Почему зимой на Земле меньше ультрафиолета

Для определения УФ-индекса и приблизительного обсуждения влияющих факторов см., например, https://en.wikipedia.org/wiki/Ultraviolet_index .

Вы можете сравнить показанную там модель с фактически измеренными данными для США: http://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/stratosphere/uv_index/uv_annual.shtml .

Оба источника подтвердят ваше утверждение о том, что воздействие ультрафиолета летом значительно выше (почти на порядок), чем зимой.

Этот график

показывает разницу в освещенности между верхним и нижним слоями атмосферы. Для УФ-В диапазона 280-315 нм более 50% излучения поглощается при прохождении через атмосферу под прямым углом, т.е. поглощение будет значительно больше, чем при нахождении солнца низко над горизонтом. Я согласен с тем, что геометрический угол существенно влияет на доступную освещенность. Прибавьте к этому время, которое мы проводим на улице (или не проводим на улице), и тот факт, что мы почти полностью укрыты в европейских широтах, и фактическое воздействие УФ-излучения может составлять лишь малую часть от этого летом. При этом нефильтрованная летняя выдержка более получаса считается опасной.

Покраснение солнца связано с рэлеевским рассеянием , когда солнце проходит через большую часть атмосферы. (см. рисунок). В некотором смысле это связано с меньшим количеством энергии, но не с основной причиной.

Причина, по которой мы получаем меньше солнечной энергии на квадратный метр, заключается в том, что угол наклона солнца в небе влияет на распространение света. (см. обновленное изображение). Игнорируя атмосферные эффекты, это грех угла, умноженного на пиковую энергию. 90 градусов или прямо над головой, вычисляя, что пиковая солнечная энергия составляет 1369 Вт на квадратный метр (это также зависит от расстояния), но энергия от солнца в основном определяется синусом угла.

45 градусов: 1369 * sin(45) Вт/м^2 или 71% от высоты над головой или зенита. 20 градусов над горизонтом, 1369 * sin (20), всего 34% пиковой солнечной энергии. Зима соответствует тому, что солнце находится ниже в небе, солнечный свет более рассеян. Когда солнце находится низко в небе, в ту же область попадает значительно меньше энергии.

Прохождение через большее количество атмосферы несколько усиливает это, но основной причиной является угол наклона солнца.

Но мне только что пришла в голову мысль, думая о том, что по утрам и вечерам мы здесь в основном видим красный свет, верхний край видимого спектра не проходит.

Это проходит, по крайней мере, в какой-то степени. Вы видите очень голубое небо, когда Солнце наиболее красное. Это голубое небо может дать вам солнечный ожог, если вы катаетесь на лыжах в горах зимой.

Тем не менее, даже с учетом эффекта голубого неба (который, очевидно, имеет значительную ультрафиолетовую составляющую), количество ультрафиолетового света, проникающего через атмосферу, действительно сильно уменьшается зимой по сравнению с летом. Причина в количестве атмосферы, через которую должно пройти поступающее солнечное излучение.

Для видимого света это количественно определяется «воздушной массой» . Количество видимого света, достигающего поверхности Земли зимой, значительно уменьшается по сравнению с летом из-за количества атмосферы, через которую должен проходить солнечный свет.

Тем не менее, атмосфера Земли и, в частности, стратосфера, поглощают ультрафиолетовый свет даже лучше, чем видимый свет. Ультрафиолетовый эквивалент «воздушной массы» еще сильнее зависит от зенитного угла Солнца, чем видимый свет.