Физика в быту

Мощность теплового излучения быстро возрастает с ростом температуры тела, а длины волн этого излучения становятся всё короче и короче. Телá, температура которых меньше 500 °C, излучают только в инфракрасном диапазоне. При более высоких температурах тепловое излучение частично «пробирается» и в красную часть видимого диапазона, а при 2000 °C свечение тела уже кажется нам жёлто-белым (но инфракрасного излучения оно испускает всё же гораздо больше, чем видимого). Солнце, температура поверхности которого около 6000 градусов, излучает во всех диапазонах, но преимущественно в видимом (на него приходится почти половина всей излучаемой энергии). Примерный вид спектра солнечного света изображён на рисунке 11.

Помимо инфракрасного и видимого света, Солнце испускает также волны, длина которых меньше 400 нм – это невидимое ультрафиолетовое излучение. Чем горячее звезда, тем больше ультрафиолета она выдаёт. Максимум излучения звёзд с температурой поверхности более 8000 градусов приходится именно на ультрафиолетовую область спектра.

Электромагнитные излучения, примыкающие к фиолетовому концу видимого спектра и имеющие длины волн от 400 нм до примерно 10 нм, называют ультрафиолетовым излучением.

Рис. 11. Зависимость интенсивности теплового излучения от длины волны. Площадь под графиком соответствует полной мощности излучения, заштрихованная часть – мощности излучения в видимом диапазоне

Естественные источники света, к которым приспосабливалась наша зрительная система за миллионы лет эволюции, – это солнечный свет и голубой свет неба днём, лунный свет и свет костра в тёмное время суток. Ввиду их особой важности для нас давайте познакомимся с ними поближе.

Естественные источники света

Солнечный свет проходит сквозь атмосферу Земли и по пути видоизменяется: немного ослабляется из-за поглощения в атмосфере, а также немного желтеет, так как из пучка фотонов, идущих от солнца к глазам, выбывают коротковолновые сине-фиолетовые фотоны – они гораздо сильнее рассеиваются на молекулярных неоднородностях атмосферы, чем красные. Кстати, это одновременно ответ на вопрос, почему небо голубое: потому что мы видим небо именно благодаря рассеянному солнечному свету, в котором преобладает сине-голубая составляющая. А по ночам небо (то есть атмосфера) совершенно прозрачно и черно, потому что нет рассеянного света.

Почему на рассвете и закате мы видим солнце красным? Свет от солнечного диска, расположенного низко над горизонтом, проходит по касательной к земной поверхности, так что путь солнечных лучей в атмосфере становится намного больше, чем днём, и бóльшая часть синего и даже зелёного света рассеивается в стороны, окрашивая небо, а само солнце кажется красным.

Максимум дневного солнечного спектра после прохождения через атмосферу приходится на жёлто-зелёный диапазон – 555 нм (запомним это число!).

Что касается ультрафиолетовой части солнечного спектра, то она практически обрывается на длине волны 290 нм, так как более короткие волны задерживаются слоем озона в атмосфере, а также поглощаются водяным паром, кислородом и углекислым газом.

Медики выделяют в ультрафиолетовом излучении три участка, в зависимости от длины волны:

УФ-А (400–315 нм), УФ-В (315–280 нм) и УФ-С (280–200 нм). 99 % солнечного ультрафиолета, дошедшего до поверхности Земли, приходится на участок УФ-А и 1 % – на УФ-В; что касается солнечного УФ-С, то оно полностью поглощается атмосферой. Самый мягкий ультрафиолет УФ-А приводит к появлению загара: в клетках выделяется пигмент меланин, меняющий цвет кожи.

Но гораздо более эффективен для загара УФ-В, под действием которого в клетках запускается производство нового меланина, а также вырабатывается витамин D. Это самая полезная для нас часть УФ-спектра – при её отсутствии снижаются защитные функции организма и ухудшается обмен веществ (но «употреблять» её нужно в разумных количествах). Более жёсткое УФ-С излучение Солнца, хотя его и немного в исходном спектре Солнца, было бы губительно для нас, так как оно убивает микроорганизмы и живые клетки. Считается, что жизнь не могла выйти из океанов на сушу, пока в атмосфере не образовалось достаточно озона для поглощения УФ-С.