Что излучает солнце кроме ультрафиолета
Что важно знать о солнечном излучении: УФ А и УФ В
Всем известно, что Солнце — центр нашей системы планет и стареющая звезда — испускает лучи. Солнечное излучение состоит из ультрафиолетовых лучей (УФ / UV) типа А, или UVA — длинноволновых, типа В, или UVB — коротковолновых. Наше понимание того, какие виды повреждений они могут причинять коже и как лучше всего защититься от УФ, похоже, меняется каждый год — по мере появления новых исследований. Например, когда-то считалось, что только UVB вредны для кожи, но мы все больше и больше узнаем из исследований о повреждениях, вызванных UVA. Как следствие, появляются и улучшенные формы защиты от UVA, которые способны при правильном применении предотвратить повреждения от воздействия солнца.
Что такое УФ-излучение?
УФ-излучение является частью электромагнитного (светового) спектра, который достигает Земли от Солнца. Длина волн УФ-излучения меньше спектра видимого света, что делает его невидимым для невооруженного глаза. Излучение по длине волн делится на UVA, UVB и UVC, причем UVA — наиболее длинноволновое (320–400 нм, где нм — миллиардная часть метра). UVA подразделяется еще на два диапазона волн: UVA I (340–400 нм) и UVA II (320–340 нм). Диапазон UVB — от 290 до 320 нм. Более короткие лучи UVC поглощаются озоновым слоем и не достигают поверхности земли.
Однако два типа лучей — UVA и UVB — проникают в атмосферу и являются причиной многих болезней — преждевременного старения кожи, повреждения глаз (включая катаракту) и рака кожи. Они также подавляют работу иммунной системы, уменьшая способность организма бороться с этими и другими заболеваниями.
УФ-излучение и рак кожи
Повреждая клеточную ДНК кожи, чрезмерное УФ-излучение вызывает генетические мутации, которые могут привести к раку кожи. Поэтому и Департамент здравоохранения и социальных служб США, и Всемирная организация здравоохранения признали УФ доказанным канцерогеном для человека. Ультрафиолетовое излучение считается основной причиной рака кожи немеланомы (NMSC), включая карциному базальной клетки (BCC) и плоскоклеточную карциному (SCC). Эти виды рака поражают ежегодно более миллиона людей в мире, из которых более 250 000 — граждане США. Многие эксперты считают, что, особенно для людей с бледной кожей, УФ-излучение часто играет ключевую роль в развитии меланомы — самой опасной формы рака кожи, которая ежегодно убивает более 8 000 американцев.
УФ А-излучение
Большинство из нас подвергается воздействию большого количества ультрафиолета на протяжении жизни. Лучи UVA составляют до 95 % УФ-излучения, достигающего поверхности Земли. Хотя они менее интенсивны, чем UVB, лучи UVA в 30–50 раз более распространены. Они присутствуют с относительно равной интенсивностью в течение всего светового дня в течение года и могут проникать сквозь облака и стекло.
Именно UVA, которое проникает в кожу более глубоко, чем UVB, виновато в старении кожи и возникновении морщин (так называемая солнечная геродермия), но до недавнего времени ученые полагали, что UVА не наносило значительного ущерба эпидермису (самый внешний слой кожи), где локализуется большинство случаев рака кожи. Однако исследования последних двух десятилетий показывают, что именно UVA повреждает клетки кожи, называемые кератиноцитами, в базальном слое эпидермиса, где развивается большинство случаев рака кожи. Базальные и плоскоклеточные клетки — это разновидности кератиноцитов.
Также именно UVA вызывает в основном загар, и теперь мы знаем, что загар (безразлично, где он получен — на открытом воздухе или в солярии) наносит коже ущерб, который усугубляется с течением времени, поскольку повреждаются ДНК кожи. Оказывается, кожа темнеет именно потому, что таким образом организм пытается предотвратить дальнейшее повреждение ДНК. Данные мутации могут привести к раку кожи.
Вертикальный солярий в основном излучает UVA. Лампы, используемые в салонах для загара, излучают дозы UVA в 12 раз больше, чем солнце. Неудивительно, что у людей, которые используют салон для загара, в 2,5 раза чаще развивается плоскоклеточный рак и в 1,5 раза чаще — базально-клеточный рак. Согласно недавним исследованиям, первое воздействие солярия в молодом возрасте повышает риск меланомы на 75%.
УФ В-излучение
UVB, которые являются главной причиной покраснения кожи и солнечных ожогов, наносят в основном ущерб более поверхностным эпидермальным слоям кожи. UVB играет ключевую роль в развитии рака кожи, старении и потемнении кожи. Интенсивность излучения зависит от сезона, местоположения и времени суток. Самое значительное количество UVB поражает США в период с 10:00 до 16:00 с апреля по октябрь. Однако лучи UVB могут повреждать кожу круглый год, особенно на больших высотах и на отражающих поверхностях, таких как снег или лед, которые отдают назад до 80% лучей, так что они попадают на кожу дважды. Радует только то, что UVB практически не проникают через стекло.
