Видимый свет. Электромагнитный спектр Спектр видимого излучения длины волн по цветам

⁰

Электромагнитный спектр условно делится на диапазоны. В результате их рассмотрения необходимо знать следующее.

Название диапазонов электромагнитных волн.
Порядок их следования.
Границы диапазонов в длинах волн или частотах.
Чем обусловлено поглощение или излучение волн того или иного диапазона.
Использование каждого типа электромагнитных волн.
Источники излучения различных электромагнитных волн (естественные и искусственные).
Опасность каждого вида волн.
Примеры объектов, имеющих размеры, сравнимые с длиной волны соответствующего диапазона.
Понятие об излучении абсолютно черного тела.
Солнечное излучение и окна прозрачности атмосферы.

Диапазоны электромагнитных волн

Микроволновый диапазон

Микроволновое излучение используется для подогрева еды в микроволновых печах, мобильной связи, радарах (радиолокаторах), до 300 ГГц легко проходит атмосферу, поэтому пригодно для спутниковой связи. В этом диапазоне работают радиометры для дистанционного зондирования и определения температуры разных слоев атмосферы, а также радио телескопы. Этот диапазон является одним из ключевых для спектроскопии ЭПР и вращательных спектров молекул. Длительное воздействие на глаза вызывает катаракту. Мобильные телефоны отрицательно влияют на головной мозг.

Характерной особенностью микроволновых волн является то, что их длина волны сравнима с размерами аппаратуры. Поэтому в этом диапазоне приборы конструируются на основе распределенных элементов. Для передачи энергии используются волноводы и полосковые линии, а в качестве резонансных элементов – объемные резонаторы или резонансные линии. Рукотворными источниками МВ волн являются клистроны, магнетроны, лампы бегущей волны (ЛБВ), диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды (ЛПД). Кроме того существуют мазеры, аналоги лазеров в длинноволновых диапазонах.

Микроволновые волны излучаются звездами.

В микроволновом диапазоне находится так называемое космическое фоновое микроволновое излучение (реликтовое излучение), которое по своим спектральным характеристикам полностью соответствует излучению абсолютно черного тела с температурой 2,72К. Максимум его интенсивности приходится на частоту 160 ГГц (1,9мм) (см. рис. ниже). Наличие этого излучения и его параметры являются одним из аргументов в пользу теории Большого Взрыва, которая в настоящее время является основой современной космологии. Последний, согласно, в частности, этим измерениям и наблюдениям, произошел 13,6 миллиардов лет назад.

Выше 300 ГГц (короче 1 мм) электромагнитные волны очень сильно поглощаются атмосферой Земли. Атмосфера начинает быть прозрачной в ИК и видимом диапазонах.

Цвет	Диапазон длин волн, нм	Диапазон частот, ТГц	Диапазон энергии фотонов, эВ
Фиолетовый	380-440	680-790	2,82-3,26
Синий	440-485	620-680	2,56-2,82
Голубой	485-500	600-620	2,48-2,56
Зелёный	500-565	530-600	2,19-2,48
Жёлтый	565-590	510-530	2,10-2,19
Оранжевый	590-625	480-510	1,98-2,10
Красный	625-740	400-480	1,68-1,98

Среди лазеров и источников с их применением, излучающих в видимом диапазоне, можно назвать следующие: первый запущенный лазер, - рубиновый, с длиной волны 694,3 нм, диодные лазеры, к примеру на основе GaInP и AlGaInP для красного диапазона, и на основе GaN для синего диапазона, титан-сапфировый лазер, He-Ne лазер, лазеры на ионах аргона и криптона, лазер на парах меди, лазеры на красителях, лазеры с удвоением или суммированием частоты в нелинейных средах, рамановские лаэеры. (https://www.rp-photonics.com/visible_lasers.html?s=ak).

Долгое время существовала проблема в создании компактных лазеров в сине-зеленой части спектра. Имелись газовые лазеры, такие как аргоновый ионный лазер (с 1964 года), у которого две основные линии генерации лежат в синей и зеленой части спектра (488 и 514 нм) или гелий кадмиевый лазер. Однако для многих приложений они не годились из-за своей громоздкости и ограниченного количества линий генерации. Создать полупроводниковые лазеры с широкой запрещенной зоной не удавалось из-за огромных технологических трудностей. Однако в конечном итоге были разработаны эффективные методы удвоения и утроения частоты твердотельных лазеров ИК и оптического диапазона в нелинейных кристаллах, полупроводниковые лазеры на основе двойных соединений GaN и лазеров с повышением частоты накачки (upconversion lasers).

Источники света в сине зеленой области позволяют увеличить плотность записи на CD-ROM, качество репрографии, необходимы для создания полноцветных проекторов, для осуществления связи с подводными лодками, для снятия рельефа морского дна, для лазерного охлаждения отдельных атомов и ионов, для контроля за осаждением из газа (vapor deposition), в проточной цитометрии. (взято из “Compact blue-green lasers” by W. P. Risk et al).

Литература:

Ультрафиолетовый диапазон

Считается, что ультрафиолетовый диапазон занимает область от 10 до 380 нм. Хотя границы его четко не определены, особенно в коротковолновой области. Он делится на поддиапазоны и это деление также не является однозначным, так как в разных источниках привязано к различным физическим и биологическим процессам.

Так на сайте "Health Physics Society" ультрафиолетовый диапазон определен в границах 40 - 400 нм и делится на пять поддиапазонов: вакуумный УФ (40-190 нм), дальний УФ (190-220 нм), UVC (220-290 нм), UVB (290-320 нм), и UVA (320-400 нм) (черный свет). В англоязычной версии статьи об ультрафиолете в Википедии "Ultraviolet" под ультрафиолетовое излучение выделяется диапазон 40 - 400 нм, однако в таблице в тексте представляется его деление на кучу перекрывающихся поддиапазонов, начиная с 10 нм. В русскоязычной версии Википедии "Ультрафиолетовое излучение" с самого начала границы УФ диапазона устанавливаются в пределах 10 - 400нм. Кроме того в Википедии для диапазонов UVC, UVB и UVA указаны области 100 – 280, 280 – 315, 315 – 400 нм.

Ультрафиолетовое излучение несмотря на свое благотворное влияние в небольших количествах на биологические объекты является одновременно самым опасным из всех других естественных широкораспространенных излучений других диапазонов.

Основным естественным источником УФ излучения является Солнце. Однако не все излучение достигает Земли, так как поглощается озоновым слоем стратосферы и в области короче 200 нм очень сильно атмосферным кислородом.

UVC практически полностью поглощается атмосферой и не достигает земной поверхности. Этот диапазон используется бактерицидными лампами. Чрезмерная экспозиция приводит к повреждению роговицы и снежной слепоте, а также к тяжелым ожогам лица.

UVB наиболее разрушительная часть УФ излучения, так как она имеет достаточно энергии для повреждения ДНК. Она не полностью поглощается атмосферой (проходит около 2%). Это излучение необходимо для выработки (синтеза) витамина D, однако вредное влияние могут повлечь ожоги, катаракту и рак кожи. Эта часть излучения поглощается озоном атмосферы, снижение концентрации которого вызывает беспокойство.

UVA практически полностью достигает Земли (99%). Оно ответственно за загар, но чрезмерность приводит к ожогам. Как и UVB оно необходимо для синтеза витамина D. Облучение сверх меры приводит к подавлению иммунной системы, жесткости кожи и образованию катаракты. Излучение в этом диапазоне называют еще черным светом. Насекомые и птицы способны видеть этот свет.

На рисунке ниже для примера показана зависимость концентрации озона по высоте на северных широтах (желтая кривая) и уровень блокирования озоном солнечного ультрафиолета. UVC полностью поглощается до высот в 35 км. В то же время UVA почти полностью достигает поверхности Земли, однако это излучение практически не представляет какой-либо опасности. Озон задерживает большую часть UVB, однако некоторая его часть достигает Земли. В случае истощения озонового слоя большая часть будет облучать поверхность и приводить к генетическому повреждению живых существ.

Краткий список использования электромагнитных волн УФ диапазона.

Фотолитография высокого качеста для изготовления электронных устройств таких, как микропроцессоры и микросхем памяти.
При изготовлении оптоволоконных элементов, в частности брэгговских решеток.
Обеззараживание от микробов продуктов, воды, воздуха, предметов (UVC).
Черный свет (UVA) в криминалистике, в экспертизе произведений искусства, в установлении подлинности банкнот (явление флуоресценции).
Искусственный загар.
Лазерная гравировка.
Дерматология.
Стоматология (фотополимеризация пломб).

