Солнце — характеристика, состав, строение, жизненный цикл, изучение и факты – SunPlanets.info

Откуда он берется?

Давайте посмотрим на все длины волн света в солнечном излучении. Как вы, наверное, знаете, огромная температура и давление в ядре, заставляют превращаться водород в атомы гелия. Часть энергии, из этого слияния, выделяется в форме гамма-лучей. Эти гамма-лучи поглощаются частицами на Солнце, а затем повторно переизлучаются. Фотонам требуется 200. 000 лет, чтобы выбраться из ядра в космическое пространство. Поверхность Солнца, называется фотосферой, и именно в фотосфере, свет, наконец, вырывается в космос. Спустя долгое путешествие сквозь Солнце, фотоны теряют энергию и их длина волны изменяется.

Это хорошая новость, иначе развитие жизни на Земле, под постоянным облучением гамма-лучами, было бы затруднительно.

Спектр излучения света Солнца это смесь различных длин волн. Тепло, которое мы ощущаем, это инфракрасное излучение с диапазоном длин волн от 1400 нм до 1 мм. Видимый свет, имеет длину волны от 400 до 700 нм.

В космосе, солнечный свет кажется белым, но здесь, на Земле, мы видим его желтым, потому что наша атмосфера отклоняет синие и фиолетовые фотоны.

Ультрафиолетовое излучение, к счастью, поглощается атмосферой Земли, оно довольно опасно для жизни. Спектр Солнечного света непрерывный, и в нем множество темных линий, вызванных его поглощением в холодных слоях его атмосферы. Вся жизнь на Земле зависит от солнечной радиации. Это основной источник энергии на Земле, он управляет погодой на планете и океанической циркуляцией. Без этого источника энергии, Земля замерзнет.

Солнечный спектр

На 1 квадратный метр обращенной к Солнцу поверхности площадки в окрестностях Земли ежесекундно поступает 1400 Дж энергии, переносимой солнечным электромагнитным излучением. Эта величина называется солнечной постоянной. Иными словами, плотность потока энергии солнечного излучения составляет 1,4 кВт/м2.

Впервые для определения солнечной энергии был использован метод измерения нагревающего действия солнечных лучей Пулье (1837 год). Такой прибор называется пиргелиометром. В пиргелиометре находилась вода, температуру которой измерял обычный термометр. Под действием солнечных лучей температура воды возрастала.

Спектр Солнца непрерывный, в нем наблюдается множество темных фраунгоферовых линий. Фраунгофер был первым, кто описал темные линии на фоне непрерывного спектра в 1814 году. Эти линии в спектре Солнца образуются в результате поглощения квантов света в более холодных слоях солнечной атмосферы.

Рисунок 5. Видимая часть солнечного спектра

Наибольшую интенсивность непрерывный спектр имеет в области длин волн 430–500 нм. В видимой и инфракрасной областях спектр электромагнитного излучения Солнца близок к спектру излучения абсолютно черного тела с температурой 6000 К. Эта температура соответствует температуре видимой поверхности Солнца – фотосферы. В видимой области спектра Солнца наиболее интенсивны линии Н и К ионизованного кальция, линии бальмеровской серии водорода Нα, Нβ и Нγ.

Около 9 % энергии в солнечном спектре приходится на ультрафиолетовое излучение с длинами волн от 100 до 400 нм. Остальная энергия разделена приблизительно поровну между видимой (400–760 нм) и инфракрасной (760–5000 нм) областями спектра.

Солнце – мощный источник радиоизлучения. В межпланетное пространство проникают радиоволны, которые излучает хромосфера (сантиметровые волны) и корона (дециметровые и метровые волны). Радиоизлучение Солнца имеет две составляющие – постоянную и переменную. Постоянная составляющая характеризует радиоизлучение спокойного Солнца. Солнечная корона излучает радиоволны как абсолютно черное тело с температурой T = 106 К. Переменная составляющая радиоизлучения Солнца проявляется в виде всплесков, шумовых бурь. Шумовые бури длятся от нескольких часов до нескольких дней. Через 10 минут после сильной солнечной вспышки радиоизлучение Солнца возрастает в тысячи и даже миллионы раз по сравнению с радиоизлучением спокойного Солнца; это состояние длится от нескольких минут до нескольких часов. Это радиоизлучение имеет нетепловую природу.