Защитные меры
Помните, что защищаться от УФ-излучения следует как внутри помещений, так и снаружи. Всегда ищите тень на улице, особенно между 10:00 и 16:00. А поскольку UVA проникает через стекло, подумайте над укреплением тонированной UV-защитной пленки на верхних частях боковых и задних стекол вашего автомобиля, а также на окнах дома и офиса. Такая пленка блокирует до 99,9% УФ-излучения и пропускает до 80% видимого света.
На открытом воздухе одевайте, чтобы ограничить воздействие УФ-излучения, специальную солнцезащитную одежду с UPF (коэффициент защиты от ультрафиолетового излучения). Чем выше значения UPF, тем лучше. Например, рубашка с UPF 30 означает, что только 1/30-я ультрафиолетового излучения Солнца может достичь кожи. Существуют и специальные добавки в средства для стирки, которые в обычных тканях обеспечивают более высокие значения UPF. Не игнорируйте возможность защититься — выбирайте те ткани, у которых лучшая защита от солнечных лучей. Например, яркая или темная блестящая одежда отражает больше УФ-излучения, чем светлые и отбеленные хлопчатобумажные ткани; правда, свободная одежда обеспечивает больший барьер между вашей кожей и солнечными лучами. Наконец, широкополые шляпы и солнцезащитные очки с УФ-защитой помогают защитить чувствительную кожу на лбу, шее и вокруг глаз — именно в этих областях обычно бывают наиболее тяжелые повреждения.
Защитный фактор (SPF) и УФ В-излучение
С появлением современных солнцезащитных кремов появилась традиция измерять их эффективность фактором защиты от солнца, или SPF. Как ни странно, SPF — это не фактор и не мера защиты как таковой.
Эти числа просто указывают, сколько времени потребуется, чтобы UVB-лучи вызвали покраснение кожи при использовании солнцезащитного крема по сравнению с тем, как кожа будет краснеть без применения данного продукта. Например, пользуясь солнцезащитным кремом с SPF 15, человек продлит время безопасного нахождения на солнце в 15 раз по сравнению с пребыванием в аналогичных условиях без солнцезащитного крема. Солнцезащитный крем SPF 15 экранирует 93% солнечных лучей UVB; SPF 30 — 97%; и SPF 50 — до 98%. Крем с SPF 15 или даже выше необходимы для адекватной повседневной защиты кожи в солнечное время года. Для более длительного или интенсивного воздействия солнца, например нахождения на пляже, рекомендуется SPF 30 или выше.
Солнцезащитный компонент
Поскольку UVA и UVB вредны для кожи, то нужна защита от обоих видов лучей. Эффективная защита начинается с SPF от 15 или выше, также важны следующие ингредиенты: stabilized a avobenzone, ecamsule (также известный как Mexoryl TM ), oxybenzone, titanium dioxide, и zinc oxide. На этикетках солнцезащитных средств можно прочесть фразы типа «защищает от нескольких спектров лучей», «с широким спектром защиты» или «защита от UVA/UVB — все это указывает на то, что предусмотрена защита от UVA. Однако такие фразы могут не совсем соответствовать действительности.
В настоящее время 17 активных ингредиентов одобрены FDA (Управлением по контролю за качеством пищевых продуктов и лекарственных препаратов) для использования в солнцезащитных кремах. Эти фильтры делятся на две широкие категории: химические и физические. Большинство УФ-фильтров — химические, то есть они образуют тонкую защитную пленку на поверхности кожи и поглощают УФ-излучение, прежде чем лучи проникнут в кожу. Физические солнцезащитные средства чаще всего состоят из нерастворимых частиц, отражающих УФ-лучи от кожи. Большинство солнцезащитных кремов содержат смесь химических и физических фильтров.
Солнцезащитные средства, одобренные FDA
Название активного ингредиента / УФ-фильтра
Я на солнышке лежу.
Кандидат физико-математических наук Е. ЛОЗОВСКАЯ.
Спектральный состав солнечного света во многом зависит от времени года, погоды, географической широты и высоты над уровнем моря. Например, чем дальше от экватора, тем сильнее коротковолновая граница сдвигается в сторону длинных волн, поскольку в этом случае свет падает на поверхность под косым углом и проходит большее расстояние в атмосфере, а значит, сильнее поглощается. На положение коротковолновой границы влияет и толщина озонового слоя, поэтому под «озоновыми дырами» на поверхность Земли попадает больше ультрафиолета.
В полдень интенсивность излучения на длине волны 300 нм в 10 раз выше, чем за три часа до этого или три часа спустя. Облака рассеивают ультрафиолет, но только темные тучи способны блокировать его полностью. Ультрафиолетовые лучи хорошо отражаются от песка (до 25%) и снега (до 80%), хуже от воды (менее 7%). Поток ультрафиолета возрастает с высотой, приблизительно на 6% с каждым километром. Соответственно в местах, расположенных ниже уровня моря (например, у берегов Мертвого моря), интенсивность излучения меньше.
Без света жизнь на Земле не могла бы существовать. Растения используют солнечную энергию, запасают ее с помощью фотосинтеза и обеспечивают энергией через пищу всех остальные живые существа. Человеку и другим животным свет обеспечивает возможность видеть окружающий мир, регулирует биологические ритмы организма.
