автор лого - Климентий Левков Дом ученых и специалистов Реховота
(основан в июле 1991 года)
 
 
В Доме ученых и специалистов:
----------------
 
 
Архив
 
Дом ученых и специалистов Реховота

Проект "Научно и понятно"    


Не Делаем Секрета из Ультрафиолета:
цикл УФ рассказов

декабрь, 2012 г.

 

Продолжаем рассказы ученого
Эдуардa Коркотянa об ультрафиолете

Рассказ десятый: как сосчитать УФ?

Профессор Эдуард Коркотян
(Институт Вейцмана, Реховот)

 

На интенсивность ультрафиолета, достигающего поверхности земли, влияют как естественные природно-географические обстоятельства, так и техногенные. К первым относятся главным образом: географическая широта, время года и время суток, высота местности над уровнем моря, облачность и влажность. Из техногенных отметим задымлённость воздуха больших городов, количество так называемого "смогового озона". Все перечисленные и некоторые другие факторы оказывают нелинейное (т.е. неравномерное) влияние на суммарный объём солнечного излучения. Наибольшей преградой для УФ является озоновый слой атмосферы. Он полностью поглощает УФ-С (100-280 нм), до 98-99% УФ-В (280-315 нм) и существенно ослабляет УФ-А (315-400 нм). Толщина озонового слоя в атмосфере земли составляет около 50 км, а распределение его в этом слое неравномерно. Около 85% всего озона сконцентрировано в стратосфере, между 15-м и 35-м километрами над уровнем моря. В промежутке от 2.5 до 15 километров озона сравнительно мало - не более 5%, так что, в пропорции к толщине, вклад этого слоя в рассеивание незначителен. Ближе к поверхности земли концентрация озона вновь постепенно возрастает. Связано это с появлением техногенного озона из-за промышленной деятельности человека. Этот приземный или тропосферный озоновый слой сам по себе довольно ядовит и является одним из показателей загрязнения воздуха. Но, как и полезный, стратосферный, он всё-таки эффективно поглощает УФ. Вообще, есть как прямая, так и обратная взаимосвязь между молекулами озона и ультрафиолетом. С одной стороны, синтез озона и в верхних слоях атмосферы, и в околоземной тропосфере происходит именно за счет энергии УФ (у земли в реакции участвуют также вредные примеси); а с другой стороны, этот выработанный озон как раз и останавливает УФ-В и С.

 

Применив несложные расчёты, легко понять, что чем толще слой атмосферы в целом, тем толще каждый из её компонентов и - как следствие - более выражен коэффициент поглощения УФ-В. Поскольку солнце несоизмеримо больше земли, то можно условно считать, что его лучи, идущие к нам, параллельны. Кратчайший путь они проходят в области экватора в полдень во время осеннего или весеннего равноденствия. Примем этот уровень поглощения за единицу. На любой другой широте и/или в другое время дня путь лучей окажется больше, т.е. фактор превысит единицу. Причём, прирост будет неравномерным: на сравнительно низких широтах (до 30о - 35о северной или южной широты) и около полудня (от 10 до 14 часов) добавочное ослабление будет незначительным, но затем оно станет стремительно нарастать. Земная ось наклонена к орбитальной плоскости на 23.4о, чему мы и обязаны временами года. В период равноденствия, ось расположена по отношению к солнцу "в профиль". Поэтому сам наклон не играет роли. Но чем ближе к одному из солнцестояний, тем более выражен эффект наклона. Поэтому каждая географическая точка, включая экватор, будет как бы перемещаться в более высокие или низкие широты от точек равноденствия к зимнему и летнему солнцестояниям, когда эти 23.4о вычтутся или приплюсуются к широте местности. Этот "дрейф" влечёт за собой сезонное изменение в уровне УФ. Причём, они тем существеннее, чем выше широта местности. Чтобы не утомлять читателей расчётами, приведу итоговую таблицу для Иерусалима (31 о50'), Одессы (46о30') и Санкт-Петербурга (60о). Широты большинства крупных городов мира (их легко найти по карте) укладываются в этот промежуток от 30-й до 60-й параллели. Зная нужную широту и опираясь на данные таблицы, читатель сам сможет приблизительно определить требуемое значение для любого другого города. Особой точности тут не требуется. Слева в таблице указано время суток от 7 утра до 17 вечера.

Сверху, для каждого из трёх городов даны четыре временные точки: осеннего и весеннего равноденствия (чьи показатели совпадают), а также летнего (конец июня) и зимнего (конец декабря) солнцестояния. Данные таблицы отражают коэффициент атмосферного поглощения (в определённом месте и времени) выраженный через его "экваториальное" значение, принятое за единицу.