Плотность потока излучения Солнца в рентгеновской области (0,1–10 нм) весьма мала (~5∙10–4 Вт/м2 и сильно меняется с изменением уровня солнечной активности. В ультрафиолетовой области на длинах волн от 200 до 400 нм спектр Солнца также описывается законами излучения абсолютно черного тела.

В ультрафиолетовой области спектра с длинами волн короче 200 нм интенсивность непрерывного спектра резко падает и появляются эмиссионные линии. Наиболее интенсивна из них водородная линия лаймановской серии (λ = 121,5 нм). При ширине этой линии около 0,1 нм ей соответствует плотность потока излучения около 5∙10–3 Вт/м2. Интенсивность излучения в линии приблизительно в 100 раз меньше. Заметны также яркие эмиссионные линии различных атомов, важнейшие линии принадлежат Si I (λ = 181 нм), Mg II и Mg I, O II, O III, C III и другие.

Коротковолновое ультрафиолетовое излучение Солнца возникает вблизи фотосферы. Рентгеновское излучение исходит из хромосферы (T ~ 104 К), расположенной над фотосферой, и короны (T ~ 106 К) – внешней оболочки Солнца. Радиоизлучение на метровых волнах возникает в короне, на сантиметровых – в хромосфере.

Цветовая температура

По сути это цвет излучаемого источником света. Измеряют цветовую температуру в градусах по шкале Кельвина.

Шкала цветовой температуры

Источники света (в том числе эндоскопические осветители) можно разделить по цветности на три группы:

Разница цветовой температуры холодного, дневного и теплого света.

Однако человеческое зрение обладает свойством метамерии, когда два цвета могут выглядеть одинаково при одном освещении, а при других терять сходство. При этом источники света могут обладать одинаковой цветовой температурой, но отличаться по спектральным характеристикам, для классификации этих различий введен индекс CRI.

Индекс цветопередачи (CRI)

Необходим для более точного определения цвета объекта и отображает, насколько соответствует естественный цвет предмета тому, которым он обладает при освещении определенным источником света. Диапазон значений CRI находится в интервале от 0 до 100. За эталон принят солнечный свет, его индекс равен 100.

Существует 8 эталонных насыщенных цветов (иногда добавляют еще 6). Во время измерения, шаблонный образец освещается исследуемым источником света и специализированными приборами измеряется цвет образца. Затем образец освещается эталонным светом и снова измеряется цвет образца. Далее подсчитывается разница между этими двумя измерениями. Процесс повторяется для всех шаблонных образцов, после чего подсчитывается среднее арифметическое значение CRI.

Индекс цветопередачи CRI: Идентичные цвета: Ra = 100, Цветовой сдвиг: Ra < 100

Таким образом, максимально точно качество освещения эндоскопического источника света характеризует именно индекс цветопередачи, а не цветовая температура. Чем этот индекс выше, тем лучше качество эндоскопического изображения, естественнее цвета и легче происходит ориентирование врача в операционном поле.

Тип лампы

В эндоскопических источниках света могут быть использованы различные типы ламп:

