Посудин укр.

10.3. Вплив випромінювання ультрафіолетової області спектра на живі організми

Ультрафіолетовий діапазон ділиться на три основних ділянки: УФ-С (100 280 нм), УФ-В (280 315 нм) і УФ-А (315 380 нм).

Вважається, що УФ-С-випромінювання є надзвичайно небезпечним для живих організмів; УФ-В-випромінювання може викликати специфічні, але не завжди руйнівні ефекти в живих організмах; УФ-А- випромінювання не являє собою небезпеки. Сонячне ультрафіолетове випромінювання уражає нуклеїнові кислоти і білки, викликає еритему, канцерогенні ефекти, кон’юнктивіт, ослаблює фотосинтетичну активність рослинних організмів, інгібує рухомість та орієнтацію мікроорганізмів у просторі. Таким чином, живі організми вимушені розробляти власну стратегію щодо оптимізації їх стану та положення у навколишньому середовищі з точки зору забезпечення процесу життєдіяльності під впливом випромінювання видимого діапазону і, в той же час, запобігання руйнівної дії випромінювання ультрафіолетового діапазону.

Дія ультрафіолетового опромінювання сприяє утворенню вітаміну D, який характеризується антирахітним впливом; причому, найсприятливішим є ультрафіолетове випромінювання з максимумом при

297 нм.

Крім того, ультрафіолетове випромінювання характеризується бактерицидною дією; для цього найкраще використовувати довжини хвиль порядку 254 нм. Реалізовані бактерицидні ефекти пов'язані насамперед з деструкцією клітинних білків і тімононуклеїнової кислоти (яка бере участь у процесах розмноження та ділення клітин). Ультрафіолетове опромінювання повітря в виробничих приміщеннях дає можливість протягом півгодини знищити 63 % бактерій і 45 % спор плісеневих грибів.

Застосовуючи на практиці ультрафіолетове випромінювання, слід пам'ятати, що технологія його використання вимагає ретельного, чіткого вивіреного дозування і врахування спектральних характеристик. Відомо, що ультрафіолетове випромінювання різних спектральних діапазонів може проявляти бактерицидну і антирахітичну дію, але може бути й причиною виникнення кон'юнктивіту, еритеми або онкологічних захворювань (рис. 10.6).

126

ми хмарами); 380 Вт/м2 (небо повістю покрито хмарами). Слід відмітити, що атмосферне випромінювання направлено як до земної поверхні, так і догори.

10.5. Випромінювання земної поверхні

За рахунок поглинутого випромінювання земна поверхня становиться джерелом власного довгохвильового випромінювання, направленого в атмосферу.

Енергетична світність земної поверхні визначається за виразом:

де – випромінювальна здатність земної поверхні (табл. 10.2).

Земна поверхня діє як сіре тіло з температурою 288 К. Спектральна область випромінювання становить 4–50 мкм з максимумом 10 мкм.

Випромінювання земної поверхні майже повністю поглинається атмосферою (зокрема водяною парою, двоокисом вуглецю та озоном), за винятком своєрідних спектральних ділянок – так званих “вікон прозорості”, через які випромінювання спроможне проходити у космос. Так, для випромінювальної здатності земної поверхні 0,95 та температури 288 К енергетична світність земної поверхні становить МЗ = 371 Вт/м2.

10.6. Альбедо

Відношення потоку світла, що дифузно вібивається природною поверхнею, до падаючого потоку, називається альбедо (див. табл.

10.2).

Сумарна енергетична світність земної поверхні визначається

так:

де ТЗ і ТА – температури земної поверхні та атмосфери відповідно.

128

10.2. Значення альбедо a і випромінювальної здатності природних поверхонь

10.7. Вимірювання природних випромінювань

Класифікація радіометрів. Прилади, призначені для вимірювання природних випромінювань, називаються радіометрами. Сенсори радіометрів можуть бути поділені на два типи: теплові і квантові детектори.

Теплові детектори. В основі дії сенсорів цього типу лежить поглинання випромінювання та його перетворення в теплову енергію такої форми, яку можна вимірювати.

129

До основних типів теплових детекторів належать калориметри, в яких реєструються зміни температури матеріалу детектора; термопари та термобатареї, в яких реєструється електрорушійна сила (напруга) в електричному ланцюзі, що складається з послідовно з’єднаних різнорідних провідників, контакти яких мають різну температуру; болометри, принцип дії яких полягає в реєстрації залежності опору провідника, напівпровідника або надпровідника від температури; піроелектричні детектори, в основі яких лежить використання залежності поляризації піроактивного кристалу від зміни його температури при опромінюванні; струм, що проходить чрез кристал, реєструється.

Квантові детектори. Ці сенсори базуються на поглинанні енергії фотона, звільненні електронів та утворенні електричного струму. Кінцевим параметром, що реєструється, може бути напруга, зміна швидкості висилання електронів або провідність сенсора. Залежно від цього радіометри з квантовими детекторами поділяють на фотогальванічні детектори, в яких реєструється напруга, що виникає на фотоелементі під впливом зовнішнього випромінювання; фотовипромінювальні детектори, принцип дії яких полягає в перетворенні енергії оптичного вимірювання в електричну внаслідок зовнішнього (фотое-

лектронні помножувачі) або внутрішнього (фотодіоди) фотоефекту;

фотопровідні детектори, що використовують аналіз залежності електропровідності матеріалу детектора від потоку випромінювання, що потрапляє на цей матеріал.

Вимірювання прямого сонячного випромінювання. Для вимірювання прямого сонячного випромінювання використовують піргеліометр, поверхня детектора якого орієнтована перпендикулярно до потоку випромінювання. Прилад складається з металевого циліндра, на дні якого розташований детектор (калориметр), системи діафрагм для потрапляння на детектор лише прямого сонячного випромінювання та металевих заслінок. Калориметр обладнаний ванною, по якій циркулює рідина.

