Стекло и солнечная радиация

Большинство процессов, происходящих на Земле, в атмосфере и в воде, обусловлены наличием лучистой энергии Солнца. Без нее органическая жизнь Земли была бы просто невозможна. Почти все виды энергии, которыми пользуется человек, являются трансформированной энергией Солнца. Она оказывает существенное влияние на здоровье людей. Под влиянием солнечного света погибают возбудители многих инфекционных болезней, благодаря солнечному свету мы видим окружающий мир. В светлых помещениях улучшается состояние и самочувствие людей, повышается работоспособность.
Однако помимо положительного влияния солнечные лучи иногда могут отрицательно воздействовать на здоровье человека, это происходит при перегреве помещений и дискомфорте светового режима. Микроклимат помещений в значительной степени зависит от солнечной радиации, поэтому при проектировании зданий и сооружений очень важным вопросом является учет положительного и отрицательного влияния солнечных лучей на общий гигиенический режим помещений.
Стекло призвано обеспечивать связь человека, находящегося в помещении, с окружающим пространством и является разделяющей средой между ним и Солнцем.

Таблица 1 Распределение энергии излучения в спектрах источников света в %

Солнце — источник радиации
Согласно современным научным данным наш источник радиации — Солнце — представляет собой гигантский газовый шар диаметром 1,5 млн. км. Температура в центре Солнца имеет порядок 4 і 107 °С, а температура излучающей поверхности (фотосферы) равна 6000 °С. Среднее расстояние от Земли до Солнца равно 150 млн. км. Солнечный луч пробегает его только за 8 мин. Каждую секунду Солнце пропускает такое количество тепла, которое можно было бы получить при сжигании в одном месте 11 600 блн. тонн каменного угля. При зенитном положении Солнца и средней прозрачности атмосферы освещенность, создаваемая солнечными лучами, доходит до значения 290 000 лк. Интенсивность солнечного излучения, достигающего Земли, зависит в основном от географической широты места, высоты над уровнем моря, высоты стояния Солнца над горизонтом, которая может меняться в зависимости от времени суток и времени года от 0 до 90°, а также от ориентации по румбам горизонта.
Интенсивность и спектральный состав любого излучения зависят от температуры излучающей поверхности. Температура фотосферы Солнца была определена различными методами, которые показали один и тот же результат: +6000 °С. Все известные науке тела при такой температуре находятся в парообразном состоянии. Чем выше температура излучающей поверхности тела, тем больше интенсивность его излучения и тем более короткие волны оно излучает. Чем ниже Солнце над горизонтом, тем меньше солнечной радиации доходит до земной поверхности, причем доходит только часть лучистой энергии Солнца, находящаяся в диапазоне длин волн 300-2500 нм. Эту часть солнечного спектра принято называть оптической. Она делится на три зоны — ультрафиолетовую (УФ-зону), видимую и инфракрасную (ИК-зону), что подтверждается данными таблицы 1, в которой приведено сравнительное распределение энергии излучения в зонах спектра различных источников света.

• Share

Ультрафиолетовая зона
Лучи УФ-зоны имеют длину волны меньше 380 нм. Часто эту зону подразделяют на близкую (380-300 нм), далекую (300-200 нм) и область вакуумного УФ-излучения (2.10–1 - 10–3 мк).
Все основное биологическое действие солнечных лучей приходится на УФ-зону спектра (рис.1). На рисунке линия А — это часть кривой распределения энергии в солнечном спектре. Линия В характеризует бактерицидное действие радиации, которое принадлежит коротковолновому излучению, не доходящему до земной поверхности, и в солнечных лучах на ее долю приходится только небольшой участок, ограниченный пересекающимися кривыми А и В (от 290 до 305 нм).
Линией С показано распределение антирахитичного действия радиации. На долю таких лучей приходится только участок площади солнечной энергии, ограниченный кривыми С и А (от 290 до 315 нм). Эритемное действие вызывается только лучами с длиной волны от 290 от 330 нм.
На рисунке эритемная область солнечной энергии равна площади, ограниченной кривой эритемного действия D и кривой А. Кривая Е характеризует распределение загарной радиации. Она полностью соответствует площади, ограниченной кривой распределения энергии в спектре Солнца (заштрихованная площадь) и находится в диапазоне длин волн 300-450 нм.
Таким образом, УФ-лучи очень активны по отношению к человеческому организму и ко всему живому. С уменьшением высоты солнцестояния сильно уменьшается доля коротковолнового излучения в солнечном спектре.
УФ-радиация оказывает очень сильное влияние на зрение. На протяжении всей деятельности человека сетчатка глаза подвержена действию рассеянной и отраженной солнечной радиации. Особенно чувствительна сетчатка к облучению УФ-лучами. Глаз устроен таким образом, что хрусталик, являясь непроницаемым для УФ-лучей, предохраняет от них сетчатку. Однако вследствие длительного воздействия радиации он изнашивается. Белок, входящий в состав хрусталика, из легкорастворимого превращается в труднорастворимый, в результате такого превращения к старости у некоторых людей появляется помутнение хрусталика (катаракта).
Бактерицидное действие радиации приходится также на УФ-зону спектра, лучи которой являются наиболее губительными для бактерий. Чем короче длина волны излучения, тем сильнее его бактерицидное действие. Активность УФ-лучей велика по отношению не только к организмам и органическим соединениям, но и к неорганическим веществам. Наглядный пример тому — выцветание тканей, различных красок и пр. Тепловое действие УФ-лучей незначительно: на их долю приходится
2-4% общего количества тепловой энергии, поступающей с солнечной радиацией. Обычное силикатное стекло почти полностью не пропускает биологически активные лучи УФ-зоны спектра, что видно на рис. 2.