Рукотворными источниками ультрафиолетового излучения являются:

Немонохроматические: Ртутные газоразрядные лампы различных давлений и конструкций.

Монохроматические:

Лазерные диоды, в основном на базе GaN, (небольшой мощности), генерирующие в ближнем ультрафиолетовом диапазоне;
Эксимерные лазеры являются очень мощными источниками ультрафиолетового излучения. Они излучают наносекундные (пикосекундные и микросекундные) импульсы со средней мощностью от нескольких ватт до сотен ватт. Типичные длины волн лежат между 157 нм (F2) до 351 нм (XeF);
Некоторые твердотельные лазеры, легированные церием, такие как Ce3+:LiCAF или Ce3+:LiLuF4, которые работают в импульсном режиме с наносекундными импульсами;
Некоторые оптоволоконные лазеры, к примеру, легированные неодимом;
Некоторые лазеры на красителях способны излучать ультрафиолет;
Ионный аргоновый лазер, который, несмотря на то, что основные линии лежат в оптическом диапазоне, может генерировать непрерывное излучение с длинами волн 334 и 351 нм, но с меньшей мощностью;
Азотный лазер, излучающий на длине волны 337 нм. Очень простой и дешевый лазер, работает в импульсном режиме с наносекундной длительностью импульсов и с пиковой мощностью несколько мегаватт;
Утроенние частоты Nd:YAG лазера в нелинейных кристаллах;

Литература:

Википедиа "Ultraviolet" .

Диапазон видимого света - самый узкий во всем спектре. Длина волны в нем меняется менее чем в два раза. На видимый свет приходится максимум излучения в спектре Солнца. Наши глаза в ходе эволюции адаптировались к его свету и способны воспринимать излучение только в этом узком участке спектра. Почти все астрономические наблюдения до середины XX века велись в видимом свете. Основной источник видимого света в космосе - звезды, поверхность которых нагрета до нескольких тысяч градусов и потому испускает свет. На Земле применяются также нетепловые источники света, например, флюоресцентные лампы и полупроводниковые светодиоды.

Для сбора света от слабых космических источников используются зеркала и линзы. Приемниками видимого света служат сетчатка глаза, фотопленка, применяемые в цифровых фотоаппаратах полупроводниковые кристаллы (ПЗС-матрицы), фотоэлементы и фотоэлектронные умножители. Принцип действия приемников основан на том, что энергии кванта видимого света достаточно, чтобы спровоцировать химическую реакцию в специально подобранном веществе или выбить из вещества свободный электрон. Затем по концентрации продуктов реакции или по величине освободившегося заряда определяется количество поступившего света.

Источники

Одна из самых ярких комет конца XX века. Она была открыта в 1995 году, когда находилась еще за орбитой Юпитера. Это рекордное расстояние для обнаружения новой кометы. Прошла перигелий 1 апреля 1997 года, а в конце мая достигла максимального блеска - около нулевой звездной величины. Всего комета оставалась видимой невооруженным глазом в течение 18,5 месяцев - вдвое больше прежнего рекорда, установленного великой кометой 1811 года. На снимке видны два хвоста кометы - пылевой и газовый. Давление солнечного излучения направляет их прочь от Солнца.

Вторая по величине планета Солнечной системы. Относится к классу газовых гигантов. Снимок сделан межпланетной станцией «Кассини», которая с 2004 года ведет исследования в системе Сатурна. В конце XX века системы колец обнаружены у всех планет-гигантов - от Юпитера до Нептуна, но только у Сатурна они легко доступны наблюдению даже в небольшой любительский телескоп.

Области пониженной температуры на видимой поверхности Солнца. Их температура 4300–4800 К - примерно на полторы тысячи градусов ниже, чем на остальной поверхности Солнца. Из-за этого их яркость в 2–4 раза ниже, что по контрасту создает впечатление черных пятен. Пятна возникают, когда магнитное поле замедляет конвекцию и тем самым вынос тепла в верхних слоях вещества Солнца. Они живут от нескольких часов до нескольких месяцев. Число пятен служит индикатором активности Солнца. Наблюдая пятна на протяжении нескольких дней, легко заметить вращение Солнца. Снимок сделан любительским телескопом.

Внимание! Ни в коем случае нельзя смотреть на Солнце в телескоп или другой оптический прибор без специальных защитных фильтров. При использовании фильтров их следует надежно крепить перед объективом, а не у окуляра инструмента, где фильтр может повредиться из-за перегрева. В любом случае безопаснее наблюдать проекцию изображения Солнца на лист бумаги за окуляром телескопа.

Содержит около 3 тысяч звезд, из которых семь видны невооруженным глазом. Скопление имеет поперечник 13 световых лет и расположено в 400 световых годах от Земли. Рассеянные скопления образуются при сжатии космических газопылевых облаков под действием самогравитации (притяжения одних частей облака к другим). В ходе сжатия облако дробится на части, из которых формируются отдельные звезды. Эти звезды слабо связаны между собой гравитацией, и со временем такие скопления рассеиваются.

Спиральная галактика, диск которой мы наблюдаем плашмя, известная также под названием Водоворот. Расположена на расстоянии около 37 млн световых лет. Ее диаметр составляет около 100 тысяч световых лет. У конца одной из спиральных ветвей располагается галактика-компаньон.

Обозначение M51 относится ко всей паре в целом. По отдельности основная галактика и ее компаньон обозначаются NGC 5194 и 5195. Гравитационное взаимодействие с компаньоном уплотняет газ в близких к нему участках спиралей, что ускоряет звездообразование. Взаимодействие - типичное явление в мире галактик. Галактика доступна для наблюдения в небольшой любительский телескоп.

Приемники

В профессиональной астрономии визуальные наблюдения больше не применяются. Лет 20 назад их полностью вытеснили цифровая фотография, фотометрия, спектрометрия и компьютерная обработка данных.

Однако романтика визуальных наблюдений по-прежнему вдохновляет любителей астрономии. Невооруженному глазу доступны Солнце, Луна, пять планет, около 6 тысяч звезд и четыре галактики - Млечный Путь, Туманность Андромеды, Большое и Малое Магеллановы облака. Эпизодически появляются видимые глазом кометы и астероиды.

Практически каждую ночь можно наблюдать сгорающие в атмосфере космические песчинки - метеоры, а также неторопливо ползущие по небу искусственные спутники Земли. В высоких широтах наблюдаются полярные сияния, в низких при благоприятных условиях виден призрачный зодиакальный свет - освещенная Солнцем космическая пыль. И всё это разнообразие наблюдается в крайне узком спектральном диапазоне, который почти в тысячу раз уже инфракрасного диапазона.

В бинокль видно в десятки раз больше звезд и множество туманных объектов. Любительскому телескопу доступно в тысячи раз больше звезд, детали на поверхности планет, их спутники, а также сотни туманностей и галактик. Но при этом поле зрения у телескопа значительно меньше, и для успешных наблюдений его надо надежно закрепить, а еще лучше медленно поворачивать вслед за вращением неба.

В современном мире любительская астрономия стала увлекательным и престижным хобби. Ряд фирм, таких как Meade и Celestron, производят телескопы специально для любителей. Простейшие инструменты с диаметром объектива от 50–70 мм стоят 200–500 долларов, самые крупные с диаметром 350–400 мм сравнимы по стоимости с престижным автомобилем и требуют стационарной установки на бетонном фундаменте под куполом. В умелых руках такие инструменты вполне могут дать вклад в большую науку.

Самые популярные в мире любительские телескопы имеют диаметр около 200 мм и построены по оптической схеме , изобретенной советским оптиком Максутовым. Они имеют короткую трубу, которую обычно устанавливают на вилочной монтировке и снабжают компьютером для автоматического наведения на различные объекты по их небесным координатам. Именно такой инструмент показан на плакате.

В 1975 году в СССР построили 6-метровый телескоп БТА. Чтобы главное зеркало телескопа не деформировалось, его сделали толщиной около метра. Казалось, что дальше увеличивать размеры зеркал невозможно. Однако выход был найден. Зеркала стали делать относительно тонкими (15–25 см ) и разгружать на множество опор, положением которых управляет компьютер. Возможность изгибать зеркала, гибко подстраивая их форму, позволила построить телескопы диаметром до 8 метров.

