأصلي. يتم إرسال الإشعاع المتناثر إلى الأرض ليس عن طريق قرص الشمس، ولكن عن طريق قبو السماء. لها تركيبة طيفية مختلفة.
يمتص الإشعاع بشكل رئيسي من الأوزون - الطيف المرئي، والأشعة فوق البنفسجية. يتم امتصاص الأشعة تحت الحمراء بواسطة ثاني أكسيد الكربون (ثاني أكسيد الكربون)، والذي، بالمناسبة، قليل جدًا في الغلاف الجوي.
ويحدث تشتت الإشعاع، الذي يضعفه، لأي طول موجي في الطيف. في هذه العملية، تقوم جزيئاتها، التي تقع تحت التأثير الكهرومغناطيسي، بإعادة توزيع طاقة الموجة الساقطة في جميع الاتجاهات. أي أن الجزيئات تعمل كمصادر ثابتة للطاقة.
ضوء النهار
بسبب التشتت، يتغير لون الضوء القادم من الشمس عند مروره عبر طبقات الغلاف الجوي. الأهمية العملية للتشتت هي خلق ضوء النهار. ولو حرمت الأرض من غلاف جوي، لكانت الإضاءة موجودة فقط في الأماكن التي تضرب فيها أشعة الشمس المباشرة أو المنعكسة السطح. أي أن الجو هو مصدر الإضاءة خلال النهار. وبفضله يكون الضوء في الأماكن التي يتعذر الوصول إليها بواسطة الأشعة المباشرة وعندما تكون الشمس مخفية خلف السحب. إن التشتت هو الذي يعطي لون الهواء - فنحن نرى السماء زرقاء.
على ماذا يعتمد الإشعاع الشمسي؟ ولا ينبغي استبعاد عامل التعكر. بعد كل شيء، يتم إضعاف الإشعاع بطريقتين - الغلاف الجوي نفسه وبخار الماء، فضلا عن الشوائب المختلفة. يزداد مستوى الغبار في الصيف (كما هو الحال مع محتوى بخار الماء في الغلاف الجوي).
إجمالي الإشعاع
يشير إلى إجمالي كمية الإشعاع الساقط على سطح الأرض، سواء المباشر أو المنتشر. يتناقص إجمالي الإشعاع الشمسي أثناء الطقس الغائم.
ولهذا السبب، يكون إجمالي الإشعاع في الصيف أعلى في المتوسط قبل الظهر منه بعد الظهر. وفي النصف الأول من العام أكثر منه في النصف الثاني.
ماذا يحدث للإشعاع الكلي على سطح الأرض؟ وعندما يصل إلى هناك، يتم امتصاصه في الغالب بواسطة الطبقة العليا من التربة أو الماء ويتحول إلى حرارة، بينما ينعكس جزء منه. وتعتمد درجة الانعكاس على طبيعة سطح الأرض. يُطلق على المؤشر الذي يعبر عن نسبة الإشعاع الشمسي المنعكس إلى الكمية الإجمالية الساقطة على السطح اسم البياض السطحي.
يشير مفهوم الإشعاع الجوهري لسطح الأرض إلى الإشعاع طويل الموجة المنبعث من الغطاء النباتي والغطاء الثلجي والطبقات العليا من الماء والتربة. التوازن الإشعاعي للسطح هو الفرق بين الكمية الممتصة والكمية المنبعثة.
الإشعاع الفعال
لقد ثبت أن الإشعاع المضاد يكون دائمًا أقل من الإشعاع الأرضي. ولهذا السبب، يعاني سطح الأرض من فقدان الحرارة. ويسمى الفرق بين قيم إشعاع السطح نفسه والإشعاع الجوي بالإشعاع الفعال. وهذا في الواقع خسارة صافية للطاقة، ونتيجة لذلك، حرارة أثناء الليل.
كما أنه موجود خلال النهار. ولكن خلال النهار يتم تعويضه جزئيًا أو حتى تغطيته بالإشعاع الممتص. ولذلك فإن سطح الأرض يكون أكثر دفئا في النهار منه في الليل.
حول التوزيع الجغرافي للإشعاع
يتم توزيع الإشعاع الشمسي على الأرض بشكل غير متساو على مدار العام. توزيعه ذو طبيعة مناطقية، والخطوط المتساوية (نقاط التوصيل ذات القيم المتساوية) لتدفق الإشعاع ليست متطابقة على الإطلاق مع دوائر العرض. ويعود سبب هذا التناقض إلى اختلاف مستويات الغيوم وشفافية الغلاف الجوي في مناطق مختلفة من العالم.
