Zależność natężenia światła słonecznego (energia padająca na jeden metr kwadratowy w czasie jednej sekundy) przypadającego na 1nm zakresu długości fali światła od długości fali

Słońce jest kulą zjonizowanego gazu czyli plazmy i jest gwiazdą ciągu głównego. Składa się ono z około 73% wodoru, 26% helu i 1% pozostałych pierwiastków. Średnica Słońca jest ponad 109 razy większa niż średnica Ziemi, a masa 334000 razy większa niż masa Ziemi. Temperatura na powierzchni Słońca wynosi około 6000°C, natomiast w jądrze aż 14 milionów stopni Celsjusza. W jądrze zachodzą reakcje termojądrowe polegające na łączeniu się czterech protonów czyli jąder wodoru w jądro helu. W ciągu każdej sekundy 564 mln ton wodoru ulega przemianie w 560 mln ton helu. Pozostałe 4 mln ton masy zamienia się zgodnie ze wzorem Einsteina (E=mc2) w ogromną energię, wyzwalającą się w postaci kwantów promieniowania gamma i energii kinetycznej powstałych produktów syntezy. Wyzwolona energia przekazywana jest przez poszczególne warstwy Słońca na powierzchnię naszej gwiazdy, zwanej fotosferą, skąd jest emitowana w przestrzeń w postaci fali elektromagnetycznej. Moc Słońca wynosi 4x10²⁶W, czyli w każdej sekundzie powstaje 4x10²⁶ dżuli energii i jest ona emitowana z powierzchni Słońca we wszystkich kierunkach. Do Ziemi dociera prawie 2X10¹⁷ dżuli energii na sekundę i co ciekawe przekracza to 8 000 razy obecne zapotrzebowanie ludzkości na energię. Na każdy metr Ziemi w ciągu sekundy pada średnio 1366 dżuli energii (jest to tak zwana stała słoneczna wynosząca 1366W/m²).
Jeśli pocierające promieniowanie ze Słońca rozłożymy na poszczególne długości fali to utrzymujemy widmo światła. Widmo promieniowania słonecznego jest zbliżone do widma modelowego źródła promieniowania, zwanego ciałem doskonale czarnym, o temperaturze około 5500 °C. Długość fali promieniowania słonecznego prawie w całości mieści się w zakresie od 100 nm do 1 mm i obejmuje w niewielkiej ilości nadfiolet (inaczej ultrafiolet), dzielący się na trzy podzakresy (UVC o długości fali od 100 do 280 nm, UVB od 280 do 315 nm i UVA od 315 do 400 nm), a większość energii promieniowania słonecznego przypada na światło widzialneświatło widzialne (od 380 do 760 nm) i bliską podczerwień (powyżej 760 nm).

Liście mają zielony kolor gdyż ten kolor odbijają, natomiast pochłaniają kolor niebieski i czerwony

Promieniowanie słoneczne dochodzące do Ziemi jest odbijane w około 31%, w tym 22% odbija atmosfera (chmury, pyły i gazy), a 9% odbija powierzchnia Ziemi. Pozostałe 69% promieniowania jest pochłaniane czyli absorbowane w atmosferze i na powierzchni Ziemi, w tym: 16% całości przez atmosferę (większość promieniowania ultrafioletowego), 3% przez chmury, 50% przez powierzchnię Ziemi. W zakresie widzialnym i podczerwieni czysta atmosfera Ziemi jest niemal przezroczysta.
Pochłonięte promieniowanie ogrzewa atmosferę, oceany i lądy, a jego niewielka część poprzez fotosyntezę dostarcza energii dla życia. Podane liczby są uśrednione dla całej Ziemi w bilansie rocznym. Zachodzą duże zmiany w dobowych, sezonowych i regionalnych wartościach, zarówno odbicia jak i pochłaniania.
Docierającą energię fal elektromagnetycznych człowiek wykorzystuje praktycznie, zamieniając ją na inne formy energii takie jak: energia chemiczna, cieplna, elektryczna. Co ciekawe całkowite roczne zapotrzebowanie ludzi na energię jest równe energii słonecznej do docierającej do Ziemi w ciągu półtora dnia.