 

Иерусалим  Одесса Петербург
Месяц

/час

март и сентябрь июнь Декабрь март и сентябрь июнь Декабрь март и сентябрь июнь Декабрь
7 утра 3.5 2.5 9.5 6.5 4 -- 15 5 --
10 утра 1.5  1.2 4 2 1.4 8 4 2.5 16
12 дня 1.2 1 1.7 1.5 1.1 3 2.5 1.5 7
15 дня 2 1.5 7 2.5 1.8 9 3.5 1.7 14
17 вечера 5 3.5 -- 6.5 4 16 8.5 3 --

 

Зная уровень УФ-В, соответствующий единице (в полдень ясного дня, на уровне моря, у экватора, 20-го марта или 23-го сентября он равен 250-260 мкВт/см2) мы можем вычислить нужное значение, поделив исходный уровень на число из таблицы (или приблизительное число для любой другой географической точки).

 

Упуская многие детали из-за недостатка места, хочу особо подчеркнуть одно важное обстоятельство. Уровень солнечной радиации (не только УФ) не имеет прямого отношения ни к субъективному ощущению тепла (холода, жары), ни даже к показаниям беспристрастного термометра. Тепло имеет свойство накапливаться, как в течение светового дня, так и за весенне-летний сезон (для нашего северного полушария). Остывание идёт так же постепенно и сильно зависит от свойств ландшафта, розы ветров, наличия крупных водоёмов, морей или гор. Кроме того, на субъективное ощущение тепла сильно влияет сила ветра, уровень влажности воздуха и т.д. Таким образом, изменение температуры инерционно, а её ощущение обманчиво. Сами же лучи появляются с восходом солнца и исчезают на закате, они нигде не накапливаются и не зависят от температуры воздуха. Уровень световой радиации, при прочих равных обстоятельствах, зависит только от высоты солнца над горизонтом (т.е. от слоя атмосферы на пути лучей). Поэтому, уровень УФ прохладным и ветреным апрельским днём будет таким же, как и в августовскую жару, а, учитывая летнюю пыль и высокую влажность прибрежного Израиля, апрель "победит". То же касается и любого отдельного дня. Например, многие отдыхающие предпочитают прийти на пляж пораньше, когда, как они говорят, "ещё не так жарко". Но опасаться следует не жары, а чрезмерного облучения. Оно же совершенно одинаково в девять утра и в три часа пополудни. Другое распространённое заблуждение связано с нахождением в воде. Поскольку в море (открытом бассейне и пр.) нам прохладно, мы проникаемся уверенностью, что ультрафиолет остаётся снаружи. Это совершенно не так. Вода почти не поглощает короткий световой спектр1 (теряется менее 1% на глубине в 1м), так что даже на значительной глубине суммарные потери, включая отражение от водной глади, не превышают 10%. Кстати, отражение УФ от таких поверхностей, как светлый грунт, сухой морской песок, галька, водная гладь может добавить к общему фону УФ 15 - 25%. Особенно же опасны в этом отношении снег и лёд, которые возвращают до 80% радиации. Например, если из таблицы вы получили коэффициент поглощения 2, то у моря его следует сократить на четверть, до 1.5.

 

Фактор высоты над уровнем моря в прежние времена видимо не имел особого влияния на интенсивность УФ, учитывая низкое содержание озона в приземном слое. Сколько-нибудь заметную разницу (около 15%) можно было уловить лишь высоко в горах. Однако в нынешнее время скопление техногенного озона, пыли и различных аэрозолей в области 1 - 2 км непосредственно над землёй способно ощутимо ослабить итоговое количество излучения. Считается, что подъём на каждые 500 метров, особенно в городской черте, повышает уровень УФ на 6-8% и даже до 10%. Иными словами, даже крыша высотного здания может существенно повысить его фон. Выше двух-трёх километров над уровнем городов или в экологически чистой местности эффект ослабления значительно уменьшается. Но подымаясь в заснеженные высоты следует помнить, что суммарный эффект может удвоить и даже утроить облучение по сравнению с подножием. Например, тот же коэффициент поглощения 2, в горах может уменьшиться до 1 или даже 0.7.

 

Облачность, казалось бы, должна полностью исключить воздействие УФ. Но не станем торопиться с чувством защищенности. В облаках свет рассеивается и в таком смягчённом виде заполняет пространство. Тут играет роль высота и цвет облаков. Тёмная, низкая облачность практически лишает свет УФ компонента. А вот высокие перистые и даже светлые кучевые облака задерживают не более половины, а чаще лишь около четверти УФ. Более того, непрямой, рассеянный свет меньше ослабевает, проходя сквозь толщу атмосферы под низким углом.

 

1  Расчёты сделаны на основе статьи: "does uv light pass through water?" http://www.madsci.org/posts/archives/2003 09/1062894254.Ph.r.html


(Продолжение следует)

Copyright © 2010-2012 Профессор Эдуард Коркотян    
(Институт Вейцмана)    

декабрь, 2012 г.    

Обсудить на форуме

 



 

Страница 5 из 5
  ГлавнаяДневник мероприятийПлан на текущий месяц     copyright © rehes.org
Перепечатка информации возможна только при наличии согласия администратора и активной ссылки на источник! Мнение редакции не всегда совпадает с мнением автора.