Солнечный свет и небесный свет
В детстве я был очарован мифологией, и не мог не заметить, что почти каждая культура ставит своего бога солнца на вершину сборища или рядом с ней. Греки были исключением. Проведя много дней в средней школе, придавленной солнцем Средиземноморья, я всё ещё не могу понять, почему греки отдали преимущество грозам. Даже самый атеистический биолог не может не быть в восторге от диска всего ½ градуса в поперечнике, на который нельзя смотреть, но в конечном счете являющимся источником энергии для всей биосферы. Даже глубоководная фауна термальных источников требует кислород для своего химиосинтетического метаболизма – кислород, который в конечном итоге производится с помощью светособирающего фитопланктона.
Солнце является классическим примером абсолютно чёрного тела. Из-за своей низкой отражательной способности и огромных размеров оно поглощает почти всё попадающее на него излучение, и излучает с цветовой температурой около 5800° К. Около трети общего излучения поглощается или рассеивается в пространстве атмосферы Земли, по большей части в ультрафиолетовом диапазоне (из-за озона), и коротковолновой инфракрасной области (из-за водяного пара, CO2 и O2 ) (рисунок 3.5). Однако большие части инфракрасного спектра проникают в атмосферу почти невредимыми, что не упускали из виду астрономы и создатели наблюдающих за Землёй спутников.
Итак, насколько нам известно, Солнце представляет собой абсолютно чёрное тело цветовой температурой 5800° К около половины градуса в поперечнике, чьё излучение разрезается на куски в ультрафиолетовом и инфракрасном спектре из-за поглощения и рассеяния газами в атмосфере. Это всё, что нам нужно знать о нём. Если бы однажды утром Солнце сжалось до размера Луны и переместилось на лунную орбиту, 99,9999% жизни на этой планете не увидели бы разницы. Единственным очевидным отличием был бы новый путь светила в небе и некоторые странные изменения приливов.
Не часто принимается во внимание, насколько солнце маленькое. Половина градуса – это примерно угловой размер ногтя большого пальца, если рука полностью выпрямлена. Это также только около 1/100 000 угловой области неба. Поэтому, несмотря на то что яркость неба намного меньше, чем у солнца, относительно огромный размер неба означает, что его вклад в нисходящую облучённость является существенным на определенных длинах волн. Как можно догадаться по цвету неба, его вклад максимален на более коротких длинах волн. В синей области спектра (400-500 нм) небо вносит около 15%-25% в общую облучённость. В УФА (320-400 нм) вклад составляет 25-50%, а в УФБ составляет 50% до почти 100% (рисунок 3.6).
Высокий вклад небесного света в облучённость в ультрафиолетовом спектре частично объясняет, почему люди так быстро загорают на открытых местах, таких как пляжи, поля и озера. Во всех этих местах обитания значительно больше открытого неба, чем в типичных городских и пригородных ландшафтах. Важность небесного света в облучении ультрафиолетом также предполагает, что нахождение под небольшим зонтиком на пляже не может спасти вас от солнечных ожогов, даже если вы находитесь вне прямого солнца. Вы будете чувствовать себя более прохладно, поскольку небесный свет практически не влияет на инфракрасную облучённость, но доза УФБ-фотонов (отвечающих за солнечный ожог) может быть сокращена только наполовину.
Вклад небесного света в общую облучённость на более низких длинах волн увеличивается по мере того, как солнце опускается. Это частично объясняется тем, что по мере приближения солнца к горизонту его яркость падает из-за увеличения поглощения и рассеяния света, происходящего из-за его более длинного пути через нижнюю атмосферу. На полуденное солнце едва можно бросить взгляд, но часто можно легко наблюдать за заходящим солнцем. Кроме того, как знает любой, кто наблюдает за закатами, вечером излучение солнца на коротких длинах волн небольшое (т.е. заходящее солнце красное), поэтому закатное солнце создаёт слабую облучённость в синем и ультрафиолетовом диапазоне. Даже если бы яркость солнца не страдала от действия нашей атмосферы, общая облучённость всё равно снизилась бы из-за закона Ламберта (закона косинусов).