  • Галогенные лампы – лампы накаливания, в колбу которых добавлен буферный газ: пары галогенов (брома или йода). Галогенные лампы являются наиболее дешевыми и доступными, однако их мощность составляет от 100 до 300 Вт.
    Среди недостатков при использовании во время эндоскопических исследований стоит отметить малый ресурс работы (порядка 100 часов), и небольшую цветовую температуру, не более 3 500K, которая отражается на передаче цвета изображения, добавляя желтый оттенок к изображению. Максимально приблизится к эталонному значению с этим типом ламп удалось разработчикам Pentax в их осветителе LH‑150PC
  • Ксеноновые лампы – лампа, в которой источником света является электрическая дуга, находящаяся в заполненной ксеноном колбе.
    Ресурс работы ксеноновой лампы приближается к 1 000 часам, а спектр излучения максимально приближен к естественному свету. При цветовой температуре порядка 6 000K, дает более качественную цветопередачу исследуемых объектов, при меньшем расходе электроэнергии. Весь потенциал этого вида ламп раскрыт в ксеноновом эндоскопическом источнике света Xenon A-line Allgaier.
    Замена лампы требует участия квалифицированного сервисного инженера, так как её извлечение из радиатора является сложной и небезопасной процедурой для пользователей без специального образования и навыков.
  • Светодиодные матрицы – источником света является набор многокомпонентных полупроводниковых приборов – светодиодов, которые трансформирует электроток в видимое свечение. Основными преимуществами являются экономичность, компактность и колоссальный ресурс безотказной работы.
    Многокристальные светодиоды (трехкомпонентные), в состав входят три полупроводниковых излучателя красного, зеленого и синего свечения, которые объединены в один корпус. Спектр такого светодиода определяется спектром его составляющих полупроводниковых излучателей и сильно отличается от солнечного спектра, а значит, индекс цветопередачи у трехкомпонентного RGB светодиода невысокий.
    При изменении тока для каждого светодиода, который входит в триаду, можно управлять цветом свечения, регулировать в процессе работы цветовой тон излучаемого белого света – вплоть до получения отдельных самостоятельных цветов. Люминофорные светодиоды созданы на основе синего, фиолетового или ультрафиолетового светодиода. В их состав входит слой люминофора, который преобразует излучение светодиода. Смешиваясь, излучения светодиода и люминофора дают белый свет с различными оттенками.
    Светодиоды выпускаются с различной цветовой температурой, теплые и холодные, в зависимости от состава люминофора. При этом индекс цветопередачи (CRI) может достигать 95, как в светодиодном эндоскопическом источнике света LED A-line Allgaier.
  • Многокристальные светодиоды (трехкомпонентные), в состав входят три полупроводниковых излучателя красного, зеленого и синего свечения, которые объединены в один корпус. Спектр такого светодиода определяется спектром его составляющих полупроводниковых излучателей и сильно отличается от солнечного спектра, а значит, индекс цветопередачи у трехкомпонентного RGB светодиода невысокий.
    При изменении тока для каждого светодиода, который входит в триаду, можно управлять цветом свечения, регулировать в процессе работы цветовой тон излучаемого белого света – вплоть до получения отдельных самостоятельных цветов.
  • Люминофорные светодиоды созданы на основе синего, фиолетового или ультрафиолетового светодиода. В их состав входит слой люминофора, который преобразует излучение светодиода. Смешиваясь, излучения светодиода и люминофора дают белый свет с различными оттенками.
    Светодиоды выпускаются с различной цветовой температурой, теплые и холодные, в зависимости от состава люминофора. При этом индекс цветопередачи (CRI) может достигать 95, как в светодиодном эндоскопическом источнике света LED A-line Allgaier.

Таким образом, гарантом точного проведения операций и верной постановки диагноза является источник света с высоким индексом цветопередачи.

Главная задача эндоскопического источника света – получение искусственно созданного света с параметрами максимально приближенными к естественному дневному освещению.

Свет — это электромагнитные волны и не только

Электромагнитное излучение — один из многих способов перемещения энергии в космосе. Тепло от горящего огня, свет солнца, рентгеновские лучи, используемые вашим врачом, а также энергия, используемая для приготовления пищи в микроволновой печи, — все это формы электромагнитного излучения. Хотя эти формы энергии могут показаться совершенно разными, они связаны тем, что все обладают волнообразными свойствами.

Если вы когда-нибудь купались в океане, вы уже знакомы с волнами. Волны — это просто возмущения в определенной физической среде или поле, приводящие к вибрации или колебаниям. Набухание волны в океане и последующее за ним падение — это просто вибрация или колебание воды на поверхности океана. Электромагнитные волны похожи, но они также отличаются тем, что на самом деле состоят из волны, колеблющиеся перпендикулярно друг другу. Одна из волн — колеблющееся магнитное поле; другой — колеблющееся электрическое поле.

Электромагнитное излучение можно представить в виде колеблющегося электрического поля (колеблющегося в плоскости страницы / экрана компьютера) и перпендикулярного (в данном случае колеблющегося на странице и вне ее) магнитного поля. Ось Y — амплитуда, а ось X — расстояние в пространстве.