يبلغ إجمالي الإشعاع الشمسي على مدار العام ذروته في الصحاري شبه الاستوائية ذات الجو الغائم جزئيًا. وهو أقل بكثير في مناطق الغابات بالحزام الاستوائي. والسبب في ذلك هو زيادة الغيوم. وباتجاه كلا القطبين يتناقص هذا المؤشر. لكن في منطقة القطبين يزداد مرة أخرى - في نصف الكرة الشمالي أقل، في منطقة القارة القطبية الجنوبية المغطاة بالثلوج والغيوم جزئيًا - أكثر. على سطح المحيطات، في المتوسط، يكون الإشعاع الشمسي أقل منه فوق القارات.
يحتوي السطح تقريبًا في كل مكان على الأرض على توازن إشعاعي إيجابي، أي أنه خلال نفس الوقت يكون تدفق الإشعاع أكبر من الإشعاع الفعال. الاستثناءات هي مناطق القارة القطبية الجنوبية وجرينلاند مع هضابهما الجليدية.
هل نواجه ظاهرة الاحتباس الحراري؟
لكن ما سبق لا يعني الاحتباس الحراري السنوي لسطح الأرض. ويتم تعويض الإشعاع الممتص الزائد عن طريق تسرب الحرارة من السطح إلى الغلاف الجوي، والذي يحدث عندما تتغير مرحلة الماء (التبخر، التكثيف على شكل سحب).
وبالتالي فإن التوازن الإشعاعي بحد ذاته غير موجود على سطح الأرض. ولكن هناك توازن حراري - يتم موازنة العرض وفقدان الحرارة بطرق مختلفة، بما في ذلك الإشعاع.
توزيع رصيد البطاقة
وعند نفس خطوط العرض من الكرة الأرضية، يكون توازن الإشعاع على سطح المحيط أكبر منه فوق الأرض. ويمكن تفسير ذلك بأن الطبقة التي تمتص الإشعاع في المحيطات أكثر سمكا، وفي نفس الوقت الإشعاع الفعال هناك أقل بسبب برودة سطح البحر مقارنة باليابسة.
ولوحظت تقلبات كبيرة في اتساع توزيعها في الصحاري. التوازن هناك أقل بسبب الإشعاع الفعال العالي في الهواء الجاف وظروف السحب المنخفضة. وينخفض إلى حد أقل في مناطق مناخ الرياح الموسمية. في الموسم الدافئ، تزداد الغيوم، ويكون امتصاص الإشعاع الشمسي أقل مما هو عليه في مناطق أخرى على نفس خط العرض.
وبطبيعة الحال، فإن العامل الرئيسي الذي يعتمد عليه متوسط الإشعاع الشمسي السنوي هو خط العرض لمنطقة معينة. تذهب "أجزاء" قياسية من الأشعة فوق البنفسجية إلى البلدان الواقعة بالقرب من خط الاستواء. وهي شمال شرق أفريقيا، وساحلها الشرقي، وشبه الجزيرة العربية، وشمال وغرب أستراليا، وجزء من جزر إندونيسيا، والساحل الغربي لأمريكا الجنوبية.
وفي أوروبا، تستقبل تركيا وجنوب إسبانيا وصقلية وسردينيا وجزر اليونان وساحل فرنسا (الجزء الجنوبي)، وكذلك أجزاء من إيطاليا وقبرص وكريت، أكبر جرعة من الضوء والإشعاع.
ماذا عنا؟
للوهلة الأولى، يتم توزيع إجمالي الإشعاع الشمسي في روسيا بشكل غير متوقع. ومن الغريب أن منتجعات البحر الأسود ليست هي التي تحمل النخيل على أراضي بلدنا. تحدث أعلى جرعات من الإشعاع الشمسي في المناطق المتاخمة للصين وسيفيرنايا زيمليا. بشكل عام، الإشعاع الشمسي في روسيا ليس مكثفا بشكل خاص، وهو ما يفسره بالكامل موقعنا الجغرافي الشمالي. الحد الأدنى من ضوء الشمس يذهب إلى المنطقة الشمالية الغربية - سانت بطرسبرغ، إلى جانب المناطق المحيطة بها.