Эту жизнерадостную картину немного осложняет ультрафиолет, поскольку его энергии достаточно, чтобы вызвать серьезные повреждения ДНК. Ученые насчитывают более двух десятков различных болезней, которые возникают или усугубляются под действием солнечного света, среди них пигментная ксеродерма, плоскоклеточный рак кожи, базалиома, меланома, катаракта.
Долгое время белая кожа считалась отличительной чертой знатных и богатых: сразу было видно, что ее обладателям не приходится с утра до ночи работать в поле. Но в ХХ веке все изменилось, бедные слои населения теперь проводили целые дни на заводах и фабриках, а богатые могли позволить себе отдыхать на свежем воздухе, у моря, демонстрируя красивый золотистый загар. После Второй мировой войны мода на загар приобрела массовый характер; загорелая кожа стала считаться признаком не только достатка, но и отменного здоровья. Разрослась туристическая индустрия, предлагающая отдых у моря в любое время года. Но прошло некоторое время, и врачи забили тревогу: оказалось, у любителей загара частота рака кожи возросла в несколько раз. И в качестве спасительного средства было предложено всем без исключения пользоваться солнцезащитными кремами и лосьонами, в состав которых входят вещества, отражающие или поглощающие ультрафиолет.
Известно, что еще во времена Колумба индейцы имели обыкновение раскрашивать себя красной краской, чтобы защититься от солнца. Возможно, древние греки и римляне использовали для этих целей смесь песка с растительным маслом, поскольку песок отражал солнечные лучи. Применение химических солнцезащитных средств началось в 1920-х годах, когда в качестве солнцезащитного средства была запатентована парааминобензойная кислота (ПАБК). Однако она растворялась в воде, так что защитный эффект исчезал после купания, и к тому же раздражала кожу. В 1970-е годы на смену ПАБК пришли ее эфиры, почти нерастворимые в воде и не вызывающие сильного раздражения. Настоящий бум в области солнцезащитной косметики начался в 1980-е годы. Поглощающие ультрафиолет вещества (в косметологии за ними закрепилось название «УФ-фильтры») стали добавлять не только в специальные «пляжные» кремы, но и почти во все косметические продукты, предназначенные для использования в дневное время: крем, жидкую пудру, губную помаду.
Естественно, что производителей косметики больше привлекали прозрачные и хорошо растворимые «химические» УФ-фильтры (известные в фотохимии как УФ-абсорберы). К ним относятся уже упоминавшаяся ПАБК и ее эфиры (сейчас их почти не используют, так как появились сведения, что они разлагаются с образованием мутагенов), салицилаты, производные коричной кислоты (циннаматы), антраниловые эфиры, оксибензофеноны. Принцип действия УФ-абсорбера заключается в том, что, поглотив квант ультрафиолета, его молекула изменяет свою внутреннюю структуру и преобразует энергию света в тепло. Наиболее эффективные и светостойкие УФ-абсорберы работают по внутримолекулярному циклу переноса протона.
Большинство УФ-абсорберов поглощают свет только в УФ-В области. Обычно солнцезащитные средства содержат не один УФ-фильтр, а несколько, как физических, так и химических. Общее содержание УФ-фильтров может превышать 15 процентов.
Для характеристики защитной эффективности кремов, лосьонов и прочей косметической продукции стали использовать так называемый солнцезащитный фактор (по-английски «sun protection factor», или SPF). Идея солнцезащитного фактора была впервые предложена в 1962 году австрийским ученым Францем Грайтером и принята представителями косметической и фармацевтической промышленности. Солнцезащитный фактор определяется как отношение минимальной дозы ультрафиолета, необходимой для возникновения эритемы при действии на защищенную кожу, к дозе, вызывающей такой же эффект при незащищенной коже. Получила широкое распространение популярная интерпретация: если без защиты вы обгораете за 20 минут, то, намазав кожу кремом с защитным фактором, скажем, 15, получите солнечный ожог только пробыв на солнце в 15 раз дольше, то есть через 5 часов.
ОБМАНЧИВОЕ ЧУВСТВО ЗАЩИТЫ
Казалось бы, решение проблемы ультрафиолета найдено. Но на деле все не так просто. В научной литературе стали появляться сообщения, что у людей, которые постоянно пользуются солнцезащитными препаратами, частота возникновения таких разновидностей рака кожи, как меланома и базалиома, не только не снизилась, но и возросла. Было предложено несколько объяснений этого обескураживающего факта.
Результаты опросов показывают, что те, кто пользуется кремами с более высоким фактором защиты, проводят на солнце больше времени, а значит, неосознанно подвергают себя большему риску.
Другие полезные эффекты ультрафиолета связаны в основном с медициной. Ультрафиолетом лечат такие заболевания, как псориаз, экзема, розовый лишай. Датский врач Нильс Финсен в 1903 году получил Нобелевскую премию за применение ультрафиолета в лечении волчаночного туберкулеза кожи. Метод облучения крови ультрафиолетом сейчас успешно применяют для лечения воспалительных и других заболеваний.
СОЛОМЕННАЯ ШЛЯПКА ОТ ЗАГАРА
Вопрос о том, полезен или вреден ультрафиолет, не имеет однозначного ответа: и да, и нет. Многое зависит от дозы, спектрального состава и особенностей организма. Избыток ультрафиолета безусловно опасен, но на защитные кремы полностью полагаться нельзя. Требуются дополнительные исследования, чтобы установить, в какой степени употребление солнцезащитных средств может способствовать развитию раковых заболеваний.