Хотя хорошо иметь базовое представление о том, что такое электромагнитное излучение, большинство химиков меньше интересуются физикой, лежащей в основе этого типа энергии, и гораздо больше интересуются тем, как эти волны взаимодействуют с веществом. В частности, химики изучают, как различные формы электромагнитного излучения взаимодействуют с атомами и молекулами. Из этих взаимодействий химик может получить информацию о структуре молекулы, а также о типах химических связей, которые она содержит. Однако прежде чем мы поговорим об этом, необходимо поговорить немного подробнее о физических свойствах световых волн.

Электромагнитный спектр световых волн

Электромагнитные волны можно классифицировать и упорядочивать в соответствии с их различными длинами волн / частотами; эта классификация известна как электромагнитный спектр. Следующая таблица показывает нам этот спектр, который состоит из всех типов электромагнитного излучения, существующих в нашей Вселенной.

Электромагнитный спектр состоит из всех видов излучения Вселенной. Гамма-лучи имеют самую высокую частоту, а радиоволны — самую низкую. Видимый свет находится примерно в середине спектра и составляет очень небольшую часть всего спектра.

Как мы видим, видимый спектр, то есть свет, который мы можем видеть своими глазами, составляет лишь небольшую часть различных типов излучения, которые существуют. Справа от видимого спектра мы находим типы энергии, которые имеют более низкую частоту (и, следовательно, большую длину волны), чем видимый свет. Эти типы энергии включают инфракрасные (ИК) лучи (тепловые волны, излучаемые тепловыми телами), микроволны и радиоволны. Эти типы излучения постоянно окружают нас и не являются вредными, потому что их частота очень мала. Как мы увидим в разделе «фотон», более низкочастотные волны имеют меньшую энергию и, следовательно, не опасны для нашего здоровья.

Слева от видимого спектра находятся ультрафиолетовые (УФ) лучи, рентгеновские лучи и гамма-лучи. Эти типы излучения вредны для живых организмов из-за их чрезвычайно высоких частот (и, следовательно, высоких энергий). Именно по этой причине мы используем лосьон для загара на пляже (чтобы заблокировать УФ-лучи от солнца), и поэтому рентгенолог поместит на нас свинцовый щит, чтобы предотвратить проникновение рентгеновских лучей во что-либо другое. чем отображаемая область нашего тела. Гамма-лучи, будучи наивысшими по частоте и энергии, являются наиболее разрушительными. К счастью, наша атмосфера поглощает гамма-лучи из космоса, тем самым защищая нас от вреда.

Далее мы поговорим о взаимосвязи между частотой волны и ее энергией.

Двойственная природа света, история в деталях

Мы уже описали, как свет распространяется в пространстве в виде волны. Это было хорошо известно довольно давно. Фактически, голландский физик Христиан Гюйгенс впервые описал волновую природу света еще в конце семнадцатого века. Спустя годы после Гюйгенса физики предположили, что световые волны и материя совершенно отличны друг от друга. Согласно классической физике, материя состоит из частиц, обладающих массой, положение которых в пространстве может быть известно; световые волны, с другой стороны, считались имеющими нулевую массу, и их положение в пространстве не могло быть определено. Поскольку они относились к разным категориям, ученые не имели хорошего понимания того, как взаимодействуют свет и материя. Все изменилось, когда физик Макс Планк начал изучать черные тела — тела, нагретые до тех пор, пока они не начали светиться.

Двумерное представление волны. Амплитуда — это расстояние от его центральной оси (обозначенной красной линией) до вершины гребня. Длина волны — это расстояние от гребня до гребня или от впадины до впадины.

Имейте в виду, что некоторые волны (включая электромагнитные волны) также колеблются в пространстве, и поэтому они колеблются в заданном месте с течением времени. Величина, известная как частота волны, относится к числу полных длин волн, которые проходят через данную точку в пространстве каждую секунду.

Позже другие астрономы и физики открыли новые способы использования спектра для анализа света. Они обнаружили, что свет от любого источника, будь то свеча или звезда, состоит из комбинации длин волн в зависимости от того, какие атомы и молекулы излучают свет. Эта наука (спектроскопия) позволяет астрономам определять, какие элементы должны присутствовать на поверхности данной звезды.