Но и на этом астрономы не остановились. На самых крупных инструментах зеркала делят на сегменты, совмещая положение частей с точностью до сотых долей микрона. Так устроены крупнейшие в мире 10-метровые телескопы Кека. Следующим шагом станет американский телескоп «Магеллан», в котором будет 7 зеркал, каждое диаметром 8 метров. Вместе они будут работать как 24-метровый телескоп. А в Европейском Союзе началась работа над еще более амбициозным проектом - телескопом диаметром 42 метра.

Главным препятствием для реализации возможностей таких инструментов становится земная атмосфера, турбулентность которой искажает изображение. Для компенсации помех, за состоянием атмосферы постоянно наблюдает специальная аппаратура и на ходу изгибает зеркало телескопа так, чтобы компенсировать искажения. Эта технология называется адаптивной оптикой.

Телескоп выполняет две задачи: собрать как можно больше света слабого источника и различить как можно более мелкие его детали. Светособирающая способность телескопа определяется площадью главного зеркала, разрешающая способность - его диаметром. Именно поэтому астрономы стремятся построить как можно более крупные телескопы.

У небольших телескопов в качестве объектива может использоваться собирающая линза (телескоп-рефрактор), но чаще применяется вогнутое параболическое зеркало (телескоп-рефлектор). Главная функция объектива - построить изображение наблюдаемых источников в фокальной плоскости телескопа, где располагают фотокамеру или другое оборудование. В любительских телескопах для визуальных наблюдений позади фокальной плоскости ставят окуляр, представляющий собой, по сути, сильную лупу, в которую рассматривается созданное объективом изображение.

Однако у рефлектора фокальная плоскость находится перед зеркалом, что не всегда удобно при наблюдениях. Используют разные приемы, чтобы вывести пучок света за пределы тубы телескопа. В системе Ньютона для этого используется диагональное зеркало. В более сложной системе Кассегрена (на плакате) напротив главного зеркала ставят вторичное выпуклое зеркало в форме гиперболоида вращения. Оно отражает пучок назад, где он выходит через отверстие в центре главного зеркала. В системе Максутова на переднем конце трубы телескопа ставят тонкую выпукло-вогнутую линзу. Она не только предохраняет зеркала телескопа от повреждения, но и позволяет сделать главное зеркало не параболическим, а сферическим, что намного дешевле в изготовлении.

Самый крупный орбитальный оптический телескоп. Диаметр его главного зеркала составляет 2,4 метра. Выведен на орбиту в 1991 году. Может вести наблюдения в видимом, ближнем инфракрасном и ближнем ультрафиолетовом диапазонах. Единственный космический телескоп, который посещали астронавты для ремонта и обслуживания.

Телескопу имени Хаббла астрономия обязана десятками открытий. В числе прочего он позволил увидеть, как выглядели галактики в эпоху их зарождения около 13 млрд лет назад. В настоящее время на смену телескопу Хаббла создается космический телескоп нового поколения - James Webb Space Telescope (JWST) диаметром 6,5 метров, который планируется вывести в космос в 2013 году. Правда, работать он будет не в видимом диапазоне, а в ближнем и среднем инфракрасном.

Обзоры неба

Здесь вновь отчетливо видна плоскость нашей Галактики - Млечного Пути. Ее свечение складывается из света сотен миллиардов звезд и туманностей. Также хорошо заметны темные волокна пылевых облаков, которые заслоняют от нас часть света звезд в галактической плоскости.

Туманные образования в нижней половине обзора - Большое и Малое Магеллановы облака, спутники нашей Галактики. Яркие звезды, которые кажутся нам основными объектами на небе, на такой мелкомасштабной карте практически незаметны.

Небо в линии водорода H-альфа, 656 нм

Спектральная линия H-альфа соответствует переходу электрона в атоме водорода с третьего энергетического уровня на второй.

Это первая линия так называемой серии Бальмера, которая вся состоит из переходов с разных более высоких уровней на второй. Имеются аналогичные серии переходов на первый уровень (серия Лаймана), на третий уровень (серия Пашена) и на другие уровни. Отличительная особенность серии Бальмера состоит в том, что она практически целиком располагается в видимом диапазоне, что значительно облегчает наблюдения. В частности, линия H-альфа приходится на красный участок спектра.

Излучение в этой линии возникает в разреженных космических облаках атомарного водорода. Атомы в них возбуждаются ультрафиолетовым излучением горячих звезд, а потом отдают энергию, переходя на более низкие уровни. Выделяя при помощи фильтров линию H-альфа, можно целенаправленно наблюдать распределение нейтрального водорода.

Обзор неба в линии H-альфа показывает распределение газа в нашей Галактике. На нем видны крупные пузыри газа вокруг областей активного звездообразования.

Земное применение

При рассматривании предметов на расстоянии ясного зрения (25 см ) человек может различить детали величиной около 0,1 мм (угловое разрешение глаза порядка одной угловой минуты 1" = 2,3×10 -4 рад). Чтобы увидеть более мелкие детали, смотреть надо с меньшего расстояния, но на расстояние менее 10 см глазу очень трудно настроиться.

Добиться этого можно, используя лупу, оптическая сила которой добавляется к оптической силе хрусталика. Но и в этом случае предел увеличения составляет примерно 25х, т. к. размер такой сильной лупы становится очень маленьким и размещать ее приходится близко к образцу. Фактически такая лупа становится объективом микроскопа. Смотреть в него глазом очень неудобно, но можно поступить иначе.

Тщательно отрегулировав расстояние от объектива до предмета, можно получить на некотором отдалении позади объектива его увеличенный образ. Поместив за ним другую лупу и рассматривая в нее построенный объективом образ, можно добиться увеличения в сотни и даже более тысячи раз.

Однако увеличения заметно более 1000 раз не имеют практического смысла, поскольку волновая природа света не позволяет рассмотреть детали размером меньше длины волны (400–700 нм ). При увеличении в 2000 раз такие детали видны как миллиметровое деление на линейке, которую вы держите в руках.

Дальнейшее повышение увеличения не откроет вам новых подробностей. Чтобы увидеть детали с большим разрешением, требуются рентгеновские лучи с меньшей длиной волны или вообще потоки электронов, у которых (согласно квантовой механике) длина волны меньше. Также можно применять механический щуп с очень точной системой наводки - так называемый сканирующий микроскоп.

), а в качестве длинноволновой - 760-780 нм (395-385 ТГц) . Электромагнитное излучение с такими длинами волн также называется видимым светом , или просто светом (в узком смысле этого слова).

История

Первые объяснения причин возникновения спектра видимого излучения дали Исаак Ньютон в книге «Оптика» и Иоганн Гёте в работе «Теория Цветов», однако ещё до них Роджер Бэкон наблюдал оптический спектр в стакане с водой. Лишь спустя четыре века после этого Ньютон открыл дисперсию света в призмах .

Ньютон первый использовал слово спектр (лат. spectrum - видение, появление) в печати в 1671 году , описывая свои оптические опыты. Он обнаружил, что, когда луч света падает на поверхность стеклянной призмы под углом к поверхности, часть света отражается, а часть проходит через стекло, образуя разноцветные полосы. Учёный предположил, что свет состоит из потока частиц (корпускул) разных цветов, и что частицы разного цвета движутся в прозрачной среде с различной скоростью. По его предположению, красный свет двигался быстрее чем фиолетовый, поэтому и красный луч отклонялся на призме не так сильно, как фиолетовый. Из-за этого и возникал видимый спектр цветов.

Ньютон разделил свет на семь цветов: красный , оранжевый , жёлтый , зелёный , голубой , индиго и фиолетовый . Число семь он выбрал из убеждения (происходящего от древнегреческих софистов), что существует связь между цветами, музыкальными нотами, объектами Солнечной системы и днями недели . Человеческий глаз относительно слабо восприимчив к частотам цвета индиго, поэтому некоторые люди не могут отличить его от голубого или фиолетового цвета. Поэтому после Ньютона часто предлагалось считать индиго не самостоятельным цветом, а лишь оттенком фиолетового или голубого (однако он до сих пор включён в спектр в западной традиции). В русской традиции индиго соответствует синему цвету.

Цвет	Диапазон длин волн, нм	Диапазон частот, ТГц	Диапазон энергии фотонов, эВ
Фиолетовый	≤450	≥667	≥2,75
Синий	450-480	625-667	2,58-2,75
Сине-зелёный	480-510	588-625	2,43-2,58
Зелёный	510-550	545-588	2,25-2,43
Желто-зелёный	550-570	526-545	2,17-2,25
Жёлтый	570-590	508-526	2,10-2,17
Оранжевый	590-630	476-508	1,97-2,10
Красный	≥630	≤476	≤1,97

Указанные в таблице границы диапазонов носят условный характер, в действительности же цвета плавно переходят друг в друга, и расположение видимых наблюдателем границ между ними в большой степени зависит от условий наблюдения .

