РОЛЬ СОЛНЕЧНОГО И КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ПРЕВРАЩЕНИЕ ЕГО В ЭНЕРГИЮ ХИМИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ (ФОТОСИНТЕЗ)

4. РОЛЬ СОЛНЕЧНОГО И КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ПРЕВРАЩЕНИЕ ЕГО В ЭНЕРГИЮ ХИМИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ (ФОТОСИНТЕЗ)

 

Космическое излучение. Достаточно давно было доказано, что не Солнце является основным источником космического излучения.

В нашей Галактике существует Крабовидная туманность, которая образовалась в результате взрыва звезды в 1054 г. Опыт показывает, что она является источником радиоволн и источником космических частиц. Это объясняет огромную энергию космических протонов.

Нет необходимости полагать, что только взрывы звезд приводят к появлению космических частиц. Любые звездные источники радиоволн могут быть одновременно источниками космических лучей.

Существование космических лучей было обнаружено еще в 1912 г. С помощью воздушных шаров было установлено, что интенсивность ионизирующего излучения возрастает с увеличением высоты. Следовательно, это излучение возникает не на Земле, а где-то в мировом пространстве. Милликен первый уверенно высказал такое предположение и дал явлению его современное название: космическое излучение.

В 1927 г, советский ученый Д. В. Скобельцын первый получил фотографию следов космических лучей в ионизационной камере.

Была определена энергия космических частиц. Она оказалась огромной.

Для изучения природы космических лучей использовали радиолокаторы, затем начали строить радиотелескопы с огромными чашеобразными антеннами и чувствительными приемниками излучения. Быстрое развитие радиоастрономии привело к целому ряду важнейших открытий.

Было обнаружено, что нейтральный холодный водород, который составляет основную массу межзвездного газа и в оптическом диапазоне невидим, испускает монохроматическое радиоизлучение с длиной волны 21 см. Это помогло изучить распределение водорода в нашей звездной системе - Галактике, включая даже далекие области, закрытые пылевыми облаками, которые, однако, для радиоволн прозрачны.

Было доказано существование позитрона. Мезоны - частицы с массой, промежуточной между массами протона и электрона, были впервые обнаружены в космических лучах.

В настоящее время установлено, что первичное космическое излучение состоит из стабильных частиц высоких энергий, летящих в самых различных направлениях в космическом пространстве.

Интенсивность космического излучения в районе Солнечной системы составляет в среднем 2-4 частицы на 1 см² за 1 с. Оно состоит в основном из протонов (~91 %) и а-частиц (6,6%); небольшая часть приходится на ядра других элементов (менее 1%) и электроны (~1,5%). Среднее значение энергии космических частиц - около 10⁴ МэВ, а энергия отдельных частиц достигает чрезвычайно высоких значений – 10¹² МэВ и более.

Далее были открыты галактики, мощность радиоизлучения которых в миллионы раз больше, чем у нашей галактики (их назвали радиогалактиками). Оказалось, что такое мощное радиоизлучение имеет нетепловую природу. Оно вызвано гигантскими взрывами, при которых выбрасываются огромные массы вещества, в миллионы раз большие массы Солнца. Выброшенные при взрыве быстро летящие заряженные частицы в межзвездном магнитном поле движутся по криволинейным траекториям, т. е. с ускорением. Ускоренное же движение заряда сопровождается излучением электромагнитных волн.

Это нетепловое излучение называют магнитотормозным или синхротронным (оно наблюдается в синхротронах-ускорителях заряженных частиц). Изучение синхротронного излучения дает ценные сведения о движении потоков космических частиц и о межзвездных магнитных полях. Обычно излучаются радиоволны, но если частицы движутся с очень большими скоростями или в достаточно сильном магнитном поле, то они испускают видимое, ультрафиолетовое и даже рентгеновское излучение.

Для регистрации космического излучения, от инфракрасного до рентгеновского, очень широко используется фотографический метод. Кроме того, в качестве приемников излучения применяются термопары, термосопротивления, а также фотоэлектрические устройства.

Атмосфера сильно поглощает коротковолновое излучение. До поверхности Земли доходит только ближнее ультрафиолетовое излучение, да и то сильно ослабленное. Поэтому коротковолновое космическое излучение можно изучать только с помощью ракет и спутников.

Солнечное излучение. Такие исследования позволили изучить ультрафиолетовую область спектра Солнца. Поскольку температура солнечной короны составляет около 10" К, то в соответствии с законами теплового излучения корона должна быть источником рентгеновского излучения. Первые же опыты с помощью ракет подтвердили это. Оказалось, что рентгеновское излучение Солнца непостоянно.

Солнце периодически (во время вспышек) испускает солнечные космические лучи, которые состоят в основном из протонов и а-частиц. Имеют небольшую энергию, но высокую интенсивность, что приходится учитывать при планировании космических полётов.

 При хромосферных вспышках наблюдаются всплески рентгеновского излучения. Это объясняется тем, что выброшенные при вспышке быстро летящие электроны испускают рентгеновское излучение при столкновении с другими частицами солнечной атмосферы, а также при торможении в сильном магнитном поле активных областей (синхротронное излучение). Заметим, что рентгеновское излучение Солнца - важнейший источник ионизации верхнего слоя атмосферы Земли – ионосферы.

