Свет как экологический фактор

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Приамурский  государственный университет имени  Шолом-Алейхема»

 

ФАКУЛЬТЕТ Географии  и природопользования

КАФЕДРА Экологии и биологии

Направление подготовки 022000.62  Экология и природопользование

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине экология

на тему «Свет как экологический фактор»

 

 

 

 

 

 

 

 

студентка 2курса

Е.А.Медведева

руководитель

к.х.н., доцент

В.Ю. Поляков 

 

 

 

 

 

 

г.Биробиджан 
2013 год

 

содержание 
Введение

 

Особое место среди  экологических факторов занимает свет. Жизнь на Земле возникла и существует благодаря лучистой энергии солнечного света.   Но не только энергию несет на Землю свет. Благодаря световому потоку мы воспринимаем и познаем окружающий мир. Лучи света сообщают нам о положении близких и отдаленных предметов, об их форме и цвете. Свет, усиленный оптическими приборами, открывает человеку два полярных по масштабам мира: космический мир с его огромными протяженностями и микроскопический, населенный не различимыми простым глазом мельчайшими организмами.

Свет для организмов служит с одной стороны первичным  источником энергии, без которого невозможна жизнь, а с другой стороны - прямое воздействие света на протоплазму  смертельно для организма. Таким образом, многие морфологические и поведенческие характеристики связаны с решением этой проблемы.

 Эволюция биосферы  в целом была направлена главным  образом на "укрощение" поступающего  солнечного излучения, использование  его полезных составляющих и ослабление вредных или на защиту от них. Следовательно, свет - это не только жизненно важный фактор, но и лимитирующий, как на минимальном, так и максимальном уровнях. С этой точки ни один из факторов так не интересен для экологов, как свет!

Цель работы- рассмотреть полную характеристику света как экологического фактора, привести сведения о роли света в природе и жизни человека.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

 

1. Подготовить информационный обзор по следующим тематическим разделам:
• Физико-химические свойства света
• Биологические значение света
• Свет в жизни человека

 

2. Провести мониторинг освещённости учебных аудиторий корпуса №3 ПГУ им Ш-А и сравнить полученные данные с освещённостью на открытых территориях вне здания.
3. Проанализировать полученные данные, подготовить аналитическую оценку влияния освещённости как экологического фактора в экосистемах.

Объект исследования:

Экологические факторы  территорий

Предмет исследования:

Свет как экологический  фактор

Методы исследования:

• Информационно-аналитический
• Инструментальный метод измерения освещённости.

 

 

 

 

Глава 1.Свет как экологический фактор

Свет — электромагнитное излучение, испускаемое нагретым или  находящимся в возбуждённом состоянии  веществом. Нередко, под светом понимают не только видимый свет, но и примыкающие к нему широкие области спектра. Исторически появился термин «невидимый свет» — ультрафиолетовый свет, инфракрасный свет, радиоволны. Длины волн видимого света лежат в диапазоне от 380 до 780 нанометров, что соответствует частотам от 790 до 385 терагерц, соответственно.

Раздел физики, в котором  изучается свет, носит название оптика.

Свет может рассматриваться  либо как электромагнитная волна, скорость распространения в вакууме которой  постоянна, либо как поток фотонов  — частиц, обладающих определённой энергией, импульсом, собственным моментом импульса и нулевой массой.

1.1.Характеристики  света

Свет может распространяться даже в отсутствие вещества, то есть в вакууме. При этом наличие вещества влияет на скорость распространения  света.

Скорость света в  вакууме с = 299 792 458 м/с (точно, так  как с 1983 года единица длины в  СИ — метр — определяется как  расстояние, проходимое светом за определённый промежуток времени).

Свет на границе между  средами испытывает преломление  и отражение. Распространяясь в среде, свет поглощается веществом и рассеивается. Оптические свойства среды характеризуются показателем преломления, действительная часть которого равна отношению фазовой скорости света в вакууме к фазовой скорости света в данной среде, мнимая часть описывает поглощение света. В изотропных средах, где распространение света не зависит от направления, показатель преломления является скалярной функцией (в общем случае — от времени и координаты); в анизотропных средах он представляется в виде тензора. Зависимость показателя преломления от длины волны света (дисперсия) приводит к тому, что свет разных длин волн распространяется в среде с разной скоростью; благодаря этому возможно разложение немонохроматического света (например, белого) в спектр.