Вимірювання температури рідини на вході та виході ванни дозволяє оцінити швидкість теплового потоку і, таким чином, поглинуту сонячну енергію. Зовнішній вигляд піргеліометра наведено на рис.10.7.

130

Вимірювання сумарного випромінювання. Для вимірювання со-

нячного випромінювання, що потрапляє на горизонтальну поверхню з цілої півсфери використовують піранометри. Розрізняють два типи таких приладів – з реєстрацією вертикальноі теплової різниці між поверхнею детектора та його оточенням або горизонтальноі теплової різниці між чорною та білою поверхнею елементів детектора, розміщених в одній площині.

Принцип дії піранометра першого типу пояснюється на рис.10.8. Піранометр містить зіркоподібний детектор, чутливими елементами якого є зафарблені у чорний та білий колір термопари.

Чорні поверхні поглинають сонячне випромінювання інтенсивніше, ніж білі поверхні. Контроль теплообміну між чорними та білими секторами детектора дає можливість оцінити сонячне випромінювання. Прилади обладнані системою температурної стабілізації, оптичної компенсації зміни показів при відхиленнях відгуку від закону косинуса, набором широкосмугових спектральних фільтрів.

Залежно від чутливості піранометри поділяють на класи: перший ( 0,1 %); другий ( 0,5 %) та третій ( 1,0 %). Слід зазначити, що величина електрорушійної сили, індукованої сонячним випромінюванням на кінцях термопар, досягає 10 мВ. Для вимірювання таких величин потрібні чутливі інструменти – такі як електронні потенціометри. Крім того, піранометри слід встановлювати на відкритих місцях або платформах.

Перевагою термоелектричних приймачів є їх здатність давати відліки в будь-який ділянці спектра з постійною чутливістю. Прилади характеризуються високою лінійністю і дають відлік в абсолютних одиницях.

До недоліків належать невисока чутливість і велика інерційність. Прилади вимагають також частого контролю чистоти поверхні півсфер та якості осушувальної рідини між ними.

Вимірювання дифузного сонячного випромінювання. Дифузне сонячне випромінювання вимірюють за допомогою рухомих дисків або циліндрів, які спроможні утворити тінь на детектор піранометра. Ці захисні системи повинні рухатися навколо осі, перпендикулярній земній поверхні для врахування обертання Сонця (рис.10.9).

132

Така система називається альбедометром (або балансометром). Детектор цього приладу містить термобатарею. Для запобігання впливу роси і вітру передбачено обдування детектора повітряним потоком за допомогою вентилятора. Звичайно альбедометри розміщують на висоті 1 2 м над земною поверхнею.

Вимірювання довгохвильового випромінювання. Вимірювання довгохвильового випромінювання атмосфери та земної поверхні здійснюється за допомогою піргеометра, який являє собою піранометр, в якому скляні півсфери замінені на купол, що виконує функції інфрачервоного фільтра. Спектральна область пропускання цього фільтра становить 0,3 100 мкм. Звичайно, використовують поліетиленову плівку або інтерференційні фільтри. Крім того, термопари приладу не фарбують. Чутливість приладу дорівнює 10 %.

Рис. 10.11. Піргеометр

Піроелектричні методи. Суть цих методів полягає в використанні залежності поляризації піроактивного кристалу від зміни його температури при опромінюванні. Активною речовиною є сегнетоелектрики. Піроелектричні прилади характеризуються швидкодією, високою чутливістю і великим діапазоном енергії, що вимірюються.

Фотоелектричні методи. Принцип дії цих приладів полягає в перетворенні енергії оптичного вимірювання в електричну внаслідок зовнішнього (фотоелектронні помножувачі) або внутрішнього (фо-

тодіоди) фотоефекту.

Спеціалізовані оцінки випромінювання. В біології розгляд деяких специфічних фотохімічних процесів, таких як фотосинтез, внаслідок якого відбувається перетворення світлової енергії в хімічну, або транспірація, що супроводжується втратою водяної пари рослиною, оптичне випромінювання видимої області спектрам (400-700 нм) відіграє панівну роль. Випромінювання цієї області спектра називається фо-

134

тосинтетично активним випромінюванням (ФАВ). Для оцінювання цього випромінювання вимірюють повну кількість фотонів, отриманих чи поглинутих в певній спектральній області, або загальну енергію випромінювання.

Кількість отриманих фотонів вимірюється в ейнштейнах (символ Е). Енергія одного моля фотонів дорівнює:

де NA – число Авогадро (6,023 1023 моль-1); h – енергія одного фотона. Видно, що величина енергії, еквівалентна 1 Е, залежить від частоти (довжини хвилі).

В табл.10.3 наведено співідношення між одиницями оптичного випромінювання, що вимірюється у природних умовах.

10.3. Співвідношення між мкЕ м-2 с-1 та Вт м-2

В літературі, для оцінювання співвідношення оптичного випромінювання з фотосинтетичною активністю рослин використовують

густину потоку фотосинтетичних фотонів ( ГПФФ ), яка має оди-

ницю вимірювання моль м-2 с-1 або моль фотони м-2 с-1. Для сонячного випромінювання існує фактор перетворення цієї одиниці в фотометричні:

Приклад

Енергетична освітленість земної поверхні в смузі фотосинтетично активого випромінювання ( ФАВ ) становить 500 Вт м-2. Визначити густину потоку фотосинтетичних фотонів ( ГПФФ ), припускаючи, що енергія сонячного випромінювання дорівнює 2,35 105 Дж моль-1.

Розв’язання

135