Солнечный луч

Барабой Вилен Абрамович

С помощью стекол, активированных уранилом или церием, очень удобно выявлять наличие невидимого ультрафиолетового излучения (свечения). Возбужденные люминофоры гасятся инфракрасными лучами и также их обнаруживают.

Мы рассмотрели немало сложных вопросов: какова природа света, как он возникает, распространяется, отражается, преломляется, поглощается, к каким результатам приводит взаимодействие света с веществом. Ознакомившись с особенностями видимого света, со строением красителей и пигментов, мы немало узнали о том, какое место занимает свет в возникновении и развитии жизни на Земле, в практической деятельности человека.

Однако солнечный луч, луч жизни — это не только дневной свет, не только полоска видимого глазом спектра. В обе стороны от него

простираются невидимые излучения, которые, так же как и видимый свет, оказывают на органический мир разностороннее влияние. Об этих «соседях» видимого света мы и продолжим свой рассказ.

Глава III.

Ультрафиолетовые лучи

Загадки невидимого света

Спектр лучей, видимых глазом человека, не имеет резких, четко определенных границ. Со стороны фиолетового цвета одни исследователи относили границу к 4000 А, другие — к 3800, третьи сдвигали ее до 3500 и даже 3200 А. Очевидно, это объясняется различной световой чувствительностью глаз и свидетельствует о наличии области лучей, не видимых глазом человека.

Когда чувствительный термометр помещен в область спектра видимых лучей, он показывает значительное повышение температуры. Что же произойдет, если передвинуть термометр (или термопару) за пределы видимого спектра? Такие опыты были поставлены в начале XIX в. английским астрономом У. Гершелем. После многократно проведенных исследований он обнаружил, что за границей красного цвета термометр показывает повышение температуры с определенным максимумом. Это послужило для ученого доказательством существования новых лучей, названных впоследствии инфракрасными.

А что происходит за фиолетовой, коротковолновой границей спектра? И здесь под влиянием невидимых лучей обнаружено повышение температуры. Правда, выражено оно значительно слабее, чем за красной границей спектра, и скептики пытались подвергнуть сомнению существование таких лучей.

Когда же в качестве чувствительного приемника света немецкий физик И. Риттер и английский ученый У. Уолластон использовали в 1801 г. фотопластинку, реальность новых лучей, названных ультрафиолетовыми, стала неоспоримой. За фиолетовой границей спектра фотографическая пластинка чернеет даже быстрее, чем под влиянием видимых лучей. Поскольку почернение фотопластинки происходит в результате фотохимической реакции, ученые пришли к выводу, что ультрафиолетовые лучи весьма активны.

Дальнейшие исследования обнаружили любопытный факт: спектр ультрафиолетовых лучей Солнца очень узок — от 4000 (граница видимого света) до 2900—3000 А; дальшe он резко обрывается. От искусственных же источников света удается получать гораздо более широкий ультрафиолетовый спектр. В чем же дело? Может быть, Солнце не излучает свет с длиной волны короче 2900 А? С физической точки зрения такая граница была бы необъяснима.

Ответ на поставленный вопрос дал французский ученый А. Корню. Он установил, что озон поглощает ультрафиолетовые лучи короче 2950 А. Молекулы кислорода и атмосфере состоят из двух атомов; в молекуле озона их три. Если предположить, что Солнце излучает и коротковолновые ультрафиолетовые лучи, то под их воздействием молекулы кислорода должны распадаться на отдельные атомы, которые, присоединяясь к другим его молекулам, будут образовывать частицы озона. В верхних слоях атмосферы озон должен покрывать всю Землю своеобразным защитным экраном. Гипотеза Корню получила подтверждение тогда, когда люди проникли в высокие слои атмосферы. На высоте 25—30 км действительно был обнаружен слой озона.

Количество ультрафиолетовых лучей, достигающих земной поверхности, зависит от высоты стояния Солнца. С ее уменьшением от 60 до 15° над горизонтом общее количество солнечной радиации снижается всего на одну пятую, тогда как количество ультрафиолетовых лучей падает в 20 раз. При этом граница излучения сдвигается в сторону длинных волн. Когда Солнце стоит в зените |(в экваториальной области), поверхности Земли достигают лучи длиной 2900 и даже 2890 А. В средних широтах коротковолновая граница заканчивается на уровне примерно 2970 А, и то лишь в полдень в летние месяцы. При более низком стоянии Солнца граница сдвигается до 3000 А и больше. За Полярным кругом Солнце даже летом стоит так низко, что земной поверхности достигают только самые длинноволновые ультрафиолетовые лучи.

