Текст книги "Солнце"

Автор книги: Эрих Юбелакер

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 4 страниц)

Движется ли само Солнце?

Солнце является одной из 200 миллиардов звезд системы Млечный Путь, которую мы называем еще нашей Галактикой. Вместе со своими планетами Солнце движется со скоростью примерно 19,4 км/сек в направлении яркой звезды Вега. Земля обращается вокруг Солнца, перемещающегося в пространстве. Ее путь, или орбита, представляет собой спираль. Наше светило движется среди ближайших звезд относительно медленно. Кроме того, оно принимает участие и во вращении Галактики. Солнце обращается со скоростью 250 км/сек вокруг центра Галактики и совершает один полный оборот за 200 миллионов лет. Это время называют галактическим годом.

Наше Солнце является одной из 200 миллиардов звезд Галактики. Оно расположено на расстоянии 30 000 световых лет от центра Галактики и совершает один оборот вокруг него за 200 миллионов лет. Кружком отмечено положение Солнца в Галактике.

Солнце со скоростью 19 км/сек движется в сторону звезды Вега. Орбита Земли при этом похожа на спираль.

ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ НА МИЛЛИАРДЫ ЛЕТ

Какого размера Солнце?

Как и остальные звезды, Солнце является самосветящимся горячим газовым шаром. Оно не имеет четко ограниченной поверхности, как Земля. Диаметр солнечного диска, видимого невооруженным глазом, составляет 1 395 000 км.

Этот отрезок равен по длине «ожерелью», в котором вместо бусин нанизаны 109 земных шаров. А всего в горячем теле Солнца могло бы поместиться не менее 1 300 000 таких «шариков».

Масса Солнца в 333 000 раз больше, чем у нашей планеты, и составляет 99,87 % общей массы Солнечной системы. На долю всех планет, начиная с гигантского Юпитера и кончая небольшими кометами и лунами, остаются в сумме жалкие 0,13 %. Несмотря на такую огромную массу, Солнце является средней звездой. Существуют звезды, имеющие 100 солнечных масс, а есть и такие, чей размер сопоставим с орбитой Земли.

Диаметр Солнца равен длине «нити» с нанизанными на нее 109 земными шарами. Вся орбита Луны поместилась бы внутри Солнца.

Сравнение размеров Солнца и планет.

Существует много звезд, которые по размеру гораздо больше Солнца.

Как устроено Солнце?

Как мы уже упоминали, наше Солнце является массивным самосветящимся газовым шаром. Человеку трудно даже представить, что такое Солнце на самом деле. В центре его температура 15 миллионов градусов, давление в 200 миллиардов раз выше, чем давление воздуха в земной атмосфере, плотность вещества в 7 раз больше, чем у самого плотного земного металла. Человек давно мечтал повторить в земных условиях процесс, который уже миллиарды лет непрестанно происходит в ядре Солнца, когда при слиянии атомных ядер выделяется энергия. После того как энергия переносится из внутренних слоев Солнца путем излучения ближе к поверхности, начинается конвекция, то есть перемешивание горячих и холодных слоев вещества. В результате гигантские потоки горячего вещества всплывают наверх. Этот процесс можно сравнить с тем, как вскипает в кастрюле суп.

Перенос энергии из центра солнечного шара наружу занимает около 10 миллионов лет.

Излучающая поверхность Солнца называется фотосферой. Фотосфера имеет зернистую структуру, называемую грануляцией. Каждое такое «зерно» размером почти с Германию и представляет собой поднявшийся на поверхность поток горячего вещества. На фотосфере часто можно увидеть относительно небольшие темные области – солнечные пятна (см. стр. 30). Они на 1500° холоднее окружающей их фотосферы, температура которой достигает 5800°. Из-за разницы температур с фотосферой эти пятна и кажутся при наблюдении в телескоп совершенно черными. Но если представить одно такое пятно на небе без окружающей его фотосферы, то оно было бы ярче Луны. Над фотосферой расположен следующий, более разреженный слои, называемый хромосферой, то есть «окрашенной сферой». Такое название хромосфера получила благодаря своему красному цвету. И наконец, над ней находится очень горячая, но и чрезвычайно разреженная часть солнечной атмосферы – корона– с температурой в несколько миллионов градусов. Сияние короны не столь ярко, как у более плотной фотосферы, и поэтому она не видна невооруженным глазом.