См. также

Примечания

Гагарин А. П. Свет // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров . - М. : Большая российская энциклопедия, 1994. - Т. 4: Пойнтинга - Робертсона - Стримеры. - С. 460. - 704 с. - 40 000 экз. - ISBN 5-85270-087-8 .
ГОСТ 8.332-78. Государственная система обеспечения единства измерений. Световые измерения. Значения относительной спектральной световой эффективности монохроматического излучения для дневного зрения

Вы окружены электромагнитными волнами. Они везде! От света, который вы можете видеть, до ультрафиолета, проходящего через ваше окно от солнца. Даже если бы вы попробовали, вы не смогли бы избежать волн. Но опять же, зачем вам это нужно? Зачем чего-то избегать, если это можно применять? Что такое видимое излучение, кем и когда открыто? Как оно воздействует и где применяется?

Световые волны

Термин "световые волны" может использоваться по-разному разными людьми. Физики склонны небрежно использовать его на одном уровне с электромагнитными. Итак, в чем разница? Электромагнитные волны (или электромагнитное излучение) представляют собой волны, создаваемые колебательными магнитными и электрическими полями, и включают радиоволны, микроволны, инфракрасные, видимые, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи. Как и все волны, они несут энергию, и эта энергия может быть очень высокой интенсивности (например, электромагнитные волны, которые мы получаем от солнца).

При взгляде на спектр видимого света синим концом электромагнитного спектра является высокая частота, высокая энергия и короткая длина волны. Красный конец электромагнитного спектра представляет собой низкочастотную, малую энергию и большую длину волны. Свет - это лишь часть электромагнитного спектра, часть, которую могут видеть наши глаза. Каковы сферы применения видимого излучения, кроме той, которая позволяет человеку видеть все вокруг?

Различные типы световых волн

Радиоволны находятся на красном конце электромагнитного спектра. Красный конец также является наименьшей энергией, самой низкой частотой и самой большой длиной волны. Радиоволны в основном используются в коммуникациях, для передачи сигналов от одного места к другому. Радиостанции используют радиоволны, как и сотовые телефоны, телевизоры и беспроводные сети. Из-за большой длины волны радиоволн они могут отскочить от ионосферы Земли, позволяя радиостанциям передавать свои радиопередачи на большие расстояния, не находясь в прямой видимости всех своих слушателей.

Микроволны являются ближайшими к красному концу спектра. Вероятно, вы можете догадаться, что микроволны используются в наших кухонных микроволновках для приготовления пищи. Они имеют достаточно высокую энергию, чтобы увеличить движение молекул в вашей пище, не ионизируя атомы. Это важно, потому что это означает, что пища будет только нагреваться, - ее химический состав останется прежним.

Инфракрасный имеет длину волны немного больше, чем наши глаза могут обнаружить. Тело человека имеет температуру, которая производит излучение в этой части спектра, и поэтому инфракрасные детекторы могут использоваться как камеры ночного видения. ИК-порт также используется пультом дистанционного управления для отправки сигналов на телевизоры и другое аудио- или видеооборудование.

Видимый свет - это часть электромагнитного спектра, который наши глаза могут обнаружить, и та часть, с которой мы больше всего знакомы в нашей повседневной жизни. Он считается находящимся в «середине» электромагнитного спектра, хотя это довольно произвольно.

Ультрафиолет (часто сокращается до УФ) направляется в синюю сторону электромагнитного спектра, который является высокоэнергетической и более короткой волновой стороной. Ультрафиолетовое излучение слишком короткое в длине волны, чтобы наши глаза могли его обнаружить. УФ-волны являются достаточно высокой энергией, поэтому они способны ионизировать атомы, разрушая молекулярные связи и даже молекулы ДНК. По этой причине УФ вызывает солнечный ожог и даже рак кожи. Большинство вредных ультрафиолетовых волн Солнца поглощается атмосферой (особенно азотом) и озоновым слоем, но достаточно большая его часть попадает на землю. Поэтому стоит быть осторожными и использовать солнцезащитный крем и солнечные очки.

Рентгеновское излучение имеет очень высокую энергию и подобно УФ может ионизировать атомы в теле и наносить урон. Однако на правильных длинах волн и в правильных количествах их можно использовать безопасно, не повреждая ткани тела, чтобы создать, например, снимки грудной клетки. Также рентгеновские телескопы полезны при исследовании астрофизики.

Что такое видимый свет и как его можно использовать?

Каково применение видимого излучения? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно сначала дать определение этому термину. Видимый свет - это электромагнитное излучение, вызванное фотонами, поражающими поверхность и поглощаемыми электронами материала, при этом излучается цвет, который имеет наименьшую скорость поглощения. Например, огнетушители красные, потому что частицы краски поглощают зеленую частоту лучше, чем красную.

340-750 нм - длина волны видимого спектра. Благодаря этим знаниям можно создавать диоды, которые излучают свет на определенных частотах. Одним из применений видимого света является светофор. Видимый свет - любая электромагнитная волна (или фотон как квантовый эквивалент), которая лежит в области синего и красного цветов спектра. Он имеет множество применений. Видимый свет используется как источник света, который можно увидеть человеческим глазом. Это лазеры, свободная космическая связь, оружие, сигнализация, освещение.

Он также используется в качестве сигнатурной эмиссии некоторых атомных и химических реакций, позволяя идентифицировать присутствие различных материалов, поэтому используется в судебной экспертизе и медицине. Видимый свет - это электромагнитное излучение в диапазоне частот от 430 до 770 ТГц, соответствующее длинам волн от 390 до 700 нм. Это диапазон электромагнитного излучения, который может быть получен глазами животных и человека. Эволюция, вероятно, оборудовала животных органом для получения этого диапазона излучения. Видимый свет представляет собой максимальную интенсивность солнечного излучения, и он довольно коротковолновой. Также он не повреждает живые клетки, в отличие от, например, УФ, рентгеновских или гамма-лучей.

Видимый свет - это электромагнитная волна

Обычно наблюдаемый свет представляет собой комбинацию различных цветных световых волн. Эти разные цвета света обусловлены разными частотами света. Видимый свет имеет много применений в оптике, материаловедении, конденсированном веществе, лазерных науках, разных отраслях промышленности, которые используют этот свет для экспериментов и каждый день. Примерами являются экраны проекторов, лазерный луч, используемый в шоу, или указатель, камера и так далее.

Свет - это часть электромагнитного спектра, к которому чувствительны наши глаза. Главное применение видимого света - это способность видеть вещи своими глазами. Излучение спектра передается волнами или частицами на разных длинах волн и частотах. Этот широкий диапазон длин волн известен как электромагнитный спектр. Этот спектр классически разделен на семь областей в порядке уменьшения длины волны и увеличения энергии и частоты. Наши глаза могут обнаружить только крошечную часть электромагнитного спектра, называемую видимым светом.

Так работают лампочки: электрический ток нагревает ламповую нить примерно до 3000 градусов, и она светится горячим светом. Поверхность Солнца составляет около 5600 градусов и выделяет много света. Белый свет фактически состоит из целого ряда цветов, смешанных друг с другом. Это можно увидеть, если пропустить белый свет через стеклянную призму. Компакт-диски считываются лазерным излучением. Лазеры используются в компакт-дисках и DVD-плеерах, где свет отражается от крошечных ямок на диске, при этом происходит преобразование в звук или данные. Лазеры также используются в лазерных принтерах и в системах прицеливания самолетов.

Опасности видимого света

Видимые световые волны - единственные электромагнитные волны, которые может увидеть человеческий глаз. Люди видят их как цвета радуги, каждый из которых имеет свою длину волны. Красный имеет самую длинную, а фиолетовый - самую короткую. Когда все волны видны вместе, они создают белый свет. Конусы в глазах являются приемниками для этих крошечных волн видимого света. Солнце является естественным источником видимых световых волн, и глаза видят отражение этого солнечного света от окружающих объектов. Цвет объекта, который видит человек, это цвет отраженного света. Все остальные цвета поглощаются.

Слишком большое излучение может повредить сетчатку глаза. Это может произойти, если вы посмотрите на что-то очень яркое, например на Солнце. Хотя повреждение можно вылечить, но если воздействие видимого излучения является сильным и постоянным, это может иметь необратимые последствия.

