Солнечное излучение , химия загара, Витамин D

Солнце поставляет 99,98% всей энергии нашей планеты (остальная энергия – геотермальная). Оно отвечает, прямо или косвенно, за существование самой жизни на Земле. Солнце – это звезда, состоящая на 71% из водорода, 27% - гелия и 2% - твердой материи. Температура вблизи ядра Солнца достигает приблизительно 16 миллионов градусов, а на его поверхности – фотосфере - температура составляет около 5770 К. Мощность энергии, излучаемой Солнцем, составляет около 63 MВт с каждого квадратного метра его поверхности, всего около 3.72 x 10²⁰ MВт. Единицей измерения потока солнечной энергии в системе СИ является ватт на квадратный метр (Вт/м²). При среднем расстоянии от Земли до Солнца - 150 миллионов километров – плотность энергии солнечного излучения, которое достигает атмосферы Земли, составляет в среднем 1,367 кВт/м².

Расстояние от Земли до Солнца изменяется из-за эллиптичности орбиты Земли, поэтому солнечное излучение в верхней границе атмосферы на 6,6% больше 4 января (когда Земля находится ближе всего к Солнцу, в перигелии), чем 4 июля (когда Земля наиболее удалена от Солнца, в афелии). Эти даты не совпадают с датами зимнего и летнего солнцестояния потому, что ось вращения Земли наклонена к плоскости эклиптики на 23,5 °. Из-за большого расстояния между Солнцем и Землей солнечное излучение, которое достигает верхней границы атмосферы, падает в виде почти параллельных лучей.

 Это излучение включает в себя ультрафиолетовое излучение (УФ), видимый свет и ближнее инфракрасное излучение (БИК). Максимальная интенсивность излучения приходится на диапазон видимого спектра - излучение с длиной волны от 400 до 800 нм. Интенсивность ультрафиолетового и инфракрасного излучения значительно ниже. Доля дальнего инфракрасного излучения, приходящего от Солнца, очень мала, однако, когда Земля нагревается под действием солнечного излучения, она излучает ближнее и дальнее ИК излучение, которое, в свою очередь, поглощается и отражается газами, частицами и облаками в атмосфере.

При прохождении через атмосферу часть солнечного излучения достигает поверхности Земли, а часть рассеивается молекулами газов, аэрозольными частицами, каплями воды и кристаллами льда. Молекулы газов и аэрозоли отвечают за бóльшую часть поглощения излучения. Рассеивание солнечного излучения на каплях воды и кристаллах льда происходит во всем спектральном диапазоне. Молекулы же в основном рассеивают излучение коротких длин волн, а аэрозоли – более длинных.

Эти процессы в значительной степени влияют на спектр излучения, которое достигает земной поверхности. Когда солнце находится прямо над головой, оптическая масса атмосферы является минимальной и по определению имеет для этой местности атмосферную массу равную 1,0. Когда солнце опускается к горизонту, оптическая масса атмосферы увеличивается приблизительно в 11 раз и ее влияние на поглощение и рассеивание солнечного излучения становится значительно больше. Некоторые из этих процессов легко наблюдать. Молекулы атмосферы намного сильнее рассеивают короткие волны, чем более длинные - рэлеевское рассеивание. Поэтому, когда солнце находится высоко, небо выглядит синим. Когда же солнце находится вблизи горизонта, короткие волны, проходя через толстый слой атмосферы, испытывают полное рассеивание, и небо по утрам и вечерам выглядит красным. В безоблачный день поток солнечной энергии, достигающий земной поверхности в местный полдень, обычно находится в интервале от 700 до 1300 Вт/м² в зависимости от широты, долготы, высоты над уровнем моря и времени года. Наблюдения за солнечным излучением на земной поверхности ведут в двух диапазонах длин волн: коротковолновом излучении с длиной волны от 300 до 4000 нм и длинноволновом – от 4500 нм (4,5 мкм) до 40 мкм. Коротковолновое излучение включает ультрафиолетовое, видимое и ближнее инфракрасное излучение. Часть солнечного излучения, которая достигает земной поверхности, отражается от нее, а другая часть поглощается. Снег и лед имеют высокую отражательную способность (альбедо), темные и/или неровные поверхности – более низкую. Часть излучения, которая поглощается земной поверхностью, излучается обратно в атмосферу в ближнем инфракрасном диапазоне. Углекислый газ (CO₂), метан (CH₄) и водяной пар (H₂O) в атмосфере способны поглощать это излучение, в свою очередь, нагревая земную атмосферу. Это – так называемый «парниковый эффект». В целом же существует равновесие: Земля получает столько же солнечного излучения, сколько излучает обратно в космос, иначе Земля нагревалась бы или остывала.