• Share

• Share

Зона видимых лучей
Вторая зона спектра — зона видимых лучей, соответствующая длинам волн 380-750 нм, получила свое название благодаря тому, что в ее пределах любое излучение воспринимается глазом.
Видимые лучи, так же как УФ, играют большую роль в жизнедеятельности человека. Они необходимы для зрения. Очень велика их роль для жизни растений и всех органических обитателей Земли. Для освоения растениями углерода (ассимиляции) исключительно важную роль играет диапазон видимых лучей с длинами волн 650-700 нм: красные лучи, а также синие лучи с l = 480 нм. Для процесса ассимиляции СО2 в клетках растений необходимо наличие хлорофильных телец, которые образуются только при свете. Если бы растительный мир с помощью видимых лучей не очищал воздух от углекислоты, обогащая его кислородом, то очень скоро воздух стал бы непригодным для дыхания.
Видимые лучи химически активны. Их тепловое действие составляет 44-46% общего количества солнечной радиации. Обычное силикатное стекло хорошо пропускает лучи видимой зоны спектра (рис. 3).

• Share

Инфракрасная зона
ИК-зона оптической части солнечного спектра находится в диапазоне длин волн 750-2500 нм. ИК-лучи так же, как и УФ, невидимы для глаза и обладают только тепловым действием. ИК-лучи несут от 50 до 52% тепловой радиации. Обычное стекло почти полностью пропускает ИК-лучи (рис. 4).
Таким образом, лучистый нагрев всех тел происходит в основном в результате совместного действия видимых и ИК-лучей (46+52%).
На рис. 5 приведена кривая распределения интенсивности солнечной энергии Е в оптической части спектра. При прохождении через атмосферу изменяется качественный и количественный состав солнечной радиации, так как атмосфера не является абсолютно прозрачной: часть радиации рассеивается, часть поглощается.
Оконное стекло очень хорошо пропускает солнечные лучи, почти не отражает их и почти не поглощает.
В результате этого солнечная радиация, проникая внутрь помещения, нагревает поверхности стен, мебели, оборудования, пола и различных предметов, находящихся в помещении. Нагретые тела становятся источниками тепла, которое они отдают внутреннему воздуху и окружающим предметам в виде ИК-излучения с длиной волны от 7,5 до 14 мк. Для излучений с таким диапазоном волн обычное стекло является экраном, так как его пропускание ограничивается длинами волн около 5 мк. Поэтому лучистая энергия Солнца, трансформированная в тепло тел, аккумулируется в помещении.

• Share

В современной практике строительства, учитывая тенденции архитектуры к большим поверхностям остекления, этот эффект довольно часто оставляют без внимания, в то время как он нередко бывает основной причиной перегрева помещений.
Сплошное остекление фасадов зданий не является в большинстве случаев результатом каприза архитекторов: оно обусловлено экономической и технической необходимостью. Как свидетельствует опыт строительства, наиболее экономичными как с точки зрения снижения веса конструкций, так и долговечности оказались стеклянные фасады.

Рис. 6 иллюстрирует тепличный эффект и радиационные свойства обычного строительного стекла. На рисунке кривая Б характеризует распределение энергии в спектре Солнца, кривая В — спектральное распределение энергии излучаемой поверхностями с температурой излучения в несколько десятков градусов, кривая А — пропускание лучистой энергии обычным оконным стеклом. Таким образом, в этом случае существуют две совершенно обособленные области излучения, одна от 0,3 до 3 мк, а другая от 7,5 до 14 мк. Первая область излучения полностью заключена в площади, ограниченной кривой пропускания стекла, то есть солнечная радиация проходит через стекло. Для волн, длина которых превышает 5 мк, стекло уже непрозрачно, то есть является экраном.

• Share

Поток лучистой энергии, проникшей в помещение через остекление, складывается из радиации суммарной и отраженной от окружающих здания поверхностей. Солнечная радиация сильно ослаблена земной атмосферой и остеклением, однако ее избыток вызывает дискомфорт помещений и, в частности, перегрев, а последний отрицательно сказывается на состоянии человека и его жизнедеятельности.
При нормальных комфортных условиях — при температуре внутреннего воздуха помещений +18 °С и его относительной влажности 45-50%, производительность труда можно принять за 100%. При повышении температуры воздуха и, следовательно, понижении его относительной влажности производительность труда снижается: при +25 °С на 5-12,3%, при +30 °С на 13,5-15,3% и при +35 °С на 16-23%.