Видимое излучение: источники, свойства, применение

Лампочки - еще один источник видимых световых волн. А еще лазеры. Кто их открыл? Альберт Эйнштейн (1917) предложил механизм стимулированного излучения - принцип действия лазера. Открытие спонтанного излучения Эйнштейна (процесс, происходящий в атомах) побудило его развить идею стимуляции светодиодов. В 1950-х годах исследователи предложили конструкции для устройства, которое стимулировало бы излучение для усиления света. Первый лазер был построен Теодором М. Майманом В 1960 году.

Как производится лазер?

Искусственный процесс включает в себя следующее:

Источник энергии.
Активная среда.
Оптическая полость.

Активная среда поглощает энергию из источника, сохраняет ее и высвобождает ее как свет. Что-то из этого света запускает другие атомы, чтобы высвободить их энергию, поэтому к запущенному добавляется еще больше света. Зеркала в конце оптической полости отражают свет обратно в активную среду, и процесс начинается снова, заставляя свет усиливаться и вызывая его часть в виде узкого луча - лазера. Для увеличения светового излучения в возбужденном состоянии должно быть больше атомов, чем было изначально. Это называется инверсией данных. Это состояние не происходит при нормальных условиях. Поэтому этому процессу должны помочь искусственные технологии, а не природа.

Лекарственное средство

Применение видимого излучения в медицине - это обычное дело. Лазеры используются в микрохирургических процедурах, таких как выполнение небольших точных разрезов, операций на печени и капиллярной хирургии, что приводит к небольшой потере крови. Лазеры также используются в офтальмологии (удаление катаракты и коррекция зрения), дерматологии (удаление татуировок и шрамов), стоматологии (очищение полости), онкологии (лечение рака кожи).

Какой можно привести пример применения видимого излучения в медицине? Светотерапия также используется для облегчения сезонного аффективного расстройства, регулирует ваши внутренние биологические часы (суточные ритмы) и влияет на настроение. Терапевтическое применение света и цвета также исследуется во многих больницах и исследовательских центрах по всему миру. Результаты пока показывают, что полный спектр, ультрафиолетовый, цветной и лазерный свет могут иметь терапевтическое значение для ряда условий - от хронической боли и депрессии до иммунных расстройств.

Видимое излучение: кем и когда открыто?

Первым объяснил возникновение спектра (этот термин был употреблен впервые в 1671 году) видимого излучения Исаак Ньютон в своем труде «Оптика» и Иоганн Гете в своей работе «Теория цветов». Что такое видимое излучение? Кем и когда открыто? Также похожими исследованиями занимался Роджер Бэкон, который наблюдал за спектром в стакане воды задолго до Ньютона и Гете.

Применение в жизни видимого излучения дает возможность видеть что-либо вообще. Свет движется, как волна, отскакивая от объектов, чтобы люди могли их видеть. Без этого все были бы в полной темноте. Но в физике свет может относиться к любой электромагнитной волне: радиоволнам, микроволнам, инфракрасному, видимому, ультрафиолетовому, рентгеновскому излучению или гамма-лучам.

Наиболее мощным источником теплового излучения, обуславливающим жизнь на Земле, является Солнце.

Спектр Солнца непрерывный, в нем наблюдается множество темных фраунгоферовых линий . Фраунгофер был первым, кто описал темные линии на фоне непрерывного спектра в 1814 году. Эти линии в спектре Солнца образуются в результате поглощения квантов света в более холодных слоях солнечной атмосферы.

Наибольшую интенсивность непрерывный спектр имеет в области длин волн 430–500 нм. В видимой и инфракрасной областях спектр электромагнитного излучения Солнца близок к спектру излученияабсолютно черного тела с температурой 6000 К. Эта температура соответствует температуре видимой поверхности Солнца – фотосферы. В видимой области спектра Солнца наиболее интенсивны линии Н и К ионизованного кальция, линии бальмеровской серии водорода Нα, Нβ и Нγ.

Около 9 % энергии в солнечном спектре приходится на ультрафиолетовое излучение с длинами волн от 100 до 400 нм. Остальная энергия разделена приблизительно поровну между видимой (400–760 нм) и инфракрасной (760–5000 нм) областями спектра.

Солнце – мощный источник радиоизлучения. В межпланетное пространство проникают радиоволны, которые излучает хромосфера (сантиметровые волны) и корона (дециметровые и метровые волны). Радиоизлучение Солнца имеет две составляющие – постоянную и переменную. Постоянная составляющая характеризует радиоизлучение спокойного Солнца. Солнечная корона излучает радиоволны как абсолютно черное тело с температурой T = 106 К. Переменная составляющая радиоизлучения Солнца проявляется в виде всплесков, шумовых бурь. Шумовые бури длятся от нескольких часов до нескольких дней. Через 10 минут после сильной солнечной вспышки радиоизлучение Солнца возрастает в тысячи и даже миллионы раз по сравнению с радиоизлучением спокойного Солнца; это состояние длится от нескольких минут до нескольких часов. Это радиоизлучение имеет нетепловую природу.

Плотность потока излучения Солнца в рентгеновской области (0,1–10 нм) весьма мала (~5∙10–4 Вт/м2 и сильно меняется с изменением уровня солнечной активности. В ультрафиолетовой области на длинах волн от 200 до 400 нм спектр Солнца также описывается законами излучения абсолютно черного тела.

В ультрафиолетовой области спектра с длинами волн короче 200 нм интенсивность непрерывного спектра резко падает и появляются эмиссионные линии. Наиболее интенсивна из них водородная линия лаймановской серии (λ = 121,5 нм). При ширине этой линии около 0,1 нм ей соответствует плотность потока излучения около 5∙10–3 Вт/м2. Интенсивность излучения в линии приблизительно в 100 раз меньше. Заметны также яркие эмиссионные линии различных атомов, важнейшие линии принадлежат Si I (λ = 181 нм), Mg II и Mg I, O II, O III, C III и другие.

Коротковолновое ультрафиолетовое излучение Солнца возникает вблизи фотосферы. Рентгеновское излучение исходит из хромосферы (T ~ 104 К), расположенной над фотосферой, и короны (T ~ 106 К) – внешней оболочки Солнца. Радиоизлучение на метровых волнах возникает в короне, на сантиметровых – в хромосфере.

Поток солнечной радиации, приходящийся на 1 м2 площади земной границы атмосферы, составляет 1350 Вт. Эту величину называют солнечной постоянной .

Интенсивность прямой солнечной радиации измеряют актинометром . Принцип действия его основан на использовании нагревания зачерченных поверхностей тел, происходящего от солнечной радиации. В термоэлектрическом актинометре Савинова – Янишевского приемной часть радиации является тонкий, зачерченный с наружной стороны диск 1. К диску с электрической изоляцией припаяны спаи термоэлементов 2, другие спаи 3 прикреплены к медному кольцу внутри корпуса и затенены. Под действием солнечной радиации возникает электрический ток в термобатарее, сила которого прямо пропорциональна потоку радиации.

⇐ Предыдущая1234

Дата публикования: 2015-01-25; Прочитано: 958 | Нарушение авторского права страницы

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2018 год.(0.001 с)…

Спектр солнечного света и цветовое зрение

Согласно теории цветового зрения Юнга-Гемгольца (1821-1894) ощущение любого цвета можно получить смешиванием спектрально чистых излучений красного, зеленого и синего цвета. Эта теория хорошо согласуется с наблюдаемыми фактами и предполагает, что в глазу есть только три типа светочувствительных приемников. Они отличаются друг от друга областями спектральной чувствительности. Красный свет воздействует преимущественно на приемники первого типа, зеленый — второго, синий — третьего. Сложением излучений таких трех цветов в различных пропорциях можно получить любую комбинацию возбуждения всех трех типов светочувствительных элементов, а значит и ощущение любого цвета. Если все рецепторы возбуждены в одинаковой степени, мы имеем ощущение белого цвета, если рецепторы не возбуждены — черного. По этой причине, накладывающиеся области красного, зеленого и синего цвета выглядят как белое пятно.

Наложение красного и синего цвета дает фиолетовый цвет, зеленого и синего — бирюзовый, красного и зеленого — желтый.

