Солнечный свет

  Начнем с описания света, достигающего поверхности мо­ря. Его по традиции называют белым, потому что в целом он содержит все цвета радуги, смешанные в таких пропор­циях, что мы воспринимаем его как белый цвет.

  В действительности солнечный свет на поверхности океа­на состоит из многих оттенков; если их расположить по по­рядку, мы получим так называемый солнечный спектр (рисунок 14.1). Центральная полоса, в которой свет наиболее интенсивен, представляет собой полосу видимых цветов. Есть множество других оттенков, не видимых для человече­ского глаза: часть энергии существует в той области спект­ра, которая расположена дальше красного цвета и называ­ется инфракрасной, другая часть энергии приходится на об­ласть за фиолетовым цветом — в ультрафиолетовом диапа­зоне спектра. Инфракрасный участок спектра в свою оче­редь разделяют на ближнюю и дальнюю инфракрасные об­ласти. Прослеживание цветов может быстро наскучить, поэ­тому мы используем эквивалентную шкалу, размеченную по длине световых волн; эта шкала также показана на рисунке 14.1. Единицей измерения длины волны является нанометр (нм); 1 нанометр равен одной триллионной части метра.

Уменьшение энергии солнечного света в океане с глубиной

Рисунок 14.1. Уменьшение энергии солнечного света в океане с глубиной.

  Грубый анализ солнечного спектра показал, что наибо­лее интенсивное излучение размещается в полосе видимого света с длинами волн от 400 до 700 нм. Максимальная ин­тенсивность соответствует примерно 500 нм. Интенсив­ность быстро падает по направлению к коротковолновому концу спектра, где энергия в ультрафиолетовом диапазоне ниже 300 нм очень мала. Если бы мы могли взглянуть на солнечный спектр у верхнего края земной атмосферы, то обнаружили бы, что энергия в ультрафиолетовом диапазоне гораздо выше. Большая ее часть поглощается озоновым слоем до того, как солнечный свет достигнет поверхности моря. Как ясно видно на рисунке 14.1, по направлению к длин­новолновому концу инфракрасной области спектра интен­сивность излучения ослабевает гораздо более плавно.

  Следует сделать одно дополнительное замечание: приве­денный здесь спектр сглажен. В действительности в солнеч­ном спектре имеется несколько довольно специфических и глубоких «дыр», особенно в инфракрасной его части. Такие дыры обусловлены селективным поглощением энергии определенных волн некоторыми газами, присутствующими в земной атмосфере. Например, фактически весь солнечный свет с длинами волн больше 6000 нм поглощается углекис­лым газом СО2, и парами воды Н20. Дальнейшее разделение поступающей на Землю солнечной энергии подробно рассматривается в следующем разделе.

Радиационный баланс Земли

  Вейль (Weyl P.K.) приводит краткую сводку бюджета энергии излу­чения для Земли (рисунок 14.2, а). Принимая, что вся солнечная энергия у верхнего края земной атмосферы равна 100%, он продолжает:

«...посмотрим, как распределяется эта энергия в среднем по Земле. Ультрафиолет, составляющий 3% из 100% приходящего солнечного света, большей частью поглощается озоном в верхней части атмосферы. Около 40 из оставшихся 97% взаимодействует с облаками. Из них 24% отражается обратно в космос, 2% поглоща­ется облаками и 14% рассеивается, достигая земной поверхности как рассеянная радиация.

  32% приходящей радиации взаимодействует с водяным паром, пылью и дымкой в атмосфере. 13% из них поглощается, 7% отра­жается обратно в космос и 12% достигает земной поверхности как рассеянный солнечный свет. Следовательно, из первоначальных 100% излучения поверхности Земли достигает 25% прямою солнечного света и 26% рассеянного света. Из этого общего количества 4% отражается от земной поверхности обратно в космос. Итого отражается в космос 35% падающего солнечного света. Из 65% света, поглощаемого Землей, 3% приходится на верхние слои атмо­сферы, 15% — на нижние слои атмосферы и 47% — на поверхность Земли — как океан, так и сушу».

 Рисунок 14.2. Ход световых лучей и их энергии от верхних слоев ат­мосферы к поверхности океана и далее в глубь его.

Радиационный баланс Земли

(а)  Радиационный баланс Земли.

Поведение световых лучей, падающих на поверхность океана

(б)         Поведение световых лучей, падающих на поверхность океана.

 

  Отметим, что для того, чтобы Земля сохраняла тепло­вое равновесие, 47% всей солнечной энергии, которые про­ходят сквозь атмосферу и поглощаются сушей и морем, до­лжны также выделяться сушей и морем. Этот бюджет раз­личен для суши и моря. Вспомните, что в таблице 6.2 мы рас­сматривали тепловой баланс океанов. В этой таблице пада­ющее коротковолновое излучение принимается за 100% — точно то же самое количество энергии, что и вычисленные Вейлем 47% всей энергии, которые действительно достига­ют поверхности Земли.

Определение терминов

  Мы употребили несколько терминов, значение которых может быть не вполне ясным. Дадим некоторые определе­ния.

  Цвет. Этому термину нелегко дать определение. Строго говоря, он характеризует эмоциональное восприятие, кото­рое возникает у нас, когда на наши органы чувств воздейст­вует электромагнитное излучение определенной длины волны.

  Длина волны. Мы считаем электромагнитное излучение волновым; следовательно, длина волны — это расстояние между ее последовательными гребнями.

  Фотон. Мы можем теперь трактовать световые лучи как поток частиц, движущихся со скоростью света. Элементар­ная частица света называется фотоном. Это световой экви­валент энергии. Фотоны с различными длинами волн соот­ветствуют разным цветам и обладают разной энергией. (С точки зрения квантовой механики каждый фотон несет стро­го определенную «порцию» энергии; поглощается ли фотон, например, молекулой хлорофилла, будет зависеть от того, «подходит» ли эта порция энергии поглощающей молекуле.)

  Интенсивность. Интенсивность света удобно количест­венно оценивать числом фотонов, которые проходят через единицу плошали за секунду.

  Поглощение света. В применении к электромагнитному излучению поглощение (абсорбция) означает, что один или более падающих фотонов захватываются и их энергия по­глощается. В морской биологии это связано со способнос­тью растительного пигмента, например хлорофилла, погло­щать энергию фотона и тем самым обеспечивать энергией процесс фотосинтеза. И наоборот, фотосинтетическая спо­собность растительных клеток измеряется минимальным числом фотонов в секунду, необходимых для начала химиче­ских процессов их синтеза.

  Рассеяние. Вместо того чтобы поглощаться, фотоны мо­гут рассеиваться. Рассеиваться они могут вперед, назад и в любом другом направлении.

  Ослабление. Ослабление света объединяет эффекты как поглощения, так и рассеяния. Оно служит мерой того, как быстро ослабевает свет, проходя сквозь морскую воду.

  Коэффициент пропускания. Способность пропускать свет противоположна ослаблению света. Коэффициент про­пускания является мерой того, сколько света проходит путь определенной длины в морской воде.