Как любая электромагнитная волна, свет может быть поляризованным. У линейно поляризованного света определена плоскость (т. н. плоскость поляризации), в которой происходят колебания электрического вектора волны. У циркулярно поляризованного света электрический вектор, в зависимости от направления поляризации, вращается по или против часовой стрелки. Неполяризованный свет является смесью световых волн со случайными направлениями поляризации. Поляризованный свет может быть выделен из неполяризованного пропусканием через поляризатор или отражением/прохождением на границе раздела сред при падении на границу под определённым углом, зависящим от показателей преломления сред (см. угол Брюстера). Некоторые среды могут вращать плоскость поляризации проходящего света, причём угол поворота зависит от концентрации оптически активного вещества; это явление используется, в частности, в поляриметрическом анализе веществ (например, для измерения концентрации сахара в растворе).

Количественно интенсивность  света характеризуют с помощью фотометрических величин нескольких видов. К основным из них относятся энергетические и световые величины. Первые из них характеризуют свет безотносительно к свойствам человеческого зрения. Они выражаются в единицах энергии или мощности, а также производных от них. К энергетическим величинам в частности относятся энергия излучения, поток излучения, сила излучения, энергетическая яркость, энергетическая светимость и облучённость.

Каждой энергетической величине соответствует аналог —  световая фотометрическая величина. Световые величины отличаются от энергетических тем, что оценивают свет по его способности вызывать у человека зрительные ощущения. Световыми аналогами перечисленных выше энергетических величин являются световая энергия, световой поток, сила света, яркость, светимость и освещённость.

Учёт световыми величинами зависимости зрительных ощущений от длины волны света приводит к  тому, что при одних и тех  же значениях, например, энергии, перенесённой зелёным и фиолетовым светом, световая энергия, перенесённая в первом случае, будет существенно выше, чем во втором. Такой результат находится в полном согласии с тем, что чувствительность человеческого глаза к зелёному свету выше, чем к фиолетовому.

Рис.2. Видимый свет —  часть всего света

Видимый свет — электромагнитное излучение с длинами волн ≈ 380—760 нм (от фиолетового до красного).

Скорость света

Скорость света в  вакууме определяется в точности 299 792 458 м/с (около 300 000 км в секунду). Фиксированное значение скорости света  в СИ связано с тем, что метр в настоящее время определяется в терминах скорости света. Все виды электромагнитного излучения, как полагают двигаются с точно такой же скоростью в вакууме.

Различные физики пытались измерить скорость света на протяжении всей истории. Галилей пытался измерить скорость света в семнадцатом веке. Ранний эксперимент по измерению скорости света был проведен Оле Рёмером, датским физиком, в 1676 году. С помощью телескопа Рёмер наблюдал движение Юпитера и одной из его лун Ио. Отмечая различия в очевидной период орбиты Ио, он подсчитал, что свету требуется около 22 минут, чтобы пересечь диаметр орбиты Земли. Тем не менее, её размер не был известен в то время. Если бы Рёмер знал диаметр орбиты Земли, он бы получил значение скорости, равное 227 000 000 м/с.

Другой, более точный способ измерения скорости света выполнил в Европе Ипполит Физо в 1849 году. Физо направил луч света в зеркало на расстоянии нескольких километров. Вращающееся зубчатое колесо было помещено на пути светового луча, который путешествовал от источника к зеркалу и затем возвращался к своему источнику. Физо обнаружил, что при определенной скорости вращения луч будет проходить через один пробел в колесе на пути и следующий разрыв на обратном пути. Зная расстояние до зеркала, число зубьев на колесе, и скорость вращения, Физо удалось вычислить скорость света 313 000 000 м/с.

Леон Фуко использовал  эксперимент, который использовал  вращающееся зеркало, чтобы получить значение 298 000 000 м/с в 1862 году. Альберт  А. Майкельсон проводил эксперименты на определение скорости света с 1877 года до своей смерти в 1931 году. Он улучшил метод Фуко в 1926 году с использованием усовершенствованных вращающихся зеркал для измерения времени которое потребовалось свету, чтобы попутешествовать с горы Уилсон до горы Сан-Антонио в Калифорнии. Точные измерения дали скоростью 299 796 000 м/с.