Рекомендации достаточно просты. Избегайте бывать на солнце в самые жаркие часы. Будьте особенно осторожны с солнцем, если принимаете лекарства, обладающие свойствами фотосенсибилизаторов: сульфаниламиды, тетрациклины, фенотиазины, фторхинолоны, нестероидные противовоспалительные препараты и некоторые другие. Фотосенсибилизаторы входят и в состав некоторых растений, например зверобоя (см. «Наука и жизнь» № 3, 2002 г.). Усиливать действие света могут ароматические вещества, входящие в состав косметики и духов.
Защита от солнца должна быть индивидуальной, в зависимости от места жительства, сезона и типа кожи.
Все, что вы хотели знать об ультрафиолете
Все мы любим солнце, бежим ему на встречу при первых его лучах, любим понежиться на солнце и получить красивый загар, но ВАЖНО помнить, что вы можете повредить незащищенную кожу всего за 15 минут, загорелое тело на самом деле это не что иное, как признак того, что ваша кожа повреждена и пытается защитить себя.
Да-да! Здорового загара не бывает! Кожа вырабатывает пигмент темного цвета (меланин) в качестве защиты от дальнейшего повреждения от ультрафиолетового излучения. Темный цвет кожи обеспечивает некоторую защиту от солнечных ожогов + загорелая кожа дает примерный солнцезащитный фактор от 2 до 4, а по некоторым данным 13. Однако он не защищает от долговременного воздействия ультрафиолета, и всех побочных эффектов от его переизбытка.
ПОЛЬЗА
УФ-излучение в небольших дозах полезно:
ВРЕД
Слишком большое пребывание на солнце может быть вредны, особенно для нашей иммунной системы, глаз и кожи.
Кожа
Чрезмерное UV-излучение повреждает кожу и её иммунную систему, утолщает ее, нарушает кровоснабжение, и вызывает фотостарение. Старение кожи на 70% зависит от ультрафиолетового излучения.
Солнечный ожог (эритема)
Высокие дозы ультрафиолетового излучения разрушают большинство клеток в верхнем слое кожи, а клетки, которые не были разрушены, повреждаются. Самая легкая форма ожога – покраснении кожи (эритема). Данное состояние появляется вскоре после воздействия ультрафиолетового излучения и достигает максимальной интенсивности через 8-24 часов. Затем исчезает в течение нескольких дней.
Признаки поврежения
Защитная реакция кожи – производство меланина (наш желаемый загар) и утолщение поверхностного слоя эпидермиса, который ослабляет проникновение ультрафиолета в более глубокие слои кожи. Оба изменения являются признаком повреждения кожи.
Фотостарение
Ультрафиолетовое излучение ускоряет старение кожи, а постепенная потеря ее эластичности приводит к появлению морщин и сухой, грубой коже. Происходит это несколькими способами:
Морщины
Солнечное воздействие способствует старению вашей кожи благодаря сочетанию нескольких факторов:
Светочувствительность
Небольшой процент населения имеет состояние кожи, которое делает его особенно чувствительным к ультрафиолетовым лучам солнца. Минимальная доза УФ-излучения достаточна, чтобы вызвать аллергическую реакцию, приводящую к сыпи или сильному солнечному ожогу. Светочувствительность часто связана с использованием определенных лекарств, включая некоторые нестероидные противовоспалительные препараты и обезболивающие, транквилизаторы, пероральные антидиабетические препараты, антибиотики и антидепрессанты. Если вы принимаете какие-либо лекарства на регулярной основе, пожалуйста, изучите его аннотацию (обратите внимание на пункт о фоточувстительности) или проконсультируйтесь с вашим врачом о возможных реакциях. Некоторые продукты питания и косметические продукты, такие как отдушки и мыло, могут также содержать ингредиенты, которые вызывают или ухудшают данное состояние.
Рак кожи
Большинство немеланомных раковых заболеваний кожи и большой процент меланом связаны с воздействием ультрафиолетового излучения солнца. Неважно, сколько вам лет или какого цвета ваша кожа. Ваш риск увеличивается в зависимости от длины и глубины воздействия ультрафиолетового излучения. Вы подвергаетесь большему риску, если у вас светлая кожа и большое количество невусов, так же имеет значение наследсвенный фактор.
Если у вас много невусов (родинок) или появилось новое пятно/веснушка/невус, которое вам кажемся подозрительным – обратитесь к дерматологу. Регулярно проверяйте, нет ли родинки, которая растет, меняет форму или цвет, воспалена или зудит, кровоточит.
ВАЖНО
Ущерб от воздействия ультрафиолета накапливается и суммирутеся на протяжении всей жизни, вызывает поврежение ДНК и мутации, и со временем увеличивает риск возникновения рака кожи.
Что же такое ультрафиолет?
УФ-излучение является частью естественной энергии, производимой солнцем. В электромагнитном спектре ультрафиолетовый свет имеет меньшую длину волны, чем видимый свет, поэтому ваши глаза не могут видеть ультрафиолетовое излучение, но ваша кожа может чувствовать его. Он может поступать из природных источников, таких как солнечный свет, а также из искусственных источников, таких как лазеры, черные лампы и солярии.
