Лучистая энергия

Когда в термоядерной "топке" Солнца водород превращается в гелий, энергия высвобождается в форме излучения различных видов. Эти разные виды излучения, образующие непрерывный спектр энергий, различаются по длинам волн (рис. 1.3). Длины волн удобно выражать в нанометрах (один нанометр - это миллиардная часть метра, 10^-9 м). Видимая часть спектра охватывает длины волн от 400 до 700 нм. (У некоторых людей порог восприимчивости со стороны коротких и длинных волн несколько сдвинут, но в качестве средних указанные пределы вполне можно принять.) Нижний предел (400 нм) соответствует сине-фиолетовому концу спектра, а верхний (700 нм) -красному его концу; отдельные цвета спектра располагаются в следующем порядке: фиолетовый, синий, зеленый, желтый, оранжевый, красный. Растения воспринимают излучения почти точно в том же интервале длин волн, что и человеческий глаз, если только не считать некоторых групп бактерий, способных использовать инфракрасные лучи, невидимые для глаза.

Рис. 1.3. Спектр лучистой энергии! представленный в логарифмической шкале

В начале нашего века немецкий физик Макс Плавк установил, что лучистая энергия существует в виде отдельных "порций", или квантов (иначе фотонов), и что энергия этих квантов прямо пропорциональна частоте излучения. Другими словами:

Поскольку скорость распространения всех видов излучения одинакова (3•10¹⁰ см/с), а произведение частоты излучения на длину волны равно скорости света

частота излучения может быть определена по длине волны и наоборот. Ясно, что чем больше длина волны, тем ниже частота и тем меньше энергия квантов. Так, квант ультрафиолетового излучения обладает большей энергией, чем квант синего света, .а этот последний в свою очередь несет больше энергии, чем "вант красного света.

При соударении с какой-нибудь молекулой квант лучистой энергии может быть поглощен этой молекулой. В результате поглощения энергии молекула переходит в "возбужденное состояние", и в таком состоянии она оказывается способной вступить в реакцию, которая была для этой молекулы фактически невозможной, когда она находилась на более низком энергетическом уровне. Чтобы вызвать определенную химическую реакцию, квант должен обладать энергией, превышающей некую критическую величину, характерную для данной реакции. Кванты рентгеновских и коротковолновых ультрафиолетовых лучей могут, например, выбивать из атомов электроны, превращая атомы в ионы. Кванты видимой области спектра несут меньше энергии и не способны вызывать ионизацию; однако если они поглощаются пигментами хлоропластов, то они могут осуществить превращение CO₂ в глюкозу. Кванты инфракрасного (теплового) диапазона не способны вызвать ни одной из этих реакций, но они могут вызывать другие перестройки молекул, требующие меньших количеств энергии.

Солнечная радиация, весьма сложная по своему составу, достигает поверхности Земли в сильно измененном виде. Например, озоновый слой атмосферы ("озоновый щит Земли") интенсивно поглощает ультрафиолетовые лучи. Это весьма благоприятный факт, потому что если бы ультрафиолетовое излучение достигало земной поверхности неослабленным, то оно сильно повреждало бы все живое на нашей планете. В последнее время некоторые ученые высказывают опасения, что озоновый щит Земли может оказаться частично разрушенным в результате деятельности человека, в частности под влиянием выхлопов сверхзвуковых самолетов и вследствие накопления в атмосфере фторорганических соединений, используемых в аэрозольных баллонах. Такой эффект имел бы, конечно, пагубные последствия для жизни на Земле. Инфракрасное излучение Солнца поглощается главным образом присутствующими в атмосфере водяными парами, а также в какой-то степени двуокисью углерода, хотя ее содержание в атмосфере очень невелико; благодаря этому поглощению температура на поверхности Земли поддерживается в пределах, приемлемых для живых организмов. Проходит сквозь атмосферу и достигает поверхности Земли по преимуществу то излучение, которое соответствует видимой и инфракрасной областям. Именно это излучение составляет основу энергетики всех живых систем на Земле. Определенную часть этой лучистой энергии улавливают и запасают в процессе фотосинтеза зеленые растения.