Планк обнаружил, что электромагнитное излучение, испускаемое черными телами, нельзя объяснить классической физикой, которая постулировала, что материя может поглощать или излучать любое количество электромагнитного излучения. Планк заметил, что вещество фактически поглощает или излучает энергию только в целых числах. Это было шокирующее открытие, потому что оно поставило под сомнение идею о том, что энергия непрерывна и может передаваться в любом количестве. Реальность, которую обнаружил Планк, заключается в том, что энергия не является непрерывной, а квантованной, что означает, что она может передаваться только отдельными «пакетами» (или частицами). Каждый из этих энергетических пакетов известен как квант (множественное число: кванты).

Открытие Планка квантования электромагнитного излучения навсегда изменило представление о том, что свет ведет себя исключительно как волна. На самом деле свет, казалось, обладал как волнообразными, так и частицеобразными свойствами.

Фотон

Открытия Планка проложили путь к открытию фотона. Фотон — это элементарная частица или квант света. Как мы скоро увидим, фотоны могут поглощаться или испускаться атомами и молекулами. Когда фотон поглощается, его энергия передается этому атому или молекуле. Поскольку энергия квантуется, передается вся энергия фотона (помните, что мы не можем передавать доли квантов, которые являются наименьшими возможными отдельными «энергетическими пакетами»). Верно и обратное этому процессу. Когда атом или молекула теряют энергию, они испускают фотон, который несет энергию, точно равную потерям энергии атома или молекулы. Это изменение энергии прямо пропорционально частоте испускаемого или поглощаемого фотона.

Влияние спектра света на рост растений

Вносят максимальный вклад энергии в протекание фотосинтеза. Способствуют увеличению биомассы, ускорению прорастания, цветения, плодоношения.

Белый

Имитирует естественную освещенность с различными оттенками. Рекомендуется использовать совместно с красным освещением.

Синий

Является регулятором скорости развития, позволяя вырастить рассаду с более короткими, утолщенными стеблями и мясистыми листьями. Стимулирует образование органических веществ. Ускоряет наступление цветения.

Ультрафиолет

Излучение в спектральном диапазоне 270-380 нм стимулирует жизнедеятельность и синтез витаминов, повышает холодостойкость.

Требования к свету в теплице

  • искусственное освещение должно включаться на 12-15 часов в сутки; 
  • необходимо имитировать смену дня и ночи, отключая подсветку на 6-7 часов; 
  • требуется подбирать осветительный период под этапы развития растений. Например, овощам на начальном этапе нужна подсветка до 20 часов, а на завершающем – 10-11 часов; 
  • плодоносящие растения нуждаются в большем количестве света в отличие от зелени; 
  • следует обеспечить равномерность светового потока за счет установки рефлекторов, имеющих возможность фокусировки; 
  • цвет свечения осветительных приборов должен выбираться с учетом особенности выращиваемой продукции и стадии ее созревания.

Эффективность белых светодиодов

Многим выращиваемым культурам требуется определенный процент белого света, имитирующего дневное освещение. Например, овощи растут интенсивнее под белым светодиодным свечением. Наибольший эффект достигается при использовании светоизлучающих диодов, имеющих цветовую температуру 4000 Кельвинов.

Лучший спектр света для растений

На рисунке показан наилучший световой спектр для выращивания растительных культур. Видны значения длин волн и цветовая гамма пиков фотосинтеза, фотоморфогенеза и синтеза хлорофилла. Основные пики приходятся на 445 и 660 нанометров. Минимумом поглощения отличаются зеленые и желтые волны (500/600 нм).

Три категории растений

Гелиофиты нуждаются в интенсивном освещении и плохо переносят затенение. В условиях теплиц им требуется много света для нормального роста и развития. Примеры: томаты, кабачки, баклажаны.

Теневыносливые

Сциофиты хорошо развиваются при невысоком уровне освещенности. Избыток света негативно сказывается на вкусовом качестве продукции. К теневыносливым относят брокколи, цветную, пекинскую и белокочанную капусту, огурцы, редис, фасоль.

Тенеиндифферентные

В эту категорию входят растения, прекрасно растущие в тени и требующие минимальной подсветки в течение дня. Например, ревень, многолетний лук, щавель, руккола, шпинат, салат.