Солнечный свет делится на 3 спектра: ультрафиолет, видимый свет и инфракрасное излучение – все три могут оказывать как негативные, так и позитивные действия на кожу.
Разберем ультрафиолетовое излучение, которое делится на UVC, UVВ и UVA. Все виды УФ-излучения могут повредить вашу кожу, но каждый тип влияет на вашу кожу по-своему.
Ультрафиолетовое излучение A (UVA лучи)
Маркировки на этикетки для UVA лучей: PA+/++/+++/++++, broad spectrum, UVA в кружке.
Ультрафиолетовое излучение B (UVB лучи)
Маркировка на баночке «SPF» показывает насколько эффективно средство от ожогов и эритемы, но она не является показателем защиты от UVA-излучения. Также в приложениях (например, «Погода» в iPhone), показывающие UV индекс – он также показывает активность только UVB-излучения.
Ультрафиолетовое излучение C (UVС лучи)
ВАЖНО
Как себя защитить?
Вы можете легко снизить вероятность развития рака кожи, позаботившись о защите от ультрафиолетового излучения. Нравится нам это или нет, но по мере взросления все будут проявлять признаки старения. Старение, которое мы не можем контролировать, называется внутренним или хронологическим старением, здесь, кстати, нам активно поможет антиэйдж медицина. Хотя мы не можем контролировать этот тип старения, мы можем контролировать наше воздействие факторов окружающей среды, которые усугубляют признаки старения, такие как хроническое воздействие высоких и низких температур, курение и употребление алкоголя. Одним из основных факторов окружающей среды, из-за которого стареет наша кожа, является ультрафиолетовое излучение солнца. Чтобы сохранить вашу кожу здоровой, важно защитить себя от солнечных лучей, особенно если вы знаете, что будете находиться на улице в течение длительного времени.
Если у Вас остались или появились вопросы, не стесняйтесь и задавайте их под последним постом в Instagram,
а также подписывайтесь на Telegram-канал.
Солнечный спектр
Перед вами — видимая часть солнечного спектра в интервале от 4000 до 7000 Å (ангстрем — это внесистемная единица длины, равная 10 −10 м, то есть 10 Å=1 нм). Изображение создано на основе данных цифрового атласа, полученных при помощи фурье-спектрографа обсерватории McMath-Pierce Solar Observatory, расположенной в пустыне Сонора (штат Аризона, США). Эта обсерватория является частью комплекса Национальной обсерватории Китт-Пик (Kitt Peak National Observatory).
Это сплошная, непрерывная лента перехода от красного до фиолетового, разбитая на 50 полос по 60 ангстрем. Лента испещрена вертикальными фраунгоферовыми линиями — темными перерывами в радуге солнечного спектра, разделяющими ленту на отдельные «кирпичики». Наличие этих линий объясняется присутствием в атмосфере Солнца элементов, атомы которых поглощают свет на определенных частотах. Поэтому в местах спектра, соответствующих этим частотам, образуются темные провалы.
При взгляде на Солнце невооруженным глазом мы видим его ярким желтым или белым раскаленным диском. Но еще Исаак Ньютон, разложив солнечный свет в спектр при помощи стеклянной призмы, показал, что в нем присутствуют, плавно переходя друг в друга, все видимые нами цвета от красного до фиолетового. На самом деле диапазон солнечного излучения, конечно, гораздо шире. Видимый нами свет — это узкая часть электромагнитного спектра, простирающегося от гамма-излучения до многокилометровых радиоволн (подробнее можно посмотреть на нашем интерактивном плакате).
На этой схеме хорошо видно, сколь малый фрагмент из всего многообразия электромагнитных волн способен увидеть человек. Видимый свет заключен между ультрафиолетовым и инфракрасным участками электромагнитного спектра. Вверху указана частота в герцах, то есть в колебаниях в секунду. Например, частота 10 10 Гц, соответствующая микроволновому диапазону, означает, что волна за одну секунду успевает сделать 10 миллиардов колебаний. Внизу серой ленты подписаны длины волн в метрах. То есть тому же микроволновому диапазону соответствуют сантиметровые волны. Поскольку скорость света в вакууме постоянна, длина волны и ее частота связаны: их произведение всегда дает скорость света. В самом деле, свет за секунду проходит 300 000 000 м, а волна делает 10 миллиардов колебаний, значит, за время одного колебания она успевает пройти 0,03 метра, или 3 сантиметра, что соответствует диапазону сантиметровых волн. Изображение с сайта ru.wikipedia.org
Солнце светит, не ограничивая себя узкой полосой видимого света: внеатмосферные наблюдения зафиксировали излучение в диапазоне от 0,001 Å до 1 км (атмосфера поглощает часть солнечного излучения). Излучает Солнце и в рентгене, и в инфракрасной области, и в ультрафиолете, и даже в области радиоволн.