Внешние слои Солнца состоят на 73,5 % из водорода и на 24,8 % из гелия. Остальные элементы, такие как железо, кислород, золото, составляют всего 1,7 %. Но о каждой из областей Солнца и о его слоях стоит рассказать подробно.

Внутреннее строение Солнца.

Почему Солнце светит?

Уже на протяжении миллионов лет Солнце светит почти неизменно. Так же, как теперь для нас, людей, оно светило когда-то для микроорганизмов и вымерших ящеров. Если бы Солнце разогревалось углем или нефтью, то оно давно бы погасло, так как закончилось бы его топливо. Лет сто назад ученые считали, что Солнце постепенно сжимается и за счет этого выделяет энергию. Но их предположение не оправдалось. Если бы излучение Солнца происходило таким образом, то оно не смогло бы обеспечить жизнь на Земле светом и теплом на протяжении 3 миллиардов лет. Сегодня мы знаем, что излучение Солнца, как и других звезд, продолжается столь длительное время только благодаря атомной энергии. Как же она возникает на Солнце? Упрощенно ее получение можно описать так: из четырех атомов водорода образуется один атом гелия. Этот атом немного легче, чем сумма его составных частей. А что же оставшаяся часть массы, «потерялась»? Нет, она почти целиком превращается в энергию.

Каждую секунду на Солнце расходуется 564 млн. т водорода, которые превращаются в 560 млн. т гелия. Остальные 4 млн. т, то есть 0,7 % горючего вещества, преобразуются в солнечную энергию. Во внутренних областях Солнца сегодня уже гораздо больше гелия, чем во внешних. Наша дневная звезда находится примерно в середине своего жизненного пути.

Запасов горючего ей хватит, по крайней мере, еще на 5 миллиардов лет. В ядре Солнца энергия выделяется в форме очень мощных частиц излучения – квантов. Они пробиваются к поверхности звезды миллионы лет и, достигнув ее, излучаются в космос. Это излучение и есть солнечный свет. Полная мощность солнечного излучения составляет 388 000 000 000 000 000 000 000 кВт или, как говорят физики, 3,88x10 ²³кВт.

Вероятно, огромные отвлеченные числа мало о чем вам скажут. Но можно иначе представить, сколь велика энергия, излучаемая нашим светилом.

Каждый квадратный метр солнечной поверхности выделяет 63 000 кВт, а это равно мощности 63 000 электроутюгов или миллиона ламп накаливания. На квадратный метр нашей планеты перпендикулярно ее поверхности попадает лишь немногим более 1 кВт солнечного излучения. Но и этого достаточно, чтобы Земля была обитаемой.

Из четырех водородных ядер в недрах Солнца образуется одно ядро гелия. Масса этого ядра меньше, чем сумма масс его составляющих. Недостающая масса преобразуется в энергию.

Увеличивается или уменьшается Солнце со временем?

За последние миллионы лет диаметр Солнца и мощность его излучения меняются весьма незначительно. Более чем 100 миллионов лет Солнце светит почти одинаково, и за столь долгое время его размер существенно не изменился. Но так не будет продолжаться вечно. В конце своей жизни Солнце сильно увеличится в объеме и превратится в гигантскую красную звезду. К счастью, это произойдет через много миллиардов лет.

Можно ли заглянуть внутрь Солнца?

Солнце совершенно непрозрачно. Мы можем видеть только его поверхность – фотосферу. Но существуют крохотные частицы, – их называют нейтрино, – которые возникают при выделении атомной энергии в ядре Солнца и легко его покидают. За несколько минут они беспрепятственно пролетают сквозь Солнце и достигают Земли. Здесь их регистрируют при помощи специальных приборов. Солнце непрозрачно только для света, а нейтрино могут пройти сквозь него. Если бы наш глаз воспринимал не свет, а нейтрино, мы могли бы заглянуть внутрь Солнца. Судя по вычислениям ученых, Земли достигает гораздо меньшее число нейтрино, чем ожидалось. Некоторые исследователи даже предполагают, что сейчас Солнце работает не в полную силу. Но почему это происходит в действительности – остается одной из загадок Солнца.