Возможное светодиодное освещение

Для выращивания рассады лучше всего подходят светодиодные светильники со спектром, в котором преобладают красный, оранжевый, синий цвета. Именно такая цветовая гамма активизирует фотосинтез, дает достаточно энергии для быстрого прорастания и эффективного развития.

Осветительные приборы на светодиодах выгодно отличаются малым энергопотреблением, высокой светоотдачей и долговечностью в эксплуатации. Компактные размеры позволяют удобно разместить осветители даже в небольшом помещении.

Светодиодные лампы устанавливаются на различной высоте: после высевания семян – 12-14 см, с увеличением в дальнейшем до 25 см. Длительность подсветки варьируется в зависимости от вида рассады: помидоры – 15-17 часов, а, например, перец и баклажаны – 11-12 часов.

Светодиодное освещение для теплиц

Светодиодное освещение теплиц пользуется наибольшей популярностью, благодаря целому ряду преимуществ перед альтернативными источниками света:

  • более высокая энергоэффективность;
  • возможность выбора спектрального диапазона;
  • наличие регулировки яркости светового потока;
  • равномерность и однородность свечения;
  • небольшой нагрев даже у мощных устройств;
  • безопасное электропитание 12/24/36 Вольт.

Правильное сочетание разных цветов лед освещения позволяет получать обильные и качественные урожаи на протяжении всего календарного года.

Фито светодиоды

Фитосветодиоды предназначены для установки в фитолампах, используемых как источники искусственного света на всех стадиях выращивания растений. Эта разновидность светоизлучающих диодов выдает свечение с пиком интенсивности в, так называемом, «фитоактивном» спектре (450-660 нанометров), наиболее благоприятном для роста любых выращиваемых культур.

Фитодиоды выделяют максимум световой энергии при минимуме тепловыделения. Поэтому их можно располагать рядом с растительностью, не опасаясь ожога листьев. Еще одним плюсом является меньшее высушивание почвы. Таким образом фитолампа для растений является эффективным светотехническим устройством, помогающим получить обильный урожай.

Освещение аквариумов

Спектр света для аквариумных растений рекомендуется выбирать в красном и синем поддиапазоне. Такое комбинированное свечение улучшает фотосинтез, а также способствует лучшей цветной пигментации подводной флоры.

Свет — это… Природа света. Законы света

Солнечный свет

Солнцезащитные оконные стекла производятся разными способами и могут служить для разных целей. Чтобы понять, зачем нужно несколько видов прозрачных полотен с эффектом защиты от солнца, нужно сначала понять суть солнечного излучения. Оно состоит из:

  • видимого света;
  • невидимого ультрафиолета;
  • невидимого инфракрасного излучения.

Видимый свет создает естественное освещение. В России снижать уровень инсоляции, как правило, нецелесообразно, зато для южных широт это весьма актуально. Для снижения уровня освещенности используется затемненное стекло.

Невидимый ультрафиолет (УФ) пагубно влияет на здоровье человека (известно, что он провоцирует рост раковых клеток) и объекты органического происхождения. Из-за этого излучения выцветают обои, портятся картины и дорогие антикварные вещи. ИК-излучение — это тепловая энергия, которая обеспечивает нагрев помещения.

Технологи разработали множество видов солнцезащитных стеклянных полотен, чтобы успешно решать как проблему солнечного излучения в комплексе, так и для защиты от его отдельных компонентов.

Виды солнцезащитного стекла

Защитное стекло от солнца — это отражающие или поглощающие стеклянные полотна, работающие по-разному. Такие стекла могут иметь пиролитическое или электромагнетическое покрытие.

Окрашенные в массе

Наибольшей эффективностью обладают стекла, окрашенные в массе, поскольку их защитные свойства не исчезают на протяжении многих лет. Такие полотна пропускают до 75 % света, и только 30–35 % ИК-излучения. Стекло этого типа может быть закаленным и иметь защитную пленку.

С жестким покрытием

Отразить весь спектр солнечного света может стекло с неселективным (жестким) покрытием. Оно имеет толщину 5–30 нм и разнится по составу. Покрытие может включать оксиды титана, хрома, железа, никеля. В основе действия — способность металлов отражать и поглощать солнечную энергию.