График зависимости мощности солнечного излучения (в ваттах на квадратный метр) от длины волны. Внешний, полупрозрачный контур, демонстрирует спектр солнечного излучения в космосе, за пределами земной атмосферы. Он уходит, постепенно снижая интенсивность, далеко вправо — до значений в миллионы нм. В этом диапазоне сконцентрирована практически вся излучаемая Солнцем энергия. Далее, до радиоволн километровой длины, о которых говорилось выше, интенсивность резко снижается. Внутренний контур — это спектр на уровне моря, с учетом поглощения части излучения атмосферой. Радужная вертикальная полоса соответствует видимому свету. Изображение с сайта fondriest.com
Солнечный спектр, как видно на главном фото, сплошной, но перекрывается темными провалами линий поглощения. Что это значит? Любое вещество, как мы знаем со времен Демокрита, состоит из атомов. Сами же атомы, чего не знал Демокрит, состоят из ядра и электронов и имеют свои энергетические уровни — фиксированные значения энергии, которыми могут обладать электроны, находящиеся вокруг ядра. Переход электрона с уровня на уровень сопровождается испусканием (или поглощением) энергии в виде света.
Рассмотрим этот процесс на примере атома водорода. Переходы могут происходить и со второго уровня на первый, и с пятого на третий. Все возможные переходы с вышележащих уровней на какой-то один называются спектральной серией. Так, переходы на первый уровень — это серия Лаймана, на второй — серия Бальмера и так далее. При этих переходах излучаются кванты света (фотоны) определенной частоты и длины волны.
Спектральные серии водорода. На схеме подписаны значения длин волн, соответствующие фотону, излучаемому при переходах между уровнями (n). Например, в серии Бальмера при переходе с шестого уровня на второй будет излучен фотон с длиной волны 410 нм. Изображение с сайта ru.wikipedia.org
Фотоны в видимом диапазоне излучаются только при переходах с верхних уровней на второй уровень. Все переходы на первый уровень (серия Лаймана) лежат в ультрафиолетовой области, на третий и выше — в инфракрасной. Чем больше энергия фотона, тем больше его частота и тем, соответственно, меньше длина волны. Переход с третьего уровня на второй излучает меньше всего энергии, так как разница между столь близкими уровнями невелика. Поэтому фотон получается самый низкоэнергетичный для этой серии и с самой большой длиной волны — 6565 Å (или 656,5 нм). Он дает красную полосу в спектре водорода (поскольку 6565 Å — это длина волны красного цвета). «Падения» с более высоких уровней будут давать фотоны со всё большим смещением в фиолетовую часть спектра.
Электроны, находящиеся внутри атома, «спрыгивают» с вышележащих уровней на второй, излучая разницу энергии в виде фотона определенной частоты. Белыми стрелками изображены переходы с третьего, четвертого, пятого и шестого уровней. Внизу изображен получающийся спектр атома водорода, под ним указана длина волны (в ангстремах). Нижнее изображение — с сайта grotrian.nsu.ru
Спектры излучения атомов имеют, таким образом, четкие раздельные светящиеся линии, частота которых соответствует частотам излученных фотонов. Такой спектр называется линейчатым. В 1859 году физик Густав Кирхгоф и химик Роберт Бунзен показали, что спектрам излучения атомов различных веществ соответствуют различные наборы линий в спектрах. Иными словами, линейчатый спектр каждого элемента уникален, как отпечаток пальца, и по этому отпечатку его можно идентифицировать. Так появился спектральный анализ.
Благодаря этим уникальным портретам атомов стало возможным выявить присутствие вещества в любом теле, смеси жидкостей или газов, спектр которого мы получили и можем рассмотреть. Но чтобы обладать линейчатым спектром, вещество должно состоять из таких отдельных атомов, то есть быть разреженным атомарным газом. Например, в хромосфере (части атмосферы) Солнца присутствует в виде очень разреженного газа ионизированный кальций.
Видимый линейчатый спектр излучения кальция. Изображение с сайта grotrian.nsu.ru
Если же вещество состоит из молекул, а не из отдельных атомов, его спектры становятся более «размазанными», состоящими из широких полос. В молекулах из-за взаимодействия атомов появляются новые энергетические уровни с близкими значениями энергий, и картина от них выглядит как широкие полосы. В том же случае, когда вещество находится в твердом или жидком состоянии или представляет собой газ, находящийся под высоким давлением, его молекулы постоянно взаимодействуют и порождают уже не уровни, а целые энергетические зоны, переходы между которыми и внутри которых дают сплошной спектр излучения.
Виды спектров излучения: а) линейчатый, атомный: состоит из отдельных узких линий. b) молекулярный: полосы молекулярного газа состоят из множества узких полос, таких же, как у линейчатых спектров, просто они расположены очень плотно друг к другу. с) сплошной: излучение происходит на всех частотах
Вот такой же сплошной спектр и у Солнца. Сплошным спектром обладают плотные, жидкие или твердые тела, притом тела горячие, нагретые достаточно, чтобы тепловое взаимодействие их молекул создавало множественные энергетические зоны. Для описания такого теплового излучения физики (а именно, всё тот же Густав Кирхгофф) ввели понятие абсолютно черного тела (АЧТ) — некоего абстрактного идеального объекта, который всю полученную энергию возвращает только в виде теплового излучения. Абсолютно черное тело не отражает ничего из падающего на него излучения — ни единого кванта ни в каком диапазоне. Всё, что попадает на него, идет на увеличение его внутренней энергии. Нагреваясь, АЧТ начинает излучать само, давая тот самый сплошной спектр нагретых тел. Цветовая температура, указываемая на некоторых осветительных приборах, например на лампах (6000 К — «холодный белый свет» и т. д.), — это как раз температура АЧТ, при которой оно излучает свет того же цвета (тона), что и маркируемый прибор (К, кельвин — температурная шкала, предложенная лордом Кельвином, начало которой совпадает с абсолютным нулем, а шаг равен градусу по шкале Цельсия).