Приведенный график показывает относительную спектральную чувствительность глаза к излучениям различных длин волн (так называемая кривая видности). Кривая видности красного цвета соответствует чувствительности глаза при дневном свете, а синяя — при сумеречном свете. Максимальная чувствительность глаза при дневном свете достигается на длине волны 555 нм, а при сумеречном свете — на длине волны 510 нм. Максимальная чувствительность глаза в обоих случаях принимается за единицу. Отличие между этими двумя кривыми видности объясняется тем, что дневной и сумеречный свет воспринимаются различными рецепторами глаза (палочками при сумеречном свете и колбочками при дневном свете). При этом палочки обеспечивают чёрно-белое зрение и обладают очень высокой чувствительностью. Колбочки же позволяют человеку различать цвета, но их чувствительность гораздо ниже. В темноте работают только палочки — именно поэтому ночью воспринимаемое изображение серое.

Как мы можем видеть из кривой видности, глаз способен воспринимать свет на длинах волн примерно от 400 нм до 760 нм. В условиях адаптации к темноте глаз может также немного видеть инфракрасный свет с длиной волны до 950 нм и ультрафиолетовый свет с длиной волны не меньше 300 нм. Границы частотного диапазона видимого света, а также сама форма кривой видности человеческого глаза были сформированы в процессе длительной эволюции, приспособившись к условиям освещения земных предметов солнечным светом, а также к условиям сумеречного и ночного освещения. Действительно, было бы биологически нецелесообразно, если бы глаз обладал способностью принимать излучение с длинами волн короче 290 нм, так как из-за наличия озонового слоя в атмосфере земли, поглощающего ультрафиолетовые лучи, спектр солнечного излучения вблизи поверхности Земли практически обрывается на длине волны 290 нм. С другой стороны, из-за теплового излучения самого глаза, его высокая чувствительность к инфракрасному излучению сделала бы невозможной работу глаза в условиях солнечного освещения.

Ультрафиолетовое излучение, невидимое для глаза, воздействует, тем не менее, на кожу. Под действием ультрафиолета, который присутствует в солнечном свете, в коже вырабатывается особый пигмент, интенсивно отражающий эту часть солнечного спектра. При этом кожа приобретает характерный оттенок, известный как загар, а вероятность её ожога сильно уменьшается. Почему же нельзя загореть через оконное стекло? Дело в том, что обычное оконное стекло не пропускает ультрафиолетовых лучей и, следовательно, солнечный свет, прошедший через стекло, не может вызвать загар. Загореть можно только через кварцевое стекло, прозрачное для ультрафиолета.

Спектр оптического пропускания синтетического кварцевого стекла Suprasil 300, оптического стекла BK 7 и обычного стекла. Спектр видимого света лежит примерно в пределах от 400 нм до 800 нм.

В отличие от обычного стекла, которое состоит из смеси различных компонент, кварцевое стекло состоит только из оксида кремния, а количество примесей других химических элементов чрезвычайно мало. Это приводит к тому, что кварцевое стекло обладает чрезвычайно широким спектром пропускания и малым поглощением света (обычное оконное стекло поглощает столько же света, сколько и кварцевое стекло толщиной в 100 метров). Это обуславливает широкое применение кварцевого стекла в оптике. Если позволяют средства, вы можете застеклить на даче одно из окон кварцевым стеклом и загорать зимой.

Спектральный состав солнечной радиации меняется в зависимости от высоты Солнца над горизонтом.

По международной классификации выделяют:

1. Инфракрасное излучение – 760-2600 (3000) нм

2. Видимое излучение – 400-760 нм

3. Ультрафиолетовое излучение – на границе с атмосферой 400-100 нм, на поверхности земли – 400-290 нм

Все виды излучений отличаются друг от друга длиной волны (частотой колебаний) и энергией кванта. Чем меньше длина волны, тем больше энергия кванта и тем соответственно более выражено биологическое действие данного излучения.

Спектральный состав солнечного света

Следовательно, наибольшей биологической активностью характеризуется ультрафиолетовое излучение.

Инфракрасное излучение составляет большую часть солнечного спектра (до 50%). Ультрафиолетовые лучи занимают 5% спектра на границе с атмосферой и 1% УФ-излучения достигает поверхности земли. Коротковолновая часть УФ-излучения (менее 300 нм) задерживается озоновым слоем Земли.

Реакция организма на действие солнечного света является результатом действия всех частей спектра. Солнечную радиацию воспринимают кожа и глаза. В основе физиологического действия солнечных лучей лежат различные фотохимические реакции, возникновение которых зависит от длины волны и энергии поглощенных квантов действующего излучения.

Инфракрасное излучение

Инфракрасное излучение образуется всяким телом, температура которого выше абсолютного нуля. Чем больше оно нагрето, то есть чем выше его температура, тем выше интенсивность излучения. Инфракрасное излучение проникает сквозь атмосферу, воду, почву, одежду, оконные стекла.

Коэффициент поглощения инфракрасных лучей связан с длиной волны, которая обусловливает глубину проникновения.

По длине волны инфракрасное излучение подразделяется на :

1.длинноволновое (свыше 1400 нм) — задерживается поверхностными слоями кожи и проникает на глубину до 3 мм, в результате ускоряется обмен веществ, усиливается кровоток, рост клеток и регенерация тканей, но в больших дозах может вызывать чувство жжения.

2. средневолновое (длина волны 1000 – 1400 нм)

3. коротковолновое (длина волны от 760 до 1000 нм) обладает большой проникающей способностью. Проникает на глубину 4-5 см, 14% лучей в пределах длин волн 1000-1400 нм — на глубину 3-4 см.

ИК-излучение оказывает :

1. тепловое действие — воздействуя на молекулы и атомы веществ, усиливая их колебательные движения, ИК-излучение приводит к повышению температуры биосубстрата.

2. фотохимическое действие – связано с поглощением энергии тканями и клетками, что ведет к активизации ферментных процессов и, как следствие, к ускорению обмена веществ, образованию БАВ, усилению процессов регенерации, иммуногенеза.

ИК-излучение оказывает местное и общее воздействие.

При локальном воздействии на ткани ИФ-излучение несколько ускоряет биохимические реакции, ферментативные и иммунобиологические процессы, рост клеток и регенерацию тканей, кровоток, усиливает биологическое действие УФ-лучей.

Общее действие проявляется противовоспалительным, болеутоляющим, общетонизирующим эффектами. Эти эффекты широко используются в физиотерапии — с помощью использования искусственных источников ИК-излучения для лечения заболеваний воспалительного характера с целью уменьшения болевого синдрома при ревматизме, остеохондрозе и т.д.

3. влияет на климат и микроклимат. Вследствие неравномерного нагревания земной поверхности и испарения воды происходит движение воздуха и водных масс, формирование циклонов и антициклонов, теплых и холодных течений, разнообразие климатических зон, погодных условий, которые опосредованно влияют на человека.

При оптимальной интенсивности ИК-излучение вызывает приятное тепловое ощущение.

Отрицательное воздействие ИК-излучения связано с тепловым эффектом, так как возможно перегревание организма с развитием теплового или солнечного удара.

Видимое излучение

Видимое излучение воздействует на кожу (проникает на глубину 2,5 см) и глаза. Кожа неодинаково поглощает видимые лучи. Красные лучи проникают на глубину 2,5 см в количестве 20%, фиолетовые до 1%.

Биологическое действие :

1. вызывает световое ощущение. Связано с фотохимическим действием, которое проявляется в возбуждении молекул зрительных пигментов сетчатки глаза. В результате в сетчатке возникают электрические импульсы, вызывающие ощущение света. Таким образом, видимые лучи имеют информационное значение (информация об объеме, цвете, форме и т.д.)

2. оказывает благоприятное действие на организм, стимулирует его жизнедеятельность, улучшает общее самочувствие, эмоциональное настроение, повышает работоспособность. Плохое освещение отрицательно сказывается на функции зрительного анализатора, в результате чего быстро развивается утомление.

3. усиливает обмен веществ, иммунологическую реактивность, улучшает деятельность других анализаторов, активизирует процессы возбуждения в коре головного мозга.

4. тепловое действие – около 50% общей тепловой энергии солнечного спектра приходится на видимое излучение.

5. оздоровление окружающей среды

6. психогенное значение. Видимое излучение способно создавать гамму цветов, которые оказывают различное действие на человека. Отношение к цветам очень индивидуальное и каждый цвет вызывает у человека определенные ощущения (голубой – чувство прохлады, успокаивающее действие, зеленый – спокойствие, надежность, ярко-желтый – раздражение, красный – возбуждение, фиолетовый и синий – угнетают и способствуют засыпанию, синий способен усиливать состояние депрессии).

7. интенсивность и цвет видимого света на протяжении суток меняется, что имеет сигнальный характер и определяет суточный биологический ритм активности человека, служит источником рефлекторной и условнорефлекторной деятельности.