НАБЛЮДЕНИЯ ЗА СОЛНЦЕМ – ВЧЕРА И СЕГОДНЯ

Что можно увидеть на Солнце с помощью телескопа?

Прежде всего запомните главное правило: нельзя смотреть на Солнце невооруженным глазом и, тем более, в бинокль или в телескоп без специальных светофильтров. Такое наблюдение может окончиться для вас печально: последствием его могут стать серьезные повреждения глаз, ожоги и даже слепота. Нужно обязательно использовать хороший, очень темный солнечный фильтр. При наблюдении в бинокль или телескоп его помещают перед объективом. А еще лучше – спроецировать солнечное изображение через телескоп на белый экран, например на лист плотной бумаги. При установке телескопа будьте внимательны: ни в коем случае не заглядывайте в него по рассеянности. Лучше всего направлять прибор, встав к Солнцу спиной и глядя на тень телескопа. После нескольких упражнений вы легко научитесь делать это правильно. Даже с маленьким любительским телескопом можно изучать солнечные пятна, а в хорошую погоду вам удастся увидеть «зерна» на поверхности Солнца или яркие области, которые называют факелами. Опытные любители астрономии могут, конечно, использовать приставные фильтры и специальные телескопы. Но наблюдения Солнца доставят вам удовольствие и в том случае, если вы воспользуетесь описанными здесь простейшими приборами.

Астроном Кристоф Шейнер в XVII веке мог так же, как и мы, наблюдать Солнце без всякой опасности для своих глаз. Он проецировал через телескоп изображение Солнца на белую поверхность и мог наблюдать темные пятна.

Что такое солнечный спектр?

Если пропустить белый солнечный свет через узкую щель, а затем через стеклянную призму, то он разделится на цвета радуги: красный, желтый, зеленый, синий и фиолетовый. Такой свет, разложенный на отдельные цвета, называется спектром. Конечно, в наше время для разложения света на цвета спектра ученые используют не простые призмы, а довольно сложные приборы – спектрографы. Можно заметить, что в некоторых местах солнечного спектра на цветах радуги видны темные линии.

Атомы каждого вещества показывают на спектре строго определенные линии.

Поэтому, изучив спектр, мы можем выяснить, какие вещества встречаются во внешних областях Солнца. В загадочных линиях спектра зашифрована важная информация о температуре, давлении и магнитном поле далекой звезды. Ученым расшифровать ее было нетрудно, и так они смогли узнать, насколько горяча поверхность Солнца и из чего она состоит.

Белый свет Солнца, пройдя через призму, разлагается на цвета радуги и дает спектр.

Почему Солнце по утрам и вечерам краснеет?

В действительности цвет Солнца всегда остается белым. Но как мы помним, белый цвет состоит из всех цветов радуги.

На восходе или закате солнечные лучи проходят через особенно плотные, приземные слои воздуха. Молекулы воздуха и частицы пыли хорошо пропускают только красные лучи света, а голубые – поглощают и рассеивают. Толстый слой воздуха, особенно запыленного, работает как красный фильтр. Поэтому из всех цветов солнечного света наш глаз воспринимает в основном красный, а остальные цвета в той или иной степени отфильтровываются. Вот Солнце и кажется нам красным. Часто из-за этих слоев воздуха мы видим его искаженно. А иногда Солнце выглядит таким бледным, что на него можно смотреть невооруженным глазом. При этом, правда в очень редких случаях, можно разглядеть большие солнечные пятна даже без специальных приборов.

В спектре Солнца видны темные линии, по которым мы узнаем о составе, плотности и температуре солнечного газа.

При восходе и заходе Солнце кажется нам красным или оранжевым.

Существуют ли невидимые солнечные лучи?

Видимый свет – это лишь один тип так называемого электромагнитного излучения, к которому относятся также радиоволны, инфракрасное, ультра-фиолетовое и рентгеновское излучения.

Солнце испускает все эти виды излучения, но лишь их малая часть доходит до поверхности Земли. На большой высоте они поглощаются нашей атмосферой. Кроме электромагнитных волн, от Солнца исходят потоки частичек, например, нейтрино, о котором мы уже упоминали. Другой поток частиц носит красивое название «солнечный ветер».

Как ученые наблюдают Солнце?