В 2014 году был создан искусственный материал из углеродных нанотрубок, больше всего приближающийся по своим свойствам к гипотетическому АЧТ, — vantablack. В видимом диапазоне он поглощает 99,965% падающего на него света (см. картинку дня Самый черный материал). В прошлом году был создан еще более черный материал с коэффициентом поглощения 99,995%, что в 10 раз чернее vantablack.
Наше Солнце по своему спектру очень близко к излучению АЧТ, нагретого до температуры 6000 К. Однако природа его излучения совсем другая, чем у твердого нагретого тела. Ответственность за изображение Солнца, каким мы его видим, несет фотосфера — часть атмосферы Солнца, где и формируется непрерывный спектр солнечного излучения. Это небольшой слой глубиной порядка 300–400 км. Фотосфера представляет собой вовсе не твердое тело — это газ, раскаленный и очень сильно разреженный (плотность фотосферы равна в среднем 10 −9 г/см 3 — одна миллиардная грамма на кубический сантиметр, в миллион раз меньше плотности воздуха). Газ этот состоит из водорода (74%), гелия (25%), а также кислорода и находящихся в газообразном состоянии прочих элементов (железа, углерода, магния, серы и других), на долю которых приходится примерно 1% от общей массы. Тем не менее спектр его излучения вовсе не линейчатый.
Спектр излучения Солнца и спектр абсолютно черного тела. Сплошными линиями показаны наблюдаемые данные, штрихованными — спектр АЧТ при указанной температуре. В области видимого и инфракрасного излучения экспериментальные данные хорошо согласуются с линией АЧТ при температуре 6000 К (в длинноволновой области температура равна 10 4 К и 10 5 К). Изображение с сайта astronet.ru
В фотосфере присутствуют металлы, которые очень легко ионизируются то есть теряют электроны с внешних оболочек, слабо связанных с ядром. Температуры фотосферы недостаточно, чтобы ионизировать гелий или водород, а вот электроны металлов, «разогреваясь», получают достаточно энергии, чтобы покинуть атом металла и отправиться в свободный полет. Врезаясь в атомы водорода, они «остаются там жить», порождая очень любопытное явление — отрицательные ионы водорода (см. Hydrogen anion). «Вселяясь» на свободные энергетические уровни, электроны испускают разницу между своей прежней энергией и энергией своего новообретенного уровня в атоме водорода в виде кванта света.
Этот процесс подобен описанному выше излучению при переходах между уровнями, однако, поскольку электрон прилетает извне и может обладать абсолютно любой энергией, а не только строго равной энергии вышележащих слоев, излучение происходит не в узких линейчатых диапазонах, соответствующих разностям значений энергии перехода, а в любом диапазоне. Иными словами, если переходы внутри того же атома водорода дают, как мы видели на изображении его спектра, набор излучений на одном и том же наборе частот, то излучение кванта от «приземлившегося» внешнего электрона может быть каким угодно и дать линию в любой части спектра.
Однако остается атом в этом состоянии недолго. По сотне миллионов раз в секунду он испускает фотоны, переводя электроны на более низкие энергетические уровни, сталкивается с новыми электронами, поглощает фотоны и так далее. Жизнь кипит: атом водорода постоянно излучает и поглощает фотоны, теряет электроны, сталкивается с новыми, снова излучает, но уже в другом месте спектра. Из-за обилия таких актов излучения, а также из-за огромного количества атомов все длины волн в спектре излучения оказываются занятыми. Фотосфера излучает во всем диапазоне, образуя таким образом сплошной спектр.
Как мы уже сказали, атом может не только излучать фотоны, но и поглощать. И кроме спектров излучения бывают и спектры поглощения, которые выглядят как темные провалы (полоски) в сплошном красивом спектре. Они возникают, когда те же самые атомы сами оказываются в потоке света. Тогда летящие фотоны возбуждают электроны и «закидывают их наверх», на высокоэнергетические уровни. Электроны держатся там недолго и снова спрыгивают вниз, однако переизлучают уже во всех возможных направлениях без разбору, из-за чего в направлении первоначального пучка света лучей именно с такой длиной волны отправится гораздо меньше, и в этом месте у спектра будет провал.
Спектр натрия. (а) — эмиссионный, или излучательный: две яркие полосы на фоне черного фона, 589,0 нм и 589,59 нм (так называемый «дублет натрия»); (b) — поглощательный (абсорбционный): те же две полосы на тех же точно частотах, но это уже черные полосы отсутствия света на фоне сплошного спектра. Изображение с сайта Висконсинского университета astro.wisc.edu
Именно такие провалы на главном изображении и делят непрерывные красочные полоски солнечного спектра на отдельные «кирпичики». Обнаружил их в 1802 году английский химик Уильям Воластон, правда не придав этому никакого значения. А вот немецкий физик Йозеф Фраунгофер придал и взялся в 1814 году за их изучение. Он описал более пятисот таких темных «провалов» в солнечном спектре, и они называются теперь фраунгоферовыми линиями.