С мягким покрытием

Мягкое или, иначе говоря, селективное покрытие имеет другую природу. Оно частично отражает ИК-свет благодаря серебристому слою толщиной 10–20 нм. В такие покрытия могут также добавляться оксиды металлов и цинк для предотвращения нагревания стекла.

Таким образом, чтобы правильно выбрать стекло для защиты от солнца, нужно четко определить, что именно в солнечном излучении мешает больше всего. И только после этого принимать окончательное решение.

Новый взгляд на Вселенную

Наверняка вам известно о том, что таким знаниям мы обязаны спектральному анализу. Однако нередко мы недооцениваем вклад этого метода в само понимание Вселенной. Появления спектрального анализа перевернуло многие устоявшиеся парадигмы о строении и свойствах нашего мира.

Благодаря спектральному анализу мы имеем представление о масштабе и величии космоса. Благодаря нему мы перестали ограничивать Вселенную Млечным Путём. Спектральный анализ открыл нам великое разнообразие звезд, рассказал об их рождении, эволюции и смерти. Этот метод лежит в основе практически всех современных и даже грядущих астрономических открытий.

Узнать о недосягаемом

Ещё два столетия назад было принято считать, что химических состав планет и звезд навсегда останется для нас загадкой. Ведь в представлении тех лет космические объекты всегда останутся для нас недоступными. Следовательно, мы никогда не получим пробного образца какой-либо звезды или планеты и никогда не узнаем об их составе. Открытие спектрального анализа полностью опровергло это заблуждение.

Спектральный анализ позволяет дистанционно узнать о многих свойствах далёких объектов. Естественно, без такого метода современная практическая астрономия просто бессмысленна.

Линии на радуге

Темные линии на спектре Солнца заметил ещё в 1802 году изобретатель Волластон. Однако сам первооткрыватель особо не зациклился на этих линиях. Их обширное исследование и классификацию произвел в 1814 году Фраунгофер. В ходе своих опытов он заметил, что своим набором линий обладает Солнце, Сириус, Венера и искусственные источники света. Это означало, что эти линии зависят исключительно от источника света. На них не влияет земная атмосфера или свойства оптического прибора.

Природу этих линий в 1859 открыл немецкий физик Кирхгоф вместе с химиком Робертом Бунзеном. Они установили связь между линиями в спектре Солнца и линиями излучения паров различных веществ. Так они сделали революционное открытие о том, что каждый химический элемент обладает своим набором спектральных линий. Следовательно, по излучению любого объекта можно узнать о его составе. Так был рождён спектральный анализ.

В ходе дальнейших десятилетий благодаря спектральному анализу были открыты многие химические элементы. В их число входит гелий, который был сначала обнаружен на Солнце, за что и получил своё название. Поэтому изначально он считался исключительно солнечным газом, пока через три десятилетия не был обнаружен на Земле.

Три вида спектра

Чем же объясняется такое поведение спектра? Ответ кроется в квантовой природе излучения. Как известно, при поглощении атомом электромагнитной энергии, его внешний электрон переходит на более высокий энергетический уровень. Аналогично при излучении – на более низкий. Каждый атом имеет свою разницу энергетических уровней. Отсюда и уникальная частота поглощения и излучения для каждого химического элемента.

Именно на этих частотах излучает и испускает газ. В тоже время твёрдые и жидкие тела при нагревании испускают полный спектр, независящий от их химического состава. Поэтому получаемый спектр подразделяется на три типа: непрерывный, линейчатый спектр и спектр поглощения. Соответственно, непрерывный спектр излучают твёрдые и жидкие тела, линейчатый – газы. Спектр поглощения наблюдается тогда, когда непрерывное излучение поглощается газом. Другими словами, разноцветные линии на тёмном фоне линейчатого спектра будут соответствовать тёмным линиям на разноцветном фоне спектра поглощения.

Именно спектр поглощения наблюдается у Солнца, тогда как нагретые газы испускают излучение с линейчатым спектром. Это объясняется тем, что фотосфера Солнца хоть и является газом, она не прозрачна для оптического спектра. Похожая картина наблюдается у других звёзд. Что интересно, во время полного солнечного затмения спектр Солнца становится линейчатым. Ведь в таком случае он исходит от прозрачных внешних слоёв её атмосферы.