В процессе эволюции человек стал вести активный образ жизни в светлый период суток. Видимый свет влияет на режим сна и бодрствования, а, следовательно, и на физиологические функции организма (регуляция температуры тела, уровня гормонов и т. д.). Сейчас существует понятие синдрома «световое голодание», которое характеризуется снижением работоспособности, эмоциональной нестабильностью, повышенным аппетитом и потребностью во сне. Такой синдром возникает у людей в осенне-зимний период, при проживании за Полярным кругом, у работающих в ночную смену и т.д.

Биологическое действие различных участков спектра солнечного излучения

Ионизирующее излучение. Это излучение включает космические лучи, а также естественную и искусственную радиоактивность. На поверхности Земли эта форма воздействия на организмы связана главным образом с естественным радиоактивным фоном, а в наше время – и с резким возрастанием уровня радиоактивности техногенного происхождения.

Биологическое действие радиации осуществляется, в основном, на субклеточном уровне (ядра, митохондрии, микросомы) Установлена зависимость этого действия от дозы облучения: при малых дозировках повреждающий эффект может сменяться стимулирующим. Известно влияние ионизирующей радиации на генетический аппарат (мутагенный эффект).

Ультрафиолетовые лучи. Наиболее коротковолновая (200-280 нм) зона этой части спектра («ультрафиолет С») активно абсорбируется кожей; она является опасной для живых организмов, но практическим полностью поглощается озоновым экраном. Следующая зона – УФ-В, с длиной волны 280-320 нм – наиболее опасная часть спектра УФ, обладающая канцерогенным действием. УФ-В активирует некоторые микроорганизмы, в то время как другие длины волн УФ губительны для микробов. Большая часть зоны УФ-В также поглощается озоновым экраном.

До поверхности Земли доходят лишь лучи с длиной волны примерно от 300 нм. Эта часть спектра обладает большой энергией и оказывает на живые организмы главным образом химическое действие. В частности, УФ –лучи стимулируют процессы клеточного синтеза.

Под действием этих лучей в организме синтезируется витамин Д, регулирующий обмен кальция и фосфора, а соответственно нормальный рост и развитие скелета. Особенно велико значение этого витамина для растущего организма. Поэтому многие млекопитающие, выводящие детенышей в норах, регулярно (чаще по утрам) выносят их на освещенные солнцем места. «Солнечное купание» свойственно и многим птицам; основная роль этой формы поведения – нормализация обмена, синтез витамина Д и регуляция продукции меланина. Действие УФ зависит от дозы: слишком сильное облучение вредно для организма. Особенно неустойчивы к коротковолновой радиации активно делящиеся клетки. Как приспособление к экранированию организма от передозировки УФ у многих видов, в том числе и у человека, формируются темные пигменты, поглощающие эти лучи. Такова природа загара у человека. У лягушек и некоторых других амфибий и рыб откладываемые на поверхности воды икринки имеют пигментированный верхний полюс. У пустынных грызунов отмечена пигментация мошонки. У сусликов обнаружены пигментированные мозговые оболочки.

УФ-радиация составляет около 5-10% суммарной радиации, достигающей поверхности Земли.

Видимый свет. Эта часть спектра составляет около 40-50% солнечной энергии, достигающей Земли. Для животных видимая часть спектра связана, прежде всего, с ориентированием в окружающей среде. Зрительная ориентация свойственна большинству дневных животных и используется как источник сложной информации о внешних условиях. Эффективность восприятия зрительных сигналов очень различна: от простых светочувствительных клеток, в которых световые воздействия на зрительные пигменты фотохимически трансформируются в нервный импульс, до сложно устроенных глаз, способных к восприятию объемных образов в цветовом варианте. У ряда птиц зрительное восприятие распространяется на часть ультрафиолетовой зоны спектра. Многие животные воспринимают как видимый свет ближнюю область инфракрасного излучения.

Впрочем, и многие ночные виды ориентируются с участием органов зрения, поскольку абсолютная темнота в сфере обитания животных встречается редко. Ослабление интенсивности света вызывает адаптивные перестройки органов зрения (совы, козодои, некоторые ночные млекопитающие).

Обитание в условиях полной темноты, как правило, связано с редукцией органов зрения. Это, в частности, свойственно видам, обитающим в пещерах, а также многим почвенным животным. У почвенных животных часто сохраняются светочувствительные органы, хотя и в редуцированном виде. Они используются для получения информации о выходе на освещенную поверхность.

В океане интенсивность освещения падает с глубиной. Параллельно изменяется и спектральный состав: глубже всего проникает его коротковолновая часть – синие и голубые лучи. Освещенность на мелководье мало отличается от суши, и обитающие здесь рыбы имеют в сетчатке большой процент колбочек, чувствительных к красному цвету. У рыб, обитающих в зеленой воде прибрежной зоны, таких колбочек нет, отсутствуют у них и оранжево-чувствительные клетки. Среди глубоководных рыб большинство имеют в сетчатке лишь один тип палочек, чувствительных к синему цвету.

Известно, что на глубине 800-950 м интенсивность света составляет около 1 % полдневного освещения на поверхности.

Этого еще достаточно для светоощущения. Дальнейшее увеличение глубины связано у одних видов с редукцией органов зрения, а у других – с развитием гипертрофированных глаз, способных воспринимать очень слабый свет. Последнее в значительной степени определяется наличием на больших глубинах светящихся организмов. Некоторые из них способных создавать освещение выше порога световой чувствительности животных. Голубое свечение (длина волны 400-500 нм) соответствует «настройке» органов зрения глубоководных животных. Биологическое свечение используют и рыбы, образуя симбиотические связи со светящимися микроорганизмами и формируя специальные органы, свет которых используется для подманивания добычи, взаимного опознавания, различения полов и т.п.

Свет как фактор фотосинтеза. В процессе фотосинтеза свет выступает как источник энергии, которая используется пигментной системой (хлорофилл, в некоторых случаях – его аналоги). В результате происходит расщепление молекулы воды с выделением газообразного кислорода, а энергия, полученная фотохимической системой, утилизируется для преобразования диоксида углерода в углеводы:

6СО2 + 12Н2О хлорофилл С6Н12О6 + 6О2 + 6Н2О

Способность использовать лучистую энергию у хлорофилла и у зрительных пигментов животных очень близка; поэтому в спектре солнечного излучения область фотосинтетически активной радиации (ФАР) практически совпадает с диапазоном видимой части спектра с длиной волны порядка 400-700 нм. Некоторые бактерии, имеющие бактериохлорофиллы, способны поглощать свет в длинноволновой части спектра (максимум в области 800-100 нм).

Зеленый лист поглощает в среднем 75 % падающей на него лучистой энергии. Но коэффициент использования ее на фотосинтез невысок: около 10 % при низкой освещенности и лишь 1-2 % — при высокой. Остальная энергия переходит в тепловую, которая затрачивается на транспирацию и другие процессы.

Наиболее важные внешние факторы, влияющие на уровень фотосинтеза, это – температура, свет, диоксид углерода и кислород. На уровне самого растения на этот процесс влияют содержание хлорофилла и воды, особенности анатомии листа, концентрация ферментов.

Зависимость фотосинтеза от температуры характеризуется кривой, на которой выделяются точки (зоны) максимума, оптимума и минимума. Минимальная температура, при которой возможен фотосинтез, видоспецифична и отражает приспособленность вида к температурным условиям среды. У многих видов она совпадает с температурой замерзания тканевых жидкостей (-1, -2°С), но у наиболее холодолюбивых форм опускается до -5…-7°С. Максимальная температура фотосинтеза в среднем на 10-12°С ниже точки тепловой смерти. Температурный максимум фотосинтеза выше у южных растений. Оптимальной температурной зоной для фотосинтеза принято считать тепловые условия, при которых фотосинтез достигает 90% своей максимальной величины; эта зона зависит от освещенности: повышается при ее увеличении и снижается в условиях затенения. Поэтому при низкой освещенности фотосинтез идет активнее при более низких температурах, а при высокой интенсивность этого процесса увеличивается с повышением температуры.

Освещенность в своем влиянии на фотосинтез характеризуется так называемой кривой насыщения: вначале с повышением освещенности кривая потребления СО2резко идет вверх, затем – по достижении определенного порога освещенности – нарастание фотосинтеза снижается, кривая приобретает форму гиперболы. В этой зависимости хорошо прослеживаются закономерности экологического плана: у тенелюбивых растений насыщение наступает при меньшей освещенности, чем у светолюбивых. В темноте кривые ассимиляции переходят на нулевой уровень: выделение СО2 при дыхании не компенсируется его потреблением для фотосинтеза. Минимальное освещение, при котором поглощение диоксида углерода для фотосинтеза равно выделению его при дыхании, называют точкой компенсации ; у светолюбивых растений она располагается выше, чем у тенелюбивых. Кроме того, положение этой точки зависит от концентрации СО2 и от температуры.