الإشعاع الشمسي في روسيا أدنى من نظيره في أوكرانيا. وهناك، تذهب معظم الأشعة فوق البنفسجية إلى شبه جزيرة القرم والمناطق الواقعة وراء نهر الدانوب، وتأتي منطقة الكاربات والمناطق الجنوبية من أوكرانيا في المرتبة الثانية.
يتم تحديد إجمالي الإشعاع الشمسي (بما في ذلك المباشر والمنتشر) الذي يسقط على سطح أفقي شهريًا في جداول تم إعدادها خصيصًا لمناطق مختلفة ويتم قياسها بالميجا جول/م2. على سبيل المثال، يتراوح الإشعاع الشمسي في موسكو من 31-58 في أشهر الشتاء إلى 568-615 في الصيف.
حول العزل الشمسي
يختلف التشمس، أو كمية الإشعاع المفيد التي تسقط على سطح مضاء بنور الشمس، بشكل كبير في المواقع الجغرافية المختلفة. يتم حساب التشميس السنوي لكل متر مربع بالميغاواط. على سبيل المثال، في موسكو، هذه القيمة هي 1.01، في أرخانجيلسك - 0.85، في أستراخان - 1.38 ميجاوات.
عند تحديده، من الضروري أن تأخذ في الاعتبار عوامل مثل الوقت من السنة (في فصل الشتاء هناك إضاءة أقل وطول النهار)، وطبيعة التضاريس (الجبال يمكن أن تحجب الشمس)، والظروف الجوية المميزة للمنطقة - الضباب والأمطار المتكررة والغيوم. يمكن توجيه مستوى استقبال الضوء عموديًا أو أفقيًا أو بشكل غير مباشر. كمية الإشعاع الشمسي، وكذلك توزيع الإشعاع الشمسي في روسيا، عبارة عن بيانات مجمعة في جدول حسب المدينة والمنطقة، مما يشير إلى خط العرض الجغرافي.
الشمس مصدر للضوء والحرارة التي تحتاجها جميع الكائنات الحية على الأرض. ولكن بالإضافة إلى فوتونات الضوء، فإنه يصدر إشعاعات مؤينة صلبة تتكون من نوى الهيليوم والبروتونات. لماذا يحدث هذا؟
أسباب الإشعاع الشمسي
يتم إنتاج الإشعاع الشمسي في النهار أثناء التوهجات الكروموسفيرية - وهي انفجارات عملاقة تحدث في الغلاف الجوي الشمسي. يتم قذف بعض المادة الشمسية إلى الفضاء الخارجي، لتشكل أشعة كونية، تتكون أساسًا من البروتونات وكمية صغيرة من نوى الهيليوم. تصل هذه الجسيمات المشحونة إلى سطح الأرض بعد 15 إلى 20 دقيقة من ظهور التوهج الشمسي.
يحجب الهواء الإشعاع الكوني الأولي، مما يولد وابلًا نوويًا متتاليًا، والذي يتلاشى مع انخفاض الارتفاع. في هذه الحالة، تولد جزيئات جديدة - البيونات، التي تتحلل وتتحول إلى ميونات. تخترق الطبقات السفلية من الغلاف الجوي وتسقط على الأرض وتحفر عمقًا يصل إلى 1500 متر. والميونات هي المسؤولة عن تكوين الإشعاع الكوني الثانوي والإشعاع الطبيعي الذي يؤثر على الإنسان.
طيف الإشعاع الشمسي
يشمل طيف الإشعاع الشمسي مناطق الموجات القصيرة والطويلة:
- أشعة غاما؛
- الأشعة السينية
- الأشعة فوق البنفسجية؛
- ضوء مرئي؛
- الأشعة تحت الحمراء.
يقع أكثر من 95% من إشعاع الشمس في منطقة "النافذة البصرية" - الجزء المرئي من الطيف مع المناطق المجاورة لموجات الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء. أثناء مرورها عبر طبقات الغلاف الجوي، يضعف تأثير أشعة الشمس - حيث يحتفظ الغلاف الجوي للأرض بجميع الإشعاعات المؤينة والأشعة السينية وما يقرب من 98٪ من الأشعة فوق البنفسجية. يصل الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء إلى الأرض دون خسارة تقريبًا، على الرغم من امتصاصهما جزئيًا بواسطة جزيئات الغاز وجزيئات الغبار الموجودة في الهواء.