Принципы спектроскопии

Оптический спектральный анализ относительно прост в техническом исполнении. В основе его работы лежит разложение излучения исследуемого объекта и дальнейший анализ полученного спектра. Используя стеклянную призму, в 1671 году Исаак Ньютон осуществил первое «официальное» разложение света. Он же и ввёл в слово «спектр» в научный обиход. Собственно, раскладывая таким же образом свет, Волластон и заметил чёрные линии на спектре. На этом принципе работают и спектрографы.

Разложение света может также происходить с помощью дифракционных решёток. Дальнейший анализ света можно производить самыми различными методами. Изначально для этого использовалась наблюдательная трубка, затем – фотокамера. В наши дни получаемый спектр анализируется высокоточными электронными приборами.

До сих пор речь шла об оптической спектроскопии. Однако современный спектральный анализ не ограничивается этим диапазоном. Во многих областях науки и техники используется спектральный анализ практически всех видов электромагнитных волн – от радио до рентгена. Естественно, такие исследования осуществляются самыми различными методами. Без различных методов спектрального анализа мы бы не знали современной физики, химии, медицины и, конечно же, астрономии.

Спектральный анализ в астрономии

Как отмечалось ранее, именно с Солнца началось изучение спектральных линий. Поэтому неудивительно, что исследование спектров сразу же нашло своё применение в астрономии.

Разумеется, первым делом астрономы принялись использовать этот метод для изучения состава звезд и других космических объектов. Так у каждой звезды появился свой спектральный класс, отражающий температуру и состав их атмосферы. Также стали известны параметры атмосферы планет солнечной системы. Астрономы приблизились к пониманию природы газовых туманностей, цефеид, а также комет, колец Сатурна, полярного сияния и многих других небесных объектов и явлений.

Однако с помощью спектрального анализа можно узнать не только о качественном составе объектов.

Измерить скорость

Эффект Доплера был теоретически разработан австрийским физиком в 1840 году, в честь которого он и был назван. Этот эффект можно пронаблюдать, прислушиваясь к гудку проезжающего мимо поезда. Высота гудка приближающегося поезда будет заметно отличаться от гудка отдаляющегося. Примерно таким образом Эффект Доплера и был доказан теоретически. Эффект заключается в том, что для наблюдателя длина волны движущегося источника искажается. Она увеличивается при удалении источника и уменьшается при приближении. Аналогичным свойством обладают и электромагнитные волны.

При отдалении источника всё темные полосы на спектре его излучения смещаются к красной стороне. все длины волн увеличиваются. Точно также при приближении источника они смещаются к фиолетовой стороне. Таким образом эффект Доплера стал отличным дополнением к спектральному анализу. Теперь по линиям в спектре можно было узнать то, что раньше казалось невозможным. Измерить скорости космических объекта, рассчитать орбитальные параметры двойных звёзд, скорости вращения планет и многое другое. Особую роль эффект «красного смещения» произвёл в космологии.

Открытие американского учёного Эдвина Хаббла сравнимо с разработкой Коперником гелиоцентрической системы мира. Исследуя яркость цефеид в различных туманностях, он доказал, что многие из них расположены намного дальше Млечного Пути. Сопоставив полученные расстояния с красным смещением спектров галактик, Хаббл открыл свой знаменитый закон. Согласно нему, расстояние до галактик пропорционально скорости их удаления от нас. Хотя его закон несколько разнится с современными представлениями, открытие Хаббла расширило масштабы Вселенной.

Спектральный анализ и современная астрономия

Сегодня без спектрального анализа не происходит практически ни одного астрономического наблюдения. С его помощью открывают новые экзопланеты и расширяют границы Вселенной. Спектрометры несут на себе марсоходы и межпланетные зонды, космические телескопы и исследовательские спутники. Фактически без спектрального анализа не было бы современной астрономии. Мы так и дальше бы вглядывались пустой безликий свет звёзд, о котором не знали бы ничего.

Оцените статью
( Пока оценок нет )
Как Это Работает?
Добавить комментарий