Widmo absorpcyjne, czyli wykres długości fal, które są pochłaniane, dwóch typów chlorofilu: typu a i b. Chlorofil nie pochłania koloru zielonego.

Naturalna zamiana energii świetnej na chemiczną zachodzi od milionów lat w roślinach. Następuje tam proces fotosyntezy dwutlenku węgla z wodą. Energia potrzebna do tego procesu jest uzyskiwana z pochłoniętego światła. Mówiąc językiem fizyki energia światła czyli fali elektromagnetycznej jest zamieniana na energie wiązań chemicznych. Nie będziemy omawiać tutaj biologicznych i chemicznych aspektów fotosyntezy, a jedynie omówimy fizyczny proces pochłaniania energii przez rośliny i niektóre mikroorganizmy (na przykład glony lub sinice). Pochłanianie światła słonecznego w roślinach odbywa się w substancjach zwanych barwnikami. Należą do nich: chlorofil (nadaje on roślinom barwę zieloną), częściowo karotenoidy (pomagają przeprowadzać fotosyntezę, a także chronią przed działaniem promieniowania UV oraz niektórymi szkodliwymi związkami chemicznymi) i fikobiliny (występują u glonów i sinic).
Aby zrozumieć proces pochłaniania światła przez substancje pokrótce opiszemy wewnętrzną budowę ciał stałych. Jak wiadomo substancje składają się z atomów i cząsteczek. W środku atomu znajduje się jądro (protony i neutrony), a wokół jądra krążą elektrony. Elektrony w atomie zachowują się tak jak fale (tak zwane fale materii) i mogą przyjmować tylko określone wartości energii, zwane poziomami energetycznymi. Wynika to z rozwiązań równań opisujących cząstki z uwzględnieniem ich własności falowych (dział fizyki, który się tym zajmuje nazywany jest mechaniką kwantową).

Schemat poziomów energetycznych chlorofilu Chlorofil pochłania światło niebieskie i czerwone

W ciałach stałych na wskutek wzajemnych oddziaływań atomów sieci krystalicznej poziomy energetyczne w pewnych zakresach leżą bardzo gęsto obok siebie. Te przedziały nazywamy pasmami energetycznymi. Elektron może przyjmować więc wartości energii należące do poszczególnych pasm energetycznych. Elektrony naturalnie mogą przyjmować tylko najniższe możliwe poziomy. Ostatnie zapełnione pasmo nazywa się pasmem podstawowym. Kolejne o wyższej energii które może przyjmować elektron nazywamy pasmami wzbudzonymi. Aby elektron "przeszedł" z poziomu podstawowego do wzbudzonego musi posiadać energię równą różnicy energii między poziomem podstawowym a wzbudzonym.
Światło według Einsteina traktujemy jako zbiór cząstek zwanych fotonami. Energia fotonu jest tym większa, im krótsza jest długość światła (foton światła fioletowego ma więc większą energię niż foton światła czerwonego). Pochłonięcie fotonu przez substancję, a w przypadku liści przez barwnik odbywa się wtedy gdy elektron może przeskoczyć po pochłonięciu fotonu z poziomu podstawowego na wyższe poziomy energetyczne, czyli poziomy wzbudzone. Jest to możliwe gdy różnica energii z poziomu energetycznego w paśmie podstawowym i poziomu energetycznego w paśmie wzbudzonym jest równa energii pochłoniętego fotonu.
W przypadku chlorofilu możliwe są dwa przejścia energetyczne (przedstawiono to na rysunku obok). Jedno odpowiada absorpcji fotonów czerwonych, a drugie niebieskich. Po przejściu elektronów na drugie pasmo wzbudzone elektrony przeskakują na pierwsze tracąc energię. Dopiero podczas przeskoku elektronu z pierwszego stanu wzbudzonego do podstawowego energia wykorzystywana jest w procesie fotosyntezy.
Karotenoidy z kolei wykazują trzy pasma absorpcji zawierające się w zakresie od 425nm do 480nm. Dokładne położenie linii zależy od rodzaju karotenoidu. Pochłonięta energia powoduje fotosyntezę, a następnie tworzą się kolejne związki chemiczne i ostatecznie energia magazynowana jest w postaci wysokoenergetycznych węglowodorów, na przykład ATP (trójfosforan adenozyny).
Proces pochłaniania energii przez liście nie wykazuje dużej wydajności. Tylko około 5% energii padającej na liść zamieniane jest na energię użyteczna i magazynowanie w roślinach. Straty wynikają z następujących czynników: chlorofil nie zajmuje całej powierzchni rośliny, tylko część energii słonecznej może być pochłaniana przez barwniki, ograniczona jest sprawność absorpcji światła oraz przemian chemicznych, a także część energii wykorzystywana jest na oddychanie.
Opracowano na podstawie artykułu "O najnowszych metodach wykorzystania energii słonecznej" zamieszczonego w numerze 5/2010 czasopisma "Fizyka w szkole".