Воздушная оболочка Земли очень мешает наблюдениям ученых. Большинство невидимых излучений вообще невозможно наблюдать с поверхности нашей планеты, так как, не достигая ее, они поглощаются воздухом. Но неспокойная атмосфера препятствует и изучению видимых лучей. Лучше всего наблюдать Солнце с высокой горы. Поэтому и многие обсерватории, где ведут изучение Солнца, расположены на большой высоте. Наиболее известные среди них – Кит Пик и Маунт Вилсон в США, а также Пик дю Миди в Пиренеях. Если нужно получить очень четкое изображение Солнца или исследовать его рентгеновское излучение, то наблюдение и съемки производят с аэростатов, ракет, космических станций и спутников.

Большинство солнечных обсерваторий расположены высоко в горах или на островах в море. Это способствует уменьшению атмосферных помех.

Обсерватория Кит Пик в США, исследующая Солнце, – одна из крупнейших в мире.

Запущенная в 1973 году космическая станция «Скайлэб» служила несколько лет центром подобных исследований.

Она была оснащена многими приборами для изучения внешних слоев Солнца, его ультрафиолетового и рентгеновского излучений, а также солнечного ветра.

Пока «Скайлэб» находился на околоземной орбите, германо-американские зонды «Гелиос» довольно близко подходили к раскаленной поверхности дневной звезды. «Гелиос-1» и «Гелиос-II» были не спутниками Земли, а маленькими планетами, которые приближались к Солнцу на 46–43 млн. км. Это меньше трети расстояния между Землей и Солнцем. Несмотря на чудовищное излучение Солнца на таком небольшом расстоянии, на зондах поддерживалась температура 20 °C и все измерительные приборы прекрасно работали. Полученные данные были во многом новыми и неожиданными. Особенно интересным оказалось то, что пространственная плотность мелких метеоритов вблизи Солнца в пятнадцать раз выше, чем около Земли.

Зонд «Солнечный максимум», напротив, был спутником Земли и исследовал внешние слои Солнца и его невидимое излучение. С помощью специальных приборов было установлено, что полное излучение Солнца за полтора года наблюдений изменялось только на 0,01 %.

Европейская космическая лаборатория «Спейслэб» также оснащена новейшей техникой для изучения нашей дневной звезды.

Космическая станция «Скайлэб» была в 70-х годах центром солнечных исследований. Вдали от земной атмосферы можно было изучать излучение Солнца во всех диапазонах.

Что такое гранулы?

В большой телескоп видимая поверхность Солнца – фотосфера – выглядит как кипящая вода. Она кажется состоящей из отдельных «зерен».

Такую структуру поверхности называют грануляцией, а сами «зерна» – гранулами. Диаметр каждой из них около 1000 км. Появление гранул вызвано конвекцией. В результате процесса конвекции массы горячего вещества из солнечных недр вырываются наружу. В центре гранулы бьет фонтан раскаленного газа. Он поднимается из внутренних областей Солнца со скоростью 500 м/сек. Достигая наивысшей точки, газ растекается, постепенно охлаждается, темнеет и вновь опускается в глубину. Поэтому края гранул темнее, чем их центральные части. Гранулы недолговечны.

Они непрерывно видоизменяются, возникают и исчезают. Средняя продолжительность жизни гранул составляет 10 минут.

Поверхность Солнца имеет зернистую структуру, которую называют грануляцией.

Что такое солнечные пятна?

Долгое время считалось, что Солнце является безупречно «чистым» небесным телом. Каково же было изумление древних астрономов, когда они увидели на Солнце темные пятна. Существуют свидетельства, что отдельные наблюдатели замечали их еще 2000 лет назад. Уже в 165 году до нашей эры китайские астрономы взволнованно докладывали государю о черных «оспинках» на лике Солнца. Но так как пятна быстро исчезали, люди успокаивались.

Они находили простейшие объяснения увиденному: птицы пролетели на большой высоте или планета прошла перед диском Солнца. Даже великий астроном Кеплер, открывший законы движения планет, увидев темное пятно на Солнце, принял его за планету Меркурий. В начале XVII века был изобретен телескоп.

И тогда другой великий астроном, Галилео Галилей, в 1610 году смог уверенно доказать, что на Солнце действительно существуют пятна. С помощью этих темных точек Галилею первому удалось установить, что Солнце совершает один оборот вокруг своей оси примерно за месяц. В 1630 году иезуитский священник Кристоф Шейнер опубликовал книгу, где, основываясь на многочисленных наблюдениях пятен, он точно указал скорость вращения Солнца вокруг своей оси.

