Текст книги "Солнечный луч"

Автор книги: Вилен Барабой

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 18 страниц)

Солнечные лучи несут с собой солнечную массу. Свет – не бестелесный посланник Солнца, а само Солнце, часть его, долетевшая до нас в совершенной, раскрытой, в энергетическом смысле, форме, в форме слота.

С. И. Вавилов [С. И. Вавилов. Глаз и Солнце. М., Изд-во АН СССР, 1956, с. 79.]

Обзор физических и химических свойств жизни должен начинаться не с Земли, а с Солнца, точнее, с самого его центра. Именно здесь находится источник энергии, которую Солнце непрерывно излучает в пространство в виде света и тепла.

М. Овенден [М. Овенден. Жизнь во Вселенной. М., «Мир», 1965, с. 17.] 

Введение

Солнечный луч – обязательная и необходимая составная часть нашего мира. Естественный и вездесущий, как сама жизнь, он встречает каждого из нас на самом пороге жизни. Геологические катаклизмы и драмы мировой истории, великие оледенения и дрейф континентов, землетрясения и извержения вулканов, всемирные потопы и образование коралловых островов, процессы химической и биологической эволюции, рост и плодоношение великого древа жизни, на котором человечество – лишь одна из бесчисленных ветвей,– все эти главы истории Земли проходят одна за другой под лучами Солнца. Но Солнце – не просто часть равнодушной природы, не пассивный фон, а активный участник событий на Земле.

В первобытной атмосфере безжизненной еще Земли излучение Солнца было одним из активных стимулов образования (из простейших молекул метана, водорода, аммиака и окиси углерода) различных органических веществ – исходного материала для возникновения первичных форм жизни. С появлением живых существ солнечный свет стал играть все более широкую и разнообразную роль в преобразовании лика Земли. Энергия солнечных лучей в процессе фотосинтеза обусловила выход свободного кислорода в атмосферу, сделала воздух пригодным для дыхания. Под лучами Солнца кислород на больших высотах в атмосфере превратился в своеобразный озоновый шатер, оберегающий нежные ростки жизни от горячего дыхания светила.

Энергия излучения Солнца была, особенно на ранних этапах развития жизни па Земле, одним из важнейших факторов изменчивости, одной из движущих сил эволюции, так как способствовала возникновению многочисленных мутаций – исходного материала для естественного отбора.

Спектральный состав и энергетика солнечного света наложили свой непосредственный отпечаток на формирование органа зрения, стали для всего животного мира основным каналом поступления информации о среде обитания.

Использование свободной энергии солнечных лучей сделало возможным возникновение все более сложных органических соединений вплоть до биополимеров – белков и нуклеиновых кислот. Если строительные материалы, необходимые для возведения столь сложных молекулярных конструкций – атомы углерода, водорода, