Ультрафиолетовое излучение в природе и медицине

Зеленое Солнце

Слава богу, ученые и прекрасные академики нам все объяснили. Солнце – оно зеленое. Иногда. Потому что вообще-то оно черное. Почему мы его считаем белым? Да потому что Ах, обмануть меня не трудно! Я сам обманываться рад!

Излучение Солнца

Ученые объяснили, что свечение от звезд идет из-за температуры поверхности, точно так же, как светится раскаленное жало паяльника, кочерга или гвоздь. Для каждой температуры характерно излучение на своей длине волны. Свет красного карлика (малые и относительно холодные звезды) будет соответствовать 3000 градусов Кельвина, а для Солнца кривая излучения будет соответствовать примерно 5500 градусов Кельвина.

Обобщая все это, мы видим следующее: максимум излучения Солнца согласно Закону Вина (устанавливает зависимость длины волны от температуры черного тела) наблюдается на длине волны 501 нанометров. Такой цвет можно назвать зеленым или бирюзовым. К зеленому можно отнести диапазон от 500 до 570 нанометров. И вот мы и получаем наш громкий заголовок – Солнце зеленое, – сказал Малыхин.

Восприятие цвета

Однако, отметил ученый, не стоит торопиться с выводами. Цветом обозначается восприятие человеком определенного электромагнитного излучения. Человеческие глаза ограничены в широте восприятия цвета тремя типами фоторецепторов. Самый чувствительный рецептор L отвечает за желто-красный диапазон. M- и S-рецепторы – отвечают за восприятие зелено-желтого и фиолетово-синего цветов, соответственно.

Чтобы компенсировать разницу в получаемых сигналах мозг приводит их к цветовому балансу. Почти весь видимый диапазон солнечного света (380-780 нанометров) покрывается максимумом кривой излучения Солнца. Учитывая особенность восприятия наших органов зрения, излучение Солнца почти равномерно засвечивает L, M и S-колбочки. Наш мозг это корректирует и говорит, что каждого цвета примерно одинаковое количество, и мы видим в итоге белый цвет.

Заключение

Лично мне кажется, что Солнце – желтое. Но если ученые и прекрасные академики утверждают, что Солнце – зеленое, хотя на самом деле оно черное, то у меня нет никаких причин им не верить. К тому же я подсветил Солнце фонариком, и оно мне реально ничего не отразило, ученый был совершенно прав!

Дифференциальный энергетический спектр космических лучей носит степенной характер (в дважды логарифмическом масштабе — наклонная прямая) (минимальные энергии — жёлтая зона, солнечная модуляция; средние энергии — синяя зона, ГКЛ; максимальные энергии — пурпурная зона, внегалактические КЛ).

Физику космических лучей принято считать частью физики высоких энергий и физики элементарных частиц.

Изучение физики космических лучей

Физика космических лучей изучает:

• Происхождение и свойства космических лучей
• Энергетика космических лучей
• Влияние космических лучей на окружающую среду

Все вместе, это помогает нам лучше понять природу вселенной и ее влияние на нашу жизнь на Земле.

Изучение космических лучей

Изучение потоков высокоэнергетичных заряженных и нейтральных космических частиц, попадающих на границу атмосферы Земли, является важнейшей экспериментальной задачей.

Космические лучи могут возникать:

• Первичные: внегалактические, галактические и солнечные космические лучи.

• Вторичные: потоки частиц, возникающих под действием первичных космических лучей в атмосфере Земли и регистрирующихся на поверхности Земли.

Космические лучи являются составляющей естественной радиации (фоновой радиации) на поверхности Земли и в атмосфере.

История физики космических лучей

В начале XX века было обнаружено излучение, которое не совпадало с радиоактивностью Земли. В 1911—1912 гг. Гесс обнаружил, что излучение растёт с высотой, в то время как ионизация, вызванная радиоактивностью Земли, должна была бы падать с высотой. В 1921—1925 гг. Милликен назвал это излучение космическими лучами.

В 1925 году Мысовский и Тувим обнаружили, что космическое излучение поглощалось в десять раз слабее, чем гамма-излучение ядер, и открыли барометрический эффект. Оже в 1938 году открыл ливни космических частиц.

Открытия в космических лучах

Эксперименты в космических лучах привели к ряду открытий:

• В 1932 году Андерсон открыл в космических лучах позитрон.
• В 1937 году были открыты мюоны.
• В 1947 году открыли -мезоны.
• В 1955 году установили наличие К-мезонов и тяжёлых нейтральных частиц — гиперонов.

Солнечные космические лучи (СКЛ) представляют собой частицы, испускаемые Солнцем во время солнечной активности. Эти частицы могут воздействовать на магнитосферу Земли, вызывая геомагнитные бури и создавая явление сияния в полярных областях. СКЛ могут состоять из протонов, электронов и тяжёлых ионов.

Эффекты облучения и защита от космических лучей

Космические лучи могут оказывать вредное воздействие на человека и электронику на борту космических аппаратов. Для защиты от космического излучения используются различные методы: от экранирования материалами с высоким атомным номером до выбора оптимальной траектории полёта для минимизации воздействия космических лучей.

Заключение

Исследования космического излучения имеют большое значение для понимания процессов, происходящих во Вселенной. Квантовая характеристика странность в космических лучах является одним из ключевых аспектов изучения взаимодействия частиц высокой энергии. Следует продолжать исследования в этой области для расширения наших знаний о космосе и его влиянии на жизнь на Земле.

Энергия высоких частиц в космосе

Энергия некоторых частиц, например, частицы Oh-My-God, превышает предел ГЗК (Грайзена-Зацепина-Кузьмина) – теоретический предел энергии для космических лучей, вызванный их взаимодействием с фотонами реликтового излучения. Несколько десятков таких частиц за год было зарегистрировано обсерваторией AGASA. Частицы сверхвысоких энергий чрезвычайно редки, природа их появления пока не понятна и не имеет достаточно обоснованного научного объяснения.

Регистрация космических лучей

Долгое время после открытия космических лучей методы их регистрации не отличались от методов регистрации частиц в ускорителях. Чаще всего использовались газоразрядные счётчики или ядерные фотографические эмульсии, поднимаемые в стратосферу или в космическое пространство. Однако этот метод не позволяет вести систематические наблюдения частиц с высокой энергией, так как они появляются достаточно редко, а пространство, в котором такой счётчик может вести наблюдения, ограничено его размерами.

Современные обсерватории работают на других принципах. Когда высокоэнергетичная частица входит в атмосферу, она, взаимодействуя с атомами воздуха, рождает целый шквал частиц, в основном пионов и мюонов, которые, в свою очередь, рождают другие частицы, и так далее. Образуется конус из частиц, который называют ливнем. Такие частицы двигаются со скоростью, превышающей скорость света в воздухе, благодаря чему возникает черенковское свечение, регистрируемое телескопами. Такая методика позволяет следить за областями неба площадью в сотни квадратных километров.

Значение для космических полётов

Длительное воздействие космической радиации способно очень негативно отразиться на здоровье человека. Для дальнейшей экспансии человечества к другим планетам Солнечной системы следует разработать надёжную защиту от подобных опасностей. Учёные из России и США уже ищут способы решения этой проблемы.

Опубликовано 7 июня 2023 г. в 16:31 (GMT+3). Последнее обновление 7 июня 2023 г. в 22:51 (GMT+3).

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 30 июня 2022 года; проверки требуют 17 правок.

Инфракрасное излучение: история и характеристика

Инфракрасное излучение было открыто в 1800 году английским астрономом У. Гершелем. Занимаясь исследованием Солнца, он искал способ уменьшения нагрева инструмента, с помощью которого велись наблюдения. Определяя с помощью термометров действие разных участков видимого спектра, Гершель обнаружил, что максимум тепла лежит за насыщенным красным цветом и, возможно, за видимым преломлением. Это исследование положило начало изучению инфракрасного излучения.

Диапазоны инфракрасного излучения

Объекты обычно испускают инфракрасное излучение во всём спектре длин волн, но иногда только ограниченная область спектра представляет интерес, поскольку датчики обычно собирают излучение только в пределах определенной полосы пропускания. Таким образом, инфракрасный диапазон часто подразделяется на более мелкие диапазоны.

Обычная схема деления

Аббревиатура Длина волны Энергия фотонов Характеристика

Near-infrared, NIR 0,75—1,4 мкм 1,7—0,9 эВ Ближний ИК, ограниченный с одной стороны видимым светом, с другой — прозрачностью воды, значительно ухудшающейся при 1,45 мкм. В этом диапазоне работают широко распространенные инфракрасные светодиоды и лазеры для систем волоконной и воздушной оптической связи. Видеокамеры и приборы ночного видения на основе ЭОП также чувствительны в этом диапазоне.

Short-wavelength infrared, SWIR 1,4—3 мкм 0,9—0,4 эВ Поглощение электромагнитного излучения водой значительно возрастает при 1450 нм. Диапазон 1530—1560 нм преобладает в области дальней связи.

Mid-wavelength infrared, MWIR 3—8 мкм 0,4—0,15 эВ В этом диапазоне начинают излучать тела, нагретые до нескольких сотен градусов Цельсия. В этом диапазоне чувствительны тепловые головки самонаведения систем ПВО и технические тепловизоры.

Long-wavelength infrared, LWIR 8—15 мкм 0,15—0,08 эВ В этом диапазоне начинают излучать тела с температурами около нуля градусов Цельсия. В этом диапазоне чувствительны тепловизоры для приборов ночного видения.

