Спектральний склад сонячної радіації і біологічне значення частин спектра

Сонце – найближча до нас зірка. Відстань від Землі до Сонця в середньому складає 149,5 млн. км. Якщо виразити відстань в світлових хвилинах, то воно дорівнює в середньому 8,3 світлові хвилини. Наскільки близько находиться Сонце від Землі можна порівняти по відстані до другої зірки сонячної системи Альфа Центавра, яке дорівнює 4,3 світлових роки.

Сонце є основним джерелом енергетичних процесів на Землі. Сонце - велика куля (діаметром 1,4 млрд. км) , яка складається з розжарених газів: водню (50%), гелію (40%) і суміші важких елементів (10%). Об’єм Сонця в 1,3 10⁶ разів більше об’єму Землі, а його маса складає 99,87% маси всієї сонячної системи. Всередині Сонця температура становить 20000000 ⁰С, а на зовнішні поверхні 6000 ⁰С. За такої високої температури в надрах Сонця весь час проходять ядерні реакції, в результаті яких Сонце випромінює в простір енергію, яка приблизно дорівнює 3,71 10²⁶ Вт. До Землі доходить близько однієї мільярдної частини цієї енергії. Проте і це становить понад 3,3 10⁸ Вт на 1 км² за рік. Така енергія рівноцінна потужності 33 10⁴ кВт. На верхню границю Землі приходить енергетичний потік в 1382 Вт/м².

Інтенсивність сонячної радіації вимірюють в Вт/м² або кал/см² хв. 1 кал/см² хв = 698 Вт/м².

Мал. 4. Будова Сонця

Прихід радіації на верхню межу атмосфери змінюється в залежності від відстані Землі до Сонця, яке на протязі року не залишається постійним внаслідок еліптичної орбіти Землі. Найменша відстань Землі до Сонця (перигелій) – 147 ∙ 10⁶ км, це проходить 2 січня. Найбільша відстань Землі від Сонця (афелій), дорівнює 152 ∙ 10⁶ км і відмічається 5 липня.

Мал. 5. Відстань Землі до Сонця

В атмосфері сонячна радіація на шляху до поверхні Землі частково поглинається а також розсіюється і відбивається від земної поверхні. Тому в атмосфері спостерігають три види промінистої енергії Сонця: пряма, розсіяна, та відбита.

Пряма сонячна радіація – поступає на Землю безпосередньо від сонячного диску в вигляді пучка паралельних промінів. Інтенсивність потоків прямої радіації пов’язані з положенням сонця над горизонтом.

При безхмарному небі, прозорі атмосфері і високому розташуванні Сонця над горизонтом пряма радіація найбільш інтенсивна.

Розсіяна сонячна радіація – частина сонячної радіації, яка проходячи крізь атмосферу розсіюється молекулами атмосферних газів та аерозолів. Інтенсивність молекулярного розсіювання підкоряється закону Релея:

С – коефіцієнт, який залежить від кількості розсіюваючих частинок в одиниці об’єму повітря;

λ – довжина хвилі.

Відбита короткохвильова сонячна радіація – частина сонячної радіації, яка відбивається земною поверхнею.

Сумарна радіація – складається з прямої сонячної радіації, яка приходить на горизонтальну поверхню та розсіяної радіації. Щорічно потоки сонячної радіації не є постійними в зв’язку із хмарністю, викидами аерозолів в атмосферу, циклами сонячної активності. Безумовно зміна потоків сумарної радіації впливають на процеси фотосинтезу рослин, на їх продуктивність.

Земна поверхня, як фізичне тіло, яке має температуру вище –273^оС, є джерелом випромінювання яке називають теплове випромінювання Землі. Воно направлено в атмосферу і майже повністю поглинається нею. Атмосфера в свою чергу також випромінює тепло частково в космічний простір, а частково на земну поверхню. Частину атмосферного випромінювання , яка приходить до земної поверхні називають – зустрічним випромінюванням.

Промінисту енергію Сонця та теплове випромінювання Землі і атмосфери умовно поділяють на короткохвильове і довгохвильове (табл. 6). Пряма, розсіяна і відбита радіація відносяться до короткохвильової частини спектра, а теплове випромінювання Землі та зустрічне випромінювання до довгохвильової.

Таблиця 6.

Поділ промінистої енергії Сонця

Розділ метеорології, який вивчає промінисту енергію в атмосфері називають актинометрією.