Эффективная скорость света  в различных прозрачных веществах, содержащих обычную материю, меньше, чем в вакууме. Например, скорость света в воде составляет около 3/4 того, что в вакууме. Тем не менее, замедление процессов в веществе, как полагают, происходит не от фактического замедления частицы света, а от их поглощения и переизлучения заряженными частиц в веществе.

Как крайний пример замедления света, можно сказать, что двум независимым группам физиков удалось «полностью остановить» свет, пропуская её через конденсат Бозе-Эйнштейна на основе рубидия, Тем не менее слово «остановить» в этих экспериментах относится только к свету, хранящемуся в возбужденных состояниях атомов, а затем повторно излучается в произвольное более позднее время, как вынужденное вторым лазерным импульсом излучение. Во времена, когда свет «остановился», он перестал быть светом.

Преломление

Преломлением света  называется изменение направления  распространения света (световых лучей) при прохождении через границу раздела двух различных прозрачных сред. Когда луч света пересекает границу между вакуумом и другой средой, или между двумя различными средами, длина волны света изменяется, но частота остается неизменной. Если луч света не является ортогональным (или, скорее, нормальным) к границе, изменение длины волны приводит к изменению направления луча. Такое изменение направления и является преломлением света.

Рис.1. Пример преломления  света. Соломка кажется изогнутой, из-за преломления света, поскольку это входит в жидкость из воздуха.

Преломление света линзами  часто используется для такого управления светом, при котором изменяется видимый  размер изображения, как например в  лупах, очках, контактных линзах, микроскопах  и телескопах.

Свет в жизни  растений и животных

Характеристика света  как экологического фактора. Живая  природа не может существовать без  света, так как солнечная радиация, достигающая поверхности Земли, является практически единственным источником энергии для поддержания теплового баланса планеты, создания органических веществ фототрофными организмами биосферы, что в итоге обеспечивает формирование среды, способной удовлетворить жизненные потребности всех живых существ.

Биологическое действие солнечного света зависит от его спектрального состава, продолжительности, интенсивности, суточной и сезонной периодичности.

Солнечная радиация представляет собой электромагнитное излучение  в широком диапазоне волн, составляющих непрерывный спектр от 290 до 3 000 нм. Ультрафиолетовые лучи (УФЛ) короче 290 им, губительные для живых организмов, поглощаются слоем озона и до Земли не доходят. Земли достигают главным образом инфракрасные (около 50% суммарной радиации) и видимые (45%) лучи спектра. На долю УФЛ, имеющих длину волны 290--380 нм, приходится 5% лучистой энергии. Длинноволновые УФЛ, обладающие большой энергией фотонов, отличаются высокой химической активностью. В небольших дозах они оказывают мощное бактерицидное действие, способствуют синтезу у растений некоторых витаминов, пигментов, а у животных и человека -- витамина D; кроме того, у человека они вызывают загар, который является защитной реакцией кожи. Инфракрасные лучи длиной волны более 710 нм оказывают тепловое действие.

В экологическом отношении наибольшую значимость представляет видимая область спектра (390--710 нм), или фотосинтетически активная радиация (ФАР), которая поглощается пигментами хлоропластов и тем самым имеет решающее значение в жизни растений. Видимый свет нужен зеленым растениям для образования хлорофилла, формирования структуры хлоропластов; он регулирует работу устьичного аппарата, влияет на газообмен и транспирацию, стимулирует биосинтез белков и нуклеиновых кислот, повышает активность ряда светочувствительных ферментов. Свет влияет также на деление и растяжение клеток, ростовые процессы и на развитие растений, определяет сроки цветения и плодоношения, оказывает формообразующее воздействие.

Световой режим любого местообитания зависит от его  географической широты, высоты над  уровнем моря, состояния атмосферы, растительности, сезона и времени суток, солнечной активности и т. д. Поэтому разнообразие световых условий на нашей планете чрезвычайно велико: от таких сильно освещенных территорий, как высокогорья, пустыни, степи, до сумеречного освещения в водных глубинах и пещерах. В разных местообитаниях различаются не только интенсивность света, но и его спектральный состав, продолжительность освещения, пространственное и временное распределение света разной интенсивности и т. д. Соответственно, разнообразны и приспособления растений к жизни при том или ином световом режиме.