Far-infrared, FIR 15— 1000 мкм 0,08—0,0012 эВ

ISO 20473 схема

Международная организация по стандартизации предлагает следующую схему:

Ближний инфракрасный диапазон NIR 0,78—3 мкм

Средний инфракрасный диапазон MIR 3—50 мкм

Дальний инфракрасный диапазон FIR 50—1000 мкм

Теплово́е излуче́ние или лучеиспускание — передача энергии от одних тел к другим в виде электромагнитных волн, излучаемых телами за счёт их внутренней энергии. Тепловое излучение в основном приходится на инфракрасный участок спектра от 0,74 мкм до 1000 мкм. Отличительной особенностью лучистого теплообмена является то, что он может осуществляться между телами, находящимися не только в какой-либо среде, но и вакууме. Примером теплового излучения является свет от лампы накаливания. Мощность теплового излучения объекта, удовлетворяющего критериям абсолютно чёрного тела, описывается законом Стефана — Больцмана. Отношение излучательной и поглощательной способностей тел описывается законом излучения Кирхгофа. Тепловое излучение является одним из трёх элементарных видов переноса тепловой энергии (помимо теплопроводности и конвекции). Равновесное излучение — тепловое излучение, находящееся в термодинамическом равновесии с веществом.

Прибор ночного видения

Существует несколько способов визуализировать невидимое инфракрасное изображение:

Изображение девушки, полученное в инфракрасном диапазоне

Инфракрасная термография, тепловое изображение или тепловое видео — это способ получения термограммы — изображения в инфракрасных лучах, показывающего картину распределения температурных полей. Термографические камеры или тепловизоры обнаруживают излучение в инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра (примерно 900—14000 нанометров) и на основе этого излучения создают изображения, позволяющие определить перегретые или переохлаждённые места. Так как инфракрасное излучение испускается всеми объектами, имеющими температуру, согласно формуле Планка для излучения чёрного тела, термография позволяет «видеть» окружающую среду с или без видимого света. Величина излучения, испускаемого объектом, увеличивается с повышением его температуры, поэтому термография позволяет видеть различия в температуре. Тёплые объекты видны лучше, чем охлаждённые до температуры окружающей среды; люди и теплокровные животные легче заметны в окружающей среде, как днём, так и ночью.

Тепловизоры применяются вооружёнными силами для обнаружения теплоконтрастных целей (живой силы и техники) в любое время суток, их применяют пожарные и спасательные службы для поиска пострадавших, выявления очагов горения, анализа обстановки и поиска путей эвакуации, они также используются в медицине для диагностики различных заболеваний, с помощью них обнаруживают перегрев в местах соединений и части, находящиеся в аварийном состоянии и т.д.

Инфракрасная головка самонаведения — головка самонаведения, работающая на принципе улавливания волн инфракрасного диапазона, излучаемых захватываемой целью. Представляет собой оптико-электронный прибор, предназначенный для идентификации цели на окружающем фоне и выдачи в автоматическое прицельное устройство (АПУ) сигнала захвата, а также для измерения и выдачи в автопилот сигнала угловой скорости линии визирования.

Инфракрасный обогреватель в быту иногда неточно называется рефлектором. Лучистая энергия поглощается окружающими поверхностями, превращаясь в тепловую энергию, нагревает их, которые в свою очередь отдают тепло воздуху. Это дает существенный экономический эффект по сравнению с конвекционным обогревом, где тепло существенно расходуется на обогрев неиспользуемого подпотолочного пространства. Кроме того, при помощи ИК обогревателей появляется возможность местного обогрева только тех площадей в помещении, в которых это необходимо без обогрева всего объёма помещения; тепловой эффект от инфракрасных обогревателей ощущается сразу после включения, что позволяет избежать предварительного нагрева помещения. Эти факторы снижают затраты энергии.

Инфракрасные излучатели часто применяют для сушки окрашенных поверхностей. Инфракрасный метод сушки имеет существенные преимущества перед традиционным, конвекционным методом. В первую очередь это экономический эффект: благодаря поглощению тепла непосредственно окрашенной поверхностью процесс идёт гораздо быстрее, а энергии при этом затрачивается гораздо меньше, чем при традиционных методах. Кроме того, минимизируется конвекция воздуха, благодаря чему на окрашенные поверхности попадает меньше пыли.

Раздел астрономии и астрофизики, исследующий космические объекты, видимые в инфракрасном излучении. При этом под инфракрасным излучением подразумевают электромагнитные волны с длиной волны от 0,74 до 2000 мкм. Инфракрасное излучение находится в диапазоне между видимым излучением, длина волны которого колеблется от 380 до 750 нанометров, и субмиллиметровым излучением.