По этим и нескольким другим причинам нисходящая облучённость снижается до более коротких длин волн, когда солнце находится на уровне или чуть ниже горизонта (рисунок 3.7). По этой причине биологи в течение некоторого времени интересуются тем, как меняется цветное зрение и связанное с ним поведение в ответ на эти резкие изменения в освещенности.
Так как наш глаз имеет максимальную чувствительность к «зелёному» свету, «красный» мы уже видим плохо, фотоны с этой длиной волны не всегда улавливаются фоторецептором. Для нас темнеет, но в реальности человека обдаёт мощное поле красного и инфракрасного (в принципе невидимого) света. Инфракрасная сауна – она на улице происходит каждый день.
Закат и восход Солнца приводит нас к интересному факту. Вопреки Копернику, что касается жизни на Земле – Солнце движется. Его кажущееся положение проходит через 360° за двадцать четыре часа, поэтому оно перемещается на один градус каждые четыре минуты. Сколько из этого движения является горизонтальным и сколько вертикальным, зависит от географической широты положения наблюдателя и времени года. Хорошее эмпирическое правило состоит в том, что при восходе солнца и закате солнце опускается (или поднимается) примерно на один градус каждые 4/(cosθ sinφ) минуты, где θ - текущее возвышение Солнца (0° - закат), а φ самая высокая отметка, которой солнце достигнет в этот день (более точная формула для всех времён дня приводится в приложении F). Из-за 23,5° наклона земли (рис. 3.8) φ зависит от сезона. Показатель является самым высоким во время летнего солнцестояния (= 90° + 23,5° широты) и самым низким во время зимнего солнцестояния (= 90° -23,5° широты). Усреднённый в течение года, φ равен 90° минус широта нахождения наблюдателя.
Итак, во время восхода и захода солнца в моем родном городе Чапел-Хилл, Северная Каролина (широта = 36°), солнце заходит или всходит в среднем на один градус примерно каждые пять минут (рисунок 3.9).
Зимой требуется восемь минут, чтобы сесть или подняться на градус, а летом четыре. Если бы я жил на экваторе, солнце опускалось бы на градус каждые 4-4,36 минуты, в зависимости от сезона. Вот почему северяне на каникулах в тропиках часто говорят о том, что ночь падает, как стена. Если бы я жил в Анкоридже, на Аляске (широта = 61°), солнцу потребовалось бы пять минут, чтобы сдвинуться на градус летом и колоссальные сорок две минуты, чтобы сдвинуться на градус во время зимнего солнцестояния. В полярных регионах зима – история о сумерках.
Независимо от вашего местожительства, нисходящая облучённость удивительно постоянна в течение большей части дня (рисунок 3.10).
Как только солнце поднимется на 10° выше горизонта (в случае Чапел-Хилл примерно через пятьдесят минут после восхода, или до захода солнца), облучённость в ясный день варьируется не более чем в десять раз. Как правило, меньше, поскольку если вы живете не в тропиках, солнце никогда не будет находится действительно прямо над головой. В Чапел-Хилл максимальная высота солнца колеблется от 30 до 77°, со средним значением 54°. Таким образом, даже в южных Соединенных Штатах интенсивность облучённости большую часть дня колеблется в среднем в пять раз. На более высоких широтах зимой вариация ещё меньше, особенно если учесть обычно пасмурное небо. Большинство исследований по влиянию света на циркадные ритмы фокусировалось на резких изменениях освещения, которые происходят на рассвете и в сумерках. Однако было бы интересно узнать, влияют ли относительно постоянные уровни освещенности зимой в полярных широтах на суточные ритмы. Огромное количество кофейных и винных магазинов, которые я вижу каждый раз, когда посещаю своих коллег в Лунде, Швеция (широта = 56°), часто заставляло меня задуматься о том, используются ли кофеин и алкоголь в качестве замены колебаниям уровня солнечного облучения, которые являются привычными в местах первоначального обитания нашего вида.