Ранее ошибочно считалось, что солнечные пятна – холодные места или даже пустоты, через которые, как в разрыв между облаками, можно заглянуть внутрь Солнца. Пятна действительно на 1300–1700° холоднее, чем соседние с ними области, температура которых составляет около 5800 °C. Поэтому их излучение меньше и они кажутся темными. Считается, что солнечные пятна обладают мощным магнитным полем. Оно частично препятствует поступлению горячего потока из внутренних слоев, и оттого эти места охлаждаются. Самые большие солнечные пятна имеют темное ядро – тень, которая на 600° холоднее, чем окружающая ее полутень с температурой примерно 5200°. Диаметр тени некоторых пятен превышает диаметр Земли и достигает 20 000 км, а размер полутени – 50 000 км.

Большая группа солнечных пятен. Некоторые пятна больше нашей Земли.

Обычно возникает сразу несколько пятен, обладающих, как уже отмечалось, чрезвычайно сильным магнитным полем. Внутри группы крупные пятна располагаются попарно. Самая большая группа солнечных пятен, которая когда-либо наблюдалась, была длиной более 300 000 км. Это почти соответствует расстоянию от Земли до Луны. Группа занимала площадь в 18 млрд. км ², что равно 37 поверхностям Земли. Время жизни солнечных пятен гораздо больше, чем у гранул, но в сравнении с ландшафтами отвердевших небесных тел оно все равно очень короткое. Маленькие солнечные пятна существуют несколько часов или дней, время жизни больших групп пятен исчисляется несколькими месяцами.

Всегда ли видны солнечные пятна?

Количество пятен на Солнце увеличивается приблизительно через каждые одиннадцать лет. Периоды, когда на Солнце больше всего пятен, называют максимумом солнечной активности. В период минимума (наименьшей) активности солнечные пятна почти не появляются.

Между двумя последовательными максимумами проходит от 7 до 17 лет. Но в среднем принято считать, что периоды наибольшей активности Солнца повторяются через 11 лет. Иногда во время максимума возникает очень много солнечных пятен, а порой их количество невелико. В течение периода активности пятна образуются на разных солнечных широтах. Первые пятна одиннадцатилетнего цикла возникают на юге и на севере примерно на широте 400. В максимуме пятна группируются у 15-го градуса северной и южной широты, а в конце цикла – еще ближе к экватору.

В 1957 году наблюдался самый мощный период активности Солнца, когда порою более 300 пятен «обезображивали» его поверхность. Во время наибольшей активности само Солнце очень неспокойно и производит мощные вспышки излучения. Если вы спросите: почему в эти годы учащаются полярные сияния? почему увеличиваются помехи в радиосвязи? ответ один: сильное солнечное излучение достигло Земли.

Как возникают солнечные пятна?

Обычно солнечные пятна встречаются парами. Оба члена такой пары являются как бы полюсами подковообразного магнита, конечными точками магнитных силовых линий. Из одного пятна линии выходят к поверхности, а в другом входят внутрь Солнца. Магнитное поле появляется задолго до возникновения пятен. Но заявляет о своем существовании лишь тогда, когда начинает препятствовать поступлению тепла из внутренних слоев поверхности Солнца. Области выхода и входа силовых линий при этом охлаждаются. Их мы и различаем на поверхности как темные пятна.

1. Первые пятна очередного цикла возникают у сороковых градусов южной и северной широты.

2. В максимуме пятна расположены уже у 15-го градуса к северу и к югу от экватора.

3. Последние пятна заканчивающегося цикла находятся уже всего на 7 градусов к югу или к северу экватора. А в это же время у 40-го градуса появляются пятна следующего цикла.

1. Между северным и южным полюсами подковообразного магнита существует магнитное поле, которое способно выстраивать цепочки из железных опилок вдоль магнитных силовых линий.

2. На Солнце происходит то же самое явление. На поверхности возникают области с сильным магнитным полем.

3. В местах выхода и входа магнитного поля возникают северный и южный полюса, которые препятствуют выходу потока тепла изнутри. Это приводит к появлению темных пятен.