Эти линии дают входящие в состав фотосферы элементы, причем любопытно, что большой вклад вносят те, чье присутствие весьма невелико, например те же металлы. Связано это с низкими потенциалами ионизации металлов: их внешним электронам, слабо связанным с ядром, для перехода на другой энергетический уровень и, соответственно, для поглощения кванта света нужно в несколько раз меньше энергии, чем водороду. Водороду же, чтобы поглощать в видимом спектре, необходимо иметь электрон не на основном уровне, а на втором. Как мы говорили, электроны, спускаясь с более высоких уровней на второй, испускают фотоны в видимом диапазоне. Это серия Бальмера. И наоборот, чтобы поглотить фотон в видимом спектре, атом должен иметь электрон на этом втором уровне, чтобы энергии фотона было достаточно ровно на «закидывание» электрона на один из «верхних рубежей». Но чтобы иметь электрон на «втором этаже», атому водорода необходимо быть возбужденным, чего в условиях фотосферы сложно достичь: слишком низка температура. Поэтому количество таких возбужденных и потому поглощающих водородных атомов крайне мало — относительно их общего числа, конечно же.
Таким образом, при температуре фотосферы водород остается нейтральным (за исключением описанных выше отрицательных ионов, но таким становится только один атом водорода на сто миллионов, и вклад они вносят в спектр излучения фотосферы, а не поглощения), а металлы и прочие элементы фотосферы ионизируются, поглощая для этого фотоны, и почти все их атомы участвуют в создании темных полос спектра поглощения (более подробный вывод см. в новости Сесилия Пейн — хозяйка звездной кухни в разделе «Солнце: кальций и водород», «Элементы», 27.05.2020).
Упрощенная версия главного изображения: линии поглощения в солнечном спектре. Каждая из этих темных полос соответствует какому-либо элементу. В центре видны линии дублета натрия. Справа — H-α — линия водорода, доминирующая в видимой части спектра (тот самый переход со второго энергетического уровня на третий с поглощением фотона с длиной волны 656 нм). Слева оставляют след атомы кальция, потерявшие один электрон (ионы Ca II); они излучают и поглощают свет на нескольких длинах волн, в частности, на 396,8 нм и 393,3 нм в фиолетовой области спектра. Это линии Ca-H и Ca-K (более сильные, то есть более интенсивные, линии обозначают буквами от A до K) однократно ионизированного кальция. Прочие черные линии соответствуют спектрам поглощения других элементов; установить, каким, можно по буквенным обозначениям, соответствующим фраунгоферовым линиям. Изображение с сайта ru.wikipedia.org
Со времен Фраунгофера, открывшего и описавшего свыше 500 линий поглощения, их число выросло более чем до 25 000 — это, конечно, уже во всем спектре, не только в видимой его части. По этим спектральным провалам можно делать выводы о строении и составе Солнца (так, например, был открыт гелий, в честь Солнца и названный).
Увеличенная часть главного изображения. Так выглядит знакомый нам дублет натрия. Длина волны (в ангстремах) подписана под спектральной лентой. Название элемента, которому принадлежит линия, — над ней. Рассмотреть весь спектр Солнца в подробностях, где каждая линия поглощения подписана, можно, скачав файл по ссылке
Изучение Солнца в различных электромагнитных диапазонах позволяет делать выводы о его активности и происходящих там процессах; собственно, это основной способ получения информации о преобразованиях энергии, происходящих в нашей звезде. Например, в ультрафиолете получены картины движения плазмы, сопровождающие пересоединение магнитных линий в атмосфере — основного кандидата на объяснение повышенной температуры солнечной короны (см. задачу «Магнитное пересоединение»).
Слева — кадр из видеосъемки Солнца в рентгеновском диапазоне, сделанной японским спутником Hinode в январе 2012 года. Сама поверхность Солнца в рентгене почти не излучает, поэтому выглядит на снимке как черная сфера. Рентгеновское излучение дает солнечная корона, разогретая до миллионов градусов (красный «туман»), и солнечные вспышки (небольшие яркие пятна). Справа — изображение в ультрафиолете на длине волны 171 Å, полученное Обсерваторией солнечной динамики также в 2012 году. Яркими выглядят активные области — вспышки и петли плазмы вдоль линий магнитных полей. Фото с сайта nasaviz.gsfc.nasa.gov. Оба кадра изначально монохромны и раскрашены. Считается, что человеческий глаз лучше воспринимает контраст между различно окрашенными объектами
Линии поглощения помогают получать информацию о солнечной структуре из разных слоев. С высотой меняются физические характеристики солнечной атмосферы и, соответственно, состояние элементов, что сказывается на их спектрах. Линии поглощения позволяют рассматривать Солнце без ослепляющей засветки фотосферы — для этого нужно использовать светофильтр, имеющий узкую полосу пропускания именно на частоте линии поглощения. Так рассматривают свет, идущий от хромосферы, обычно невидимой в ярком свете фотосферного слоя.