Инфракрасная астрономия начала развиваться в 1830-е годы, спустя несколько десятилетий после открытия инфракрасного излучения Уильямом Гершелем. Первоначально прогресс был незначительным и до начала 20 века отсутствовали открытия астрономических объектов в инфракрасном диапазоне помимо Солнца и Луны, однако после ряда открытий, сделанных в радиоастрономии в 1950-х и 1960-х годах, астрономы осознали наличие большого объёма информации, находящегося вне видимого диапазона волн. С тех пор была сформирована современная инфракрасная астрономия.

По инфракрасным спектрам поглощения можно установить строение молекул различных органических (и неорганических) веществ с относительно короткими молекулами: антибиотиков, ферментов, алкалоидов, полимеров, комплексных соединений и др. Колебательные спектры молекул различных органических (и неорганических) веществ с относительно длинными молекулами (белки, жиры, углеводы, ДНК, РНК и др.) находятся в терагерцевом диапазоне, поэтому строение этих молекул можно установить с помощью радиочастотных спектрометров терагерцевого диапазона. По числу и положению пиков в ИК спектрах поглощения можно судить о природе вещества (качественный анализ), а по интенсивности полос поглощения — о количестве вещества (количественный анализ). Основные приборы — различного типа инфракрасные спектрометры.

Распространение инфракрасных светодиодов, лазеров и фотодиодов позволило создать беспроводной оптический метод передачи данных на их основе. В компьютерной технике обычно используется для связи компьютеров с периферийными устройствами (интерфейс IrDA) В отличие от радиоканала инфракрасный канал нечувствителен к электромагнитным помехам, и это позволяет использовать его в производственных условиях. К недостаткам инфракрасного канала относятся необходимость в оптических окнах на оборудовании, правильной взаимной ориентации устройств. На данный момент существует большое количество производителей сетевого оборудования, основанного на передаче света в атмосфере (FSO), как правило это точка — точка. Сейчас учёными достигнута скорость передачи данных в атмосфере более 4 Тбит/с. При этом известны серийно выпускаемые терминалы связи со скоростью до 100 Гбит/с. В условиях прямой видимости инфракрасный канал может обеспечить связь на расстояниях в несколько километров. О скрытности канала связи не приходится и говорить, так как ИК диапазон не виден человеческому глазу (без использования специального прибора), и угловая расходимость канала связи не превышает 17 мкрад по всем осям.

Инфракрасные диоды и фотодиоды повсеместно применяются в пультах дистанционного управления, системах автоматики, охранных системах, некоторых мобильных телефонах (инфракрасный порт) и т. п. Инфракрасные лучи не отвлекают внимание человека в силу своей невидимости.

Интересно, что инфракрасное излучение бытового пульта дистанционного управления легко фиксируется с помощью дешёвых цифровых фотоаппаратов или видеокамер с ночным режимом, в которых нет специального инфракрасного фильтра.

Наиболее широко инфракрасное излучение в медицине применяется в различных датчиках потока крови (PPG).

Широко распространённые измерители частоты пульса (ЧСС, HR — Heart Rate) и насыщения крови кислородом (SpO2) используют светодиоды зелёного (для пульса) и красного и инфракрасного (для SpO2) излучений.

Излучение инфракрасного лазера используется в методике DLS (Digital Light Scattering) для определения частоты пульса и характеристик потока крови.

Инфракрасные лучи применяются в физиотерапии.

Влияние длинноволнового инфракрасного излучения:

Особенностью применения ИК-излучения в пищевой промышленности является возможность проникновения электромагнитной волны в такие капиллярно-пористые продукты, как зерно, крупа и мука, на глубину до 7 мм. Эта величина зависит от характера поверхности, структуры, свойств материала и частотной характеристики излучения. Электромагнитная волна определённого частотного диапазона оказывает не только термическое, но и биологическое воздействие на продукт, способствует ускорению биохимических превращений в биологических полимерах (крахмал, белок, липиды). Конвейерные сушильные транспортёры с успехом могут использоваться при закладке зерна в зернохранилища и в мукомольной промышленности.

Недостатком же является существенно большая неравномерность нагрева, что в ряде технологических процессов совершенно неприемлемо.

Проверка денег на подлинность

Инфракрасный излучатель применяется в приборах для проверки денег. Нанесённые на купюру как один из защитных элементов специальные метамерные краски возможно увидеть исключительно в инфракрасном диапазоне.

Дистанционное зондирование Земли

Инфракрасное излучение широко применяют при дистанционном зондировании Земли из космоса. Совместное использование спутниковой съёмки в ИК диапазоне со съёмками в других участках спектра позволяет применять методы, принципиально схожие со спектроскопией, для анализа земной поверхности. Особенно актуально это для изучения растительности при расчете различных вегетационных индексов.