Диоксид углерода в процессе фотосинтеза выступает как ресурс для синтеза углеводов. Норма содержания СО2 в атмосфере составляет 0,57 мг/л. Повышение концентрации ведет к усилению фотосинтеза, но лишь до известных пределов; при концентрации 5-10% (против нормальной – 0,03 %) фотосинтез ингибируется. В сочетании с реакцией на другие факторы колебания концентрации СО2 определяет поддержание нормального уровня фотосинтеза в разнообразных природных условиях. Такие колебания обусловлены суточным ритмом фотосинтеза, закономерными изменениями интенсивности почвенного дыхания и некоторыми другими факторами. Например, суточные колебания СО2 в густых растительных сообществах могут достигать 25 % от средних величин.

Вода, тоже участвующая в процессах фотосинтеза редко его лимитирует. Однако непрямым путем недостаток воды (в частности, сезонный) может быть ограничителем. Например, в западной Австралии некоторые виды растений во время засухи снижают фотосинтез на 2/3 по сравнению с весенним периодом.

Биологические ритмы

Специфическое значение светового фактора заключается в том, что закономерная динамика условий освещения играет важную роль в регуляции периодических явлений в жизни растений и животных.

С самого возникновения жизни на Земле она осуществлялась в условиях ритмически меняющейся среды . Закономерная смена дня и ночи, регулярно повторяющиеся сезонные изменения комплекса факторов – все это требовало приспособления со стороны живых организмов. В процессе эволюции выработалось наиболее кардинальная форма такого приспособления: согласованность ритмов биологической активности различных живых форм с масштабами суточной и сезонной цикличности комплекса условий среды. Ритмичность общих проявлений жизнедеятельности и ее отдельных форм свойственна всем живым существам. В основе ее лежит специфика биохимических и физиологических реакций составляющих сущность жизни и имеющих ритмичный характер. Длительность ритмов отдельных процессов, идущих на суборганизменном уровне, очень различна: от долей секунды (например, активность нейрона) до нескольких часов (секреторная деятельность желез) и даже более.

Суточные ритмы. Суточная периодичность свойственна большинству видов растений и животных. Имеются формы с дневной или ночной активностью; у некоторых видов вспышки активности проявляются спонтанно, независимо от времени суток, некоторым животным присуще проявление активности в сумеречное время. Время открытия и закрытия цветков у высших растений, начала или окончания бодрствования (или, наоборот, сна) у животных видоспецифично и отличается большим постоянством в своем соотношении с суточным ходом освещенности.

Общий характер активности животных определяется такими условиями:

1) тип питания;

2) взаимоотношения с хищниками и конкурентами;

3) суточные изменения комплекса абиотических факторов и т.д.

Так, суточная активность пойкилотермных животных во многом определяется режимом температуры среды; у амфибий – сочетанием температуры и влажности. Среди грызунов виды, поедающие грубые, богатые клетчаткой корма, отличаются, как правило, круглосуточной активностью. Семеноядные формы, употребляющие более концентрированную пищу, приурочивают время ее добывания к ночному периоду, когда слабее воздействие хищников. Особенно ярко это выражено у представителей открытых пространств степей и пустынь.

Циклические изменения общего уровня жизнедеятельности на протяжении суток связаны с ритмами физиологических процессов. Активный период характеризуется большими энергозатратами и соответственно повышенной активностью комплекса физиологических реакций.

Солнечная радиация

Но суточные колебания метаболизма не являются только прямым следствием повышения общей активности, так как существуют закономерные изменения уровня обмена веществ и в покое.

Режим освещенности выступает в роли сигнального фактора, который определяет время начала и окончания активности. У дневных животных утреннее нарастание освещенности по достижении определенного порога стимулирует начало активной деятельности.

У ночных видов начало активности коррелирует с определенной степенью снижения освещенности, а утреннее повышение ее определяет окончание активного периода.

Пороговые величины освещенности определяют время начала и окончания активности. На протяжении активной части суток интенсивность деятельности животных обычно имеет пульсирующий, фазовый характер. Так, воробьиные птицы в период размножения наиболее активны в утренние часы, затем их активность снижается и вновь повышается вечером. Неравномерное проявление активность свойственно очень многим видам животных.

Циркадианные ритмы. Сигнальная, синхронизирующая роль фотопериода отчетливо проявляется в условиях эксперимента, когда на фоне неизменной освещенности (чаще всего – при содержании в темноте) у подопытных организмов проявляется суточный ритм, свойственный данному виду в естественной обстановке. Например, в норме некоторые растения опускают листья или складывают их на ночь и расправляют днем. После помещения в полную темноту в эксперименте эти растения сохраняли суточный ритм движения листьев. В опытах было показано также, что этот цикл складывания и распрямления листьев составляет не точно сутки, а несколько меньше – 22-22,5 час.

В основе суточных ритмов жизнедеятельности лежат наследственно закрепленные эндогенные циклы физиологических процессов с периодом, близким к 24 час. Циклические процессы такого рода называются циркадианными или циркадными (от лат. circa – около, dies – день) ритмами. В наиболее «чистом» виде циркадианные ритмы выявляются лишь при содержании животных в строго постоянных условиях, то есть без контроля со стороны меняющихся факторов среды. Выявленные таким образом, они показывают высокую степень автономности. В то же время эти свободно текущие эндогенные ритмы легко синхронизируются какими-либо внешними датчиками времени (изменения освещенности, температуры и т.д.).

Характерная особенность циркадианных ритмов – некоторое несовпадение их периода с полными астрономическими сутками .

Определенное влияние на характер циркадианных ритмов оказывают различные условия освещения. Увеличение интенсивности непрерывного освещения вызывает у ночных видов уменьшение общей активности, некоторое удлинение цикла и укорочение его активной части; при уменьшении освещенности наблюдаются сдвиги противоположного характера. Дневные животные соответственно демонстрируют обратные реакции.

Сезонные ритмы. Большинство организмов, обитающих в условиях сезонной смены климатических режимов, характеризуются наличием периодических сезонных процессов, охватывающих комплекс физиологических систем и обеспечивающих биологически значимые изменения форм деятельности. У растений это связано с сезонным характером репродукции, определенными сроками образования семян, формированием клубней и других форм запасания питательных веществ перед наступлением зимы и т.д. Эти процессы имеют эндогенный, генетически запрограммированный характер; конкретные погодные условия только модифицируют их протекание. Установлена важная роль фотопериода в регуляции сезонных периодических явлений у растений.

У большинства животных различные физиологические и биологические процессы также проявляются сезонно: размножение, линька, спячка, миграции и т.д. Эволюционно сезонность этих явлений возникла как приспособление к циклическим изменениям климатических условий. Закономерная повторяемость сезонных состояний формируется в результате взаимодействия врожденных эндогенных сезонных циклов с информацией о состоянии внешних условий. Эти взаимодействия синхронизируют проявления эндогенной программы с периодами благоприятного для данной формы деятельности сочетания факторов среды и обеспечивают адаптацию организма к сезонному состоянию внешних условий.

Цирканнуальные ритмы. Эндогенные биологические циклы с окологодовой периодичностью называются цирканнуальными или цирканными ритмами (от лат. circa – около, annus – год). Как и циркадианные, они основываются на системе свободного отсчета времени по принципу биологических часов. В природных условиях эта система находится под контролем внешних факторов-синхронизаторов, среди которых у нетропических животных главная роль принадлежит фотопериоду.

Проявления цирканнуальных ритмов может быть достаточно сложным, но в любом случае в них заложен механизм свободнотекущей временной программы и контроль со стороны естественного режима освещения.

В искусственных условиях, полностью исключающих действие внешних датчиков времени, обнаружено, что собственный ход цирканнуального ритма чаще всего бывает несколько меньше астрономического года. Так, две славки – садовая и черноголовка в возрасте 6 недель были помещены в условия постоянного фотопериода (10 час. света и 14 час. темноты) и содержались в этих условиях соответственно 10 и 8 лет. Периоды линек у этих птиц регулярно повторялись с периодичностью 9,4-9,7 мес. Аналогичные опыты с другими птицами дали сходные результаты.