При стоянии Солнца в зените его лучи преодолевают толщу атмосферы кратчайшим путем; с уменьшением высоты Солнца над горизонтом путь их в атмосфере становится длиннее. При этом больше всего рассеиваются ультрафиолетовые лучи, хотя рассеяние синих, голубых, желтых и зеленых лучей также велико.

Интенсивное рассеяние ультрафиолетовых лучей в атмосфере дает возможность сделать два важных вывода. Во-первых, при увеличении высоты над Землей количество этих лучей должно возрастать, а граница пропускания их должна смещаться в сторону более коротких волн. Специальные опыты подтвердили, что при подъеме в гору на каждые 100 м интенсивность ультрафиолетовой радиации возрастает на 3—4%. В горах на большой высоте в составе солнечного света обнаружены лучи с длиной волны 2900 и даже 2850 А. Во-вторых, доля рассеянных лучей в общем количестве ультрафиолетовых лучей, достигающих земной поверхности, очень велика. На долю рассеянного ультрафиолета в летний полдень приходится от 46 до 70% суммарной ультрафиолетовой радиации, в течение летних месяцев — 35—56%. В остальные месяцы года рассеянная радиация также составляет значительную часть суммарной радиации. В пасмурные дни, когда диск Солнца закрыт тучами, поверхности Земли достигает главным образом рассеянная радиация. Поэтому хорошо загореть можно не только под прямыми лучами Солнца, но и в тени, и в пасмурные дни.

Полеты на высоту в несколько десятков, сотен и даже тысяч километров над Землей позволили изучить особенности солнечного спектра вне экранирующего влияния земной атмосферы. Непрерывный спектр излучения Солнца, пересеченный линиями Фраунгофера, сохраняя полностью свой обычный характер, продолжается до волн длиной 2100 А. Еще дальше в направлении коротких волн интенсивность непрерывного спектра снижается, и на его фоне появляются уже не темные линии Фраунгофера, а яркие полосы излучения (см. рис. VI на вклейке).

Наиболее яркая линия излучения в этой области — линия водорода 1216 А (первая линия спектральной серии Лаймана). Другая очень яркая линия (с длиной волны 303,8 А) принадлежит ионизированному гелию. В интервале от 1000 до 84 А обнаружены многочисленные спектральные линии ионов гелия, кислорода, азота, Углерода, кремния и других элементов, а также все линии серии Лаймана до 919 А.

В активных участках фотосферы Солнца, особенно во время хромосферных вспышек, интенсивность ультрафиолетового излучения резко возрастает. В области линии 1216 А она увеличивается в два с лишним раза, более коротковолновое излучение возрастает значительно сильнее, а рентгеновское излучение (с длиной волны короче 20 А) усиливается в 10—100 раз. Даже небольшая хромосферная вспышка создает иногда более интенсивный поток ультрафиолетового излучения, чем обычно дает все Солнце.

Ультрафиолетовые лучи, охватывающие огромный диапазон излучений, от 4000 до 20 А, граничат с видимым светом и рентгеновскими лучами. В земных условиях ультрафиолетовая радиация Солнца ограничена озоновым порогом (2900—2950 А). Но с помощью искусственных источников ультрафиолетовых лучей (ртутно-кварцевых, водородных, дуговых ламп и др.), дающих как линейчатый, так и непрерывный спектр, можно получить ультрафиолетовые лучи с длиной волны до 1800 А. Первый вакуумный спектрограф, сконструированный немецким оптиком В. Шуманном, позволил открыть область далекого ультрафиолетового излучения, простирающуюся от 1800 до 1270 А. Эта область излучения получила название вакуумной, или шуманновской радиации. Пользуясь вогнутой дифракционной решеткой, Лайман получил в 1914 г. линию водорода с длиной волны 1216 А. В дальнейшем он исследовал область лучей до 500 А.