Сонячна радіація складається з електромагнітних хвиль різної довжини. В актинометрії цю довжину найчастіше вимірюють в мікрометрах (мкм),а деколи в нанометрах (1 мкм = 1^{-6 м; 1 нм = 10-9 м). Розпреділення хвиль по довжині називають спектром. Сонячний спектр складається з трьох частин: ультрафіолетового, видимого та інфрачервоного випромінювання. Довжина хвиль і енергія в окремих частинах сонячного спектра аналізується в таблиці 7.}

Біля верхнього шару атмосфери на видиму частину приходиться - 46%, на інфрачервону - 47%, на ультрафіолетову – 7%. Видима частина спектра створює освітленість, при проходженні через призму сонячне світло розпадається на кольорові промені розміщені по мірі зменшення довжини хвиль в слідуючому порядку червоні, оранжеві, жовті, зелені, голубі, сині, фіолетові. Дія цих променів на око людини одночасно сприймається як білий колір. Крім промінистої енергії, від Сонця до Землі поступає корпускулярне випромінювання, яке складається з електрично заряджених частинок. Це випромінювання поглинається в атмосфері на висоті 100 км.

Таблиця 7.

Довжина хвиль і енергія в окремих частинах сонячного спектра

Максимум енергії в спектрі сонячної радіації на верхні межі атмосфери приходиться на довжину хвилі 0,48 – 0,49 мкм, тобто лежить в синьо-голубі частині спектра. Спектр прямої радіації у земної поверхні характеризується максимумом в жовто-зелені області.

2. Екологічне значення основних частин спектра

Для фізіологічних процесів, які обумовлюють життєдіяльність рослин, найбільше значення має короткохвильова радіація з довжиною хвилі менше 4 мкм. Діапазон короткохвильової сонячної радіації поділяють по біологічні дії на рослини на ультрафіолетову, фотосинтетично активну та ближню інфрачервону.

Ультрафіолетова радіація, яка доходить до земної поверхні, із зменшенням висоти Сонця зменшується. В високогірських районах, на висоті більше 4 км, кількість цієї радіації більше в два-три рази, порівняно з рівнем моря. Ультрафіолетова радіація в основному діє на ростові процеси, призупиняючи їх. Вплив цієї частини радіації на швидкість розвитку вивчено ще недостатньо. В основному цей вплив проявляється в прискорені проходження етапів формування репродуктивних органів.

З частиною видимої радіації майже співпадає так звана фізіологічно активна радіація (0,35-0,75 мкм), енергія якої поглинається пігментами листа і має дуже важливе регуляторно-енергетичне значення в житті рослин. В межах цієї ділянки спектра виділяється область фотосинтетично активної радіації (ФАР) з довжиною хвилі 0,38-0.71 мкм.

В процесі фотосинтезу використовується не весь спектр сонячної радіації, а тільки його частина, яка знаходиться в інтервалі 0,38-0,71 мкм. Із радіації, яка поглинається, в дані частині спектра, до 28% використовується в процесі фотосинтезу для створення різноманітних органічних речовин. Вірна уява про ФАР, облік її розпреділення по території і в часі має велике значення для отримання високих врожаїв тому , що ФАР – найважливіший фактор продуктивності сільського господарства. Встановлено, що для накопичення певної кількості органічної речовини рослин, необхідна інтенсивність сонячної радіації, яка перевищує певне значення. Це значення називають компенсаційною точкою. Для сільськогосподарських культур на території України ця величина в межах ФАР дорівнює 20-35 ВТ/м². На значення компенсаційної точки впливає вік рослини. Якщо освітленість нижча за цю величину, то ріст та розвиток буде незначний (витрати органічної речовини на дихання перевищують утворення органічної речовини під час фотосинтезу). Деколи в густих посівах або в теплицях в похмурі дні інтенсивність ФАР є недостатньою, це призводить до ослаблення процесу фотосинтезу та відповідно до зменшення продуктивності посівів. Коли ж світловий потік потрібної довжини хвиль більший за компенсаційну точку, то інтенсивність фотосинтезу буде зростатиме. Проте слід пам’ятати, що приріст органічної маси збільшуватиметься тільки в межах освітленості 200-280 Вт/м². При більший освітленості приросту не буде.

Значення ближньої інфрачервоної радіації, яка активно поглинається водою листя та стебел рослин, складається в тепловому ефекті, що впливає на ріст та розвиток рослин.

Інфрачервона радіація з довжиною хвилі більше 4 мкм дає лише теплову дію на рослини. ЇЇ вплив на ріст та розвиток рослин не суттєве. В високогірських районах енергія інфрачервоних променів росте. Це значно компенсує недостатню кількість тепла, яке тут отримують рослини з оточуючого повітря. Частина інфрачервоної радіації збільшується із зменшенням висоти Сонця. Із збільшенням вологості повітря інтенсивність інфрачервоних променів зменшується в зв’язку з поглинанням їх водяною парою.