В основном первичные космические лучи состоят из протонов (около 90%); кроме протонов в них присутствуют и более тяжелые ядра. Сталкиваясь с другими молекулами, атомами, ядрами, космические лучи способны создать элементарные частицы всех типов.

Исследования космического и солнечного излучения продолжают оставаться одним из увлекательных занятий физиков.

Фотосинтез. Благодаря солнечному и космическому излучению осуществляется процесс фотосинтеза и рост растений, происходят различные фотохимические процессы.

Слово «фотосинтез» означает буквально создание или сборку чего-то под действием света. Обычно, говоря о фотосинтезе, имеют в виду процесс, посредством которого растения на солнечном свету синтезируют органические соединения из неорганического сырья.

Все формы жизни во Вселенной нуждаются в энергии для роста и поддержания жизни. Водоросли, высшие растения и некоторые типы бактерий улавливают непосредственно энергию солнечного излучения и используют ее для синтеза основных пищевых веществ. Животные не умеют использовать солнечный свет непосредственно в качестве источника энергии, они получают энергию, поедая растения или других животных, питающихся растениями.

Итак, в конечном счете источником энергии для всех метаболических процессов на нашей планете, служит Солнце, а процесс фотосинтеза необходим для поддержания всех форм жизни на Земле.

Мы пользуемся ископаемым топливом - углем, природным газом, нефтью и т. д. Все эти виды топлива - не что иное, как продукты разложения наземных и морских растений или животных, и запасенная в них энергия была миллионы лет назад получена из солнечного света. Ветер и дождь тоже обязаны своим возникновением солнечной энергии, а следовательно, энергия ветряных мельниц и гидроэлектростанций в конечном счете также обусловлена солнечным излучением.

Важной вехой в истории изучения фотосинтеза было сделанное в 1845 г. немецким физиком Робертом Майером утверждение о том, что зеленые растения преобразуют энергию, солнечного света в химическую энергию

Важнейший путь химических реакций при фотосинтезе - это превращение углекислоты и воды в углероды и кислород. Суммарную реакцию можно описать уравнением СО₂+Н₂0 ® [СН₂0]+0₂ .

Углеводы, образующиеся в этой реакции, содержат больше энергии, чем исходные вещества, т. е. СО₂ и Н₂0. Таким образом, за счет энергии Солнца энергетические вещества (СО₂ и Н₂0) превращаются в богатые энергией продукты - углеводы и кислород. Энергетические уровни различных реакций, описанных суммарным уравнением, можно охарактеризовать величинами окислительно-восстановительных потенциалов, измеряемых в вольтах. Значения потенциалов показывают, сколько энергии запасается или растрачивается в каждой реакции.

Скорость фотосинтеза возрастает линейно, или прямо пропорционально увеличению интенсивности света. По мере дальнейшего увеличения интенсивности света нарастание фотосинтеза становится все менее и менее выраженным, и, наконец, прекращается, когда освещенность достигает определенного уровня 10000 люкс. Дальнейшее увеличение интенсивности света уже не влияет на скорость фотосинтеза. Область стабильной скорости фотосинтеза называется областью светонасыщения. Если нужно увеличить скорость фотосинтеза в этой области, следует изменять не интенсивность света, а какие-либо другие факторы.

Интенсивность солнечного света, попадающего в ясный летний день на поверхность земли, во многих местах нашей планеты составляет примерно 100000 люкс. Следовательно, растениям, за исключением тех, которые растут в густых лесах и в тени, падающего солнечного света бывает достаточно для насыщения их фотосинтетической активности.

В случае низких интенсивностей света скорость фотосинтеза при 15 и 25°С одинакова. При более высоких интенсивностях скорость фотосинтеза при 25°С гораздо выше, чем при 15°С. Следовательно, в области светового насыщения уровень фотосинтеза зависит не только от поглощения фотонов, но и от других факторов. Большинство растений в умеренном климате хорошо функционируют в интервале температур от 10 до 35°С, наиболее благоприятные условия - это температура около 25°С.

Итак, фотосинтез можно рассматривать как сложный процесс преобразования лучистой энергии Солнца в энергию химических связей органических веществ, необходимых для жизнедеятельности как самих фотосинтезирующих организмов, так и других организмов, не способных к самостоятельному синтезу органических веществ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. ЗАДАЧИ

 

БИОЛОГИЯ

Сколько глюкозы (г) израсходует один школьник за урок (45 минут), если за минуту он израсходует 8 кДж энергии? Кислород доставляется в количестве, достаточном для полного расщепления глюкозы.

ЭКОЛОГИЯ

Решением городской администрации с предприятия было взыскано10 млн. руб. в счёт погашения ущерба, причинённого сбросом неочищенных вод в водоём общего пользования. Предприятие (причинитель вреда) обратилось в арбитражный суд с просьбой о признании данного взыскания недействительным и о возвращении взысканной суммы на том основании, что предприятие постоянно перечисляет на счёт экологического фонда платежи за нормативные и сверхнормативные выбросы, сбросы вредных веществ.

Решите дело.

ХИМИЯ

Насколько уменьшится масса серебряного анода, если электролиз раствора A₉NO₃ проводить при силе тока 2А в течении 38 минут 20 секунд?

Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на гранитовых электродах.