---

Widmo absorpcyjne (czyli wykres długości fal, które są pochłaniane) dwóch typów chlorofilu (chlorofil typu a i b) oraz karotenoidów. Chlorofil nie pochłania koloru zielonego.

Światło słoneczne jest światłem białym ponieważ składa się ze wszystkich kolorów czyli wszystkich długości fali. Jeśli takie światło pada na substancję pochłaniającą (absorbującą) część długości fali, to pozostałe długości fali są odbijane i tworzą mieszaninę fal elektromagnetycznych, które oko człowieka lub zwierząt widzi jako określony kolor.
W okresie wegetacji liście roślin zawierają barwnik zwany chlorofilem, który pochłania padające światło za wyjątkiem koloru zielonego. Światło to zostaje odbijane od liści i stąd zielony kolor liści. Pochłaniana energia potrzebna jest to procesu fotosyntezy do produkcji węglowodanów. Chlorofil jednak zużywa się pod wpływem światła i musi być stale wymieniany, a to wymaga dostarczenia potrzebnych składników i energii. Dlatego roślina produkuje ten barwnik tylko wtedy, gdy jest on potrzebny czyli gdy jest odpowiednia ilość światła i wody, a proces fotosyntezy może przebiegać bez zakłóceń. Takie warunki u nas panują od końca kwietnia do początku października. Najlepszym wyjściem dla roślin jest więc coroczne zrzucanie liści jesienią i ponowne ich odtwarzanie z nastaniem nowego okresu wegetacji.
Chlorofil nie jest jedynym barwnikiem obecnym w liściach, ale tylko on bierze udział w procesie fotosyntezy. Pozostałe składniki to karetonoidy, do których należą żółte ksantofile i pomarańczowe beta-karoteny. Barwniki te najprawdopodobniej współdziałają z chlorofilem i pochłaniając niebieskie oraz fioletowe promieniowanie. Ma ono najkrótszą długość fali spośród światła widzialnego, a więc fotony tego światła posiadają największą energię, są więc niebezpieczne dla chloroplastów. W procesie fotosyntezy uczestniczą tyko mniej energetyczne fotony o większej długości fali. Gdy chlorofil przestaje być potrzebny, jak w liściach szykujących się do zimy lub w dojrzałych owocach, rozpoczyna się ich rozkład. Wtedy ujawniają się na krótko kolory karotenoidów i stąd żółte pomarańczowe lub brązowe barwy liści lub owoców.
Podczas degradacji chlorofilu w liściach niekiedy powstają dodatkowo antocyjany. Powodują one, że odbijane są fale dłuższe i liście przyjmują jaskrawe barwy, stąd czerwony i purpurowy kolor. Rośliny je produkują najprawdopodobniej aby odstraszać owady szukające schronienia dla siebie lub swoich jaj. Obserwuje się, że te drzewa, które jesienią prezentowały najbardziej jaskrawe barwy, wiosną okazywały się najzdrowsze.
Drugim powodem produkcji karotenoidów i antocyjanów jest konieczność wycofania przed zimą do łodygi i korzeni wszystkich związków potrzebnych do tworzenia chlorofilu. Podczas tego procesu antocyjany i karotenoidy pełnią funkcję ochronną. Zmniejszają one ilość światła docierającego do tkanek rośliny, przez co tworzy się mniej wolnych rodników, które mogłyby uszkadzać komórki podczas wycofywania cennych materiałów.