وفي هذا الصدد فإن الإشعاع الشمسي لا يؤدي إلى زيادة ملحوظة في الإشعاع الإشعاعي على سطح الأرض. وتبلغ مساهمة الشمس والأشعة الكونية في تكوين الجرعة الإشعاعية السنوية الإجمالية 0.3 ملي سيفرت/السنة فقط. لكن هذه قيمة متوسطة، وفي الواقع فإن مستوى الإشعاع الساقط على الأرض يختلف ويعتمد على الموقع الجغرافي للمنطقة.
أين يكون الإشعاع الشمسي المؤين أكبر؟
يتم تسجيل أعظم قوة للأشعة الكونية عند القطبين، وأقلها عند خط الاستواء. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن المجال المغناطيسي للأرض يحرف الجزيئات المشحونة المتساقطة من الفضاء باتجاه القطبين. بالإضافة إلى ذلك، يزداد الإشعاع مع الارتفاع - على ارتفاع 10 كيلومترات فوق مستوى سطح البحر، يزيد مؤشره بمقدار 20-25 مرة. يتعرض سكان الجبال العالية لجرعات أعلى من الإشعاع الشمسي، حيث أن الغلاف الجوي في الجبال أرق ويسهل اختراقه بواسطة تيارات جاما كوانتا والجسيمات الأولية القادمة من الشمس.
مهم. مستويات الإشعاع التي تصل إلى 0.3 ملي سيفرت / ساعة ليس لها تأثير خطير، ولكن عند جرعة 1.2 ميكرو سيفرت / ساعة يوصى بمغادرة المنطقة، وفي حالة الطوارئ، البقاء في أراضيها لمدة لا تزيد عن ستة أشهر. إذا تجاوزت القراءات ضعف ذلك، فيجب عليك تحديد مدة إقامتك في هذه المنطقة لمدة ثلاثة أشهر.
إذا كانت الجرعة السنوية من الإشعاع الكوني فوق مستوى سطح البحر 0.3 ملي سيفرت/سنة، فإنه مع زيادة الارتفاع كل مائة متر يزيد هذا الرقم بمقدار 0.03 ملي سيفرت/سنة. بعد بعض الحسابات الصغيرة، يمكننا أن نستنتج أن إجازة لمدة أسبوع في الجبال على ارتفاع 2000 متر ستعطي تعرضًا قدره 1 ملي سيفرت / سنة وستوفر ما يقرب من نصف إجمالي المعيار السنوي (2.4 ملي سيفرت / سنة).
وتبين أن سكان الجبال يتلقون جرعة سنوية من الإشعاع أعلى بعدة مرات من المعدل الطبيعي، ومن المفترض أن يصابوا بسرطان الدم والسرطان أكثر من الأشخاص الذين يعيشون في السهول. في الواقع، وهذا ليس صحيحا. على العكس من ذلك، في المناطق الجبلية هناك معدل وفيات أقل من هذه الأمراض، وجزء من السكان يعيشون لفترة طويلة. وهذا يؤكد حقيقة أن البقاء لفترات طويلة في الأماكن ذات النشاط الإشعاعي العالي ليس له تأثير سلبي على جسم الإنسان.
التوهجات الشمسية - خطر إشعاعي مرتفع
تشكل التوهجات الشمسية خطرا كبيرا على البشر وجميع أشكال الحياة على الأرض، حيث أن كثافة تدفق الإشعاع الشمسي يمكن أن تتجاوز المستوى الطبيعي للإشعاع الكوني بألف مرة. وهكذا، ربط العالم السوفيتي البارز أ. إل. تشيزيفسكي فترات تكوين البقع الشمسية بأوبئة التيفوس (1883-1917) والكوليرا (1823-1923) في روسيا. واستنادا إلى الرسوم البيانية التي قام بها، تنبأ في عام 1930 بظهور جائحة الكوليرا على نطاق واسع في الفترة 1960-1962، والذي بدأ في إندونيسيا في عام 1961، ثم انتشر بسرعة إلى بلدان أخرى في آسيا وإفريقيا وأوروبا.
واليوم، تم الحصول على ثروة من البيانات التي تشير إلى العلاقة بين دورات النشاط الشمسي التي تمتد أحد عشر عامًا وتفشي الأمراض، وكذلك مع الهجرات الجماعية ومواسم التكاثر السريع للحشرات والثدييات والفيروسات. اكتشف علماء أمراض الدم زيادة في عدد النوبات القلبية والسكتات الدماغية خلال فترات النشاط الشمسي الأقصى. ترجع هذه الإحصائيات إلى حقيقة أنه في هذا الوقت يزداد تخثر الدم لدى الأشخاص، وبما أن النشاط التعويضي لدى المرضى الذين يعانون من أمراض القلب يتم قمعه، تحدث أعطال في عمله، بما في ذلك نخر أنسجة القلب ونزيف الدماغ.