Zwierzęta również dostosowują swoje ubarwienie oraz często je zmieniają. Może być wiele powodów takiego postępowania. Dzięki zmianie koloru swojego ciała maskują się i upodabniają do otocznia (kamuflaż), chronią się przed promieniowaniem ultrafioletowym, często wabią samicę (samca), odstraszają przeciwników (im większe ubarwienie tym silniejszy osobnik), wysyłają sygnały ostrzegawcze, wyrażaj uczucia, na przykład strach, złość lub zmieniają kolory w okresie godowym.
Zwierzęta robią to na kilka sposobów. Na przykład poprzez obecność barwnych związków chemicznych (organicznych lub nieorganicznych) wchodzących w skład struktur organizmu zwierzęcego (np. związków żelaza, manganu, miedzi). Podobnie jak u roślin popularne jest stosowanie specjalnych związków chemicznych czyli barwników (pigmentów, takich jak lipochromy, melanina) wytwarzanych lub gromadzonych głównie w komórkach powierzchniowych części ciała lub ich wytworach natomiast rzadziej w komórkach wewnętrznych. Barwniki powodują odbicie określonych długości fal co nadaje barwę zwierząt. Ciekawym sposobem jest barwa zapożyczona, spowodowana obecnością w obrębie ciała zwierząt innych zabarwionych organizmów lub substancji, na przykład obecność zielonych glonów na powierzchni bezkręgowców lub w sierści ssaków.
Najbardziej wyrafinowanym sposobem jest stosowanie u niektórych ptaków, motyli, ryb i innych stworzeń, zorganizowanych nanostruktur czyli uporządkowanych warstw lub pręcików na powierzchni ciała, które wybiórczo odbijają światło z niektórych zakresów widma światła słonecznego przez co widoczne są różne kolory. Często towarzyszy temu efekt zmiany koloru od niebieskiego do zielonego lub od pomarańczowego do żółtego z zależności od kąta widzenia. Takie zjawisko magicznej tęczy nazywa się iryzacją. Ponieważ w tym przypadku barwy są wynikiem selektywnego czyli wybiórczego odbicia światła, a nie pochłaniania (absorpcji) części pasma przez pigmenty to barwy sprawiają wrażenie bardziej intensywnych. Zdarza się, że struktury odpowiedzialne za ubarwienie są gąbczaste i nieregularne. Tak jest w przypadku wspaniałego niebieskiego i zielonego upierzenia wielu ptaków (na przykład kolibrów lub pawi) oraz u niektórych chrząszczy. Ponieważ zbudowane z keratyny gąbczaste nanostruktury nie są uporządkowane to kolor nie zależy od kąta obserwacji.
Opracowano na podstawie artykułów: "Kolorowy zawrót głowy" (dotyczy zmiany kolorów liści u roślin), zamieszczonego w numerze 11/1012 czasopisma "Wiedza i Życie" oraz "Kolorowy zawrót głowy" (omawia zmianę ubarwienia zwierząt), zamieszczonego w numerze 7/2012 czasopisma "Świat Nauki".

---

« Poprzednia  Następna »