لا تحدث التوهجات الشمسية الكبيرة كثيرًا - مرة كل 4 سنوات. في هذا الوقت، يزداد عدد وحجم البقع الشمسية، وتتشكل أشعة إكليلية قوية في الإكليل الشمسي، تتكون من البروتونات وكمية صغيرة من جسيمات ألفا. سجل المنجمون أقوى تدفق لهم في عام 1956، عندما زادت كثافة الإشعاع الكوني على سطح الأرض 4 مرات. ومن النتائج الأخرى لهذا النشاط الشمسي الشفق القطبي الذي تم تسجيله في موسكو ومنطقة موسكو في عام 2000.
كيف تحمي نفسك؟
بالطبع، زيادة الإشعاع الخلفي في الجبال ليس سببا لرفض الرحلات إلى الجبال. ومع ذلك، فإن الأمر يستحق التفكير في تدابير السلامة والذهاب في رحلة بمقياس إشعاع محمول، مما سيساعد في التحكم في مستوى الإشعاع، وإذا لزم الأمر، سيحد من الوقت الذي يقضيه في المناطق الخطرة. يجب ألا تبقى في منطقة تظهر فيها قراءات العدادات إشعاعًا مؤينًا يبلغ 7 ميكروسيفرت/ساعة لأكثر من شهر واحد.
وكنت من بين أولئك الذين يحبون الاستلقاء على الشاطئ تحت أشعة الشمس الحارقة. كان كل شيء على هذا النحو حتى أصبت بحروق شديدة. آثار الشمس على البشر ليست ضارة إلى هذا الحد. سأخبرك المزيد عن الإشعاع الشمسي وما يمكن توقعه منه.
ما هو الإشعاع الشمسي وما أنواعه؟
نعلم جميعًا مدى أهمية الشمس لكوكبنا. كل الطاقة التي تنبعث منها تسمى الإشعاع الشمسي. فمساره من النجم نفسه إلى الأرض طويل جدًا، وبالتالي يتم امتصاص جزء من الطاقة الشمسية، وجزء آخر يتبدد. ينقسم الإشعاع الشمسي إلى عدة أنواع:
- مستقيم؛
- شارد الذهن؛
- المجموع؛
- يمتص؛
- ينعكس.
الإشعاع الشمسي المباشر هو الذي يصل إلى سطح الأرض بكامله، أما الإشعاعات المتفرقة فلا تخترق الغلاف الجوي. يُطلق على هذين الإشعاعين معًا اسم المجموع. يتسرب جزء معين من حرارة الشمس إلى سطح الأرض. عادة ما يسمى هذا الإشعاع بالامتصاص. قد تعكس بعض مناطق الأرض أشعة الشمس. ومن هنا جاء الاسم - الإشعاع الشمسي المنعكس. قبل شروق الشمس، الطاقة الإجمالية للشمس. عندما لا تكون الشمس عالية جدًا، فإن معظم الإشعاع يكون متناثرًا.
تأثير الإشعاع الشمسي على الإنسان
يمكن للشمس أن تحسن صحتك وأن يكون لها تأثير ضار عليها. إذا كنت تتعرض لأشعة الشمس في كثير من الأحيان، فإن خطر الإصابة بالأمراض الجلدية، بما في ذلك السرطان، يزداد. وبالإضافة إلى ذلك، قد تظهر مشاكل في الرؤية.
على الرغم من أن التعرض لأشعة الشمس كثيرًا أمر ضار، إلا أنني لا أرغب أبدًا في العيش في المناطق الشمالية، حيث ينتظر الناس باستمرار الطقس المشمس. قلة التعرض لأشعة الشمس يمكن أن تعطل عملية التمثيل الغذائي في الجسم وتسبب الوزن الزائد. بالنسبة للأطفال، فإن الافتقار إلى أشعة الشمس أمر غير مرغوب فيه للغاية.
في ظل الظروف المعيشية العادية، يحافظ الإشعاع الشمسي على صحة الإنسان عند المستوى المطلوب. جميع الأجهزة والأنظمة تعمل دون فشل. بشكل عام، الإشعاع الشمسي جيد باعتدال، ويجب أن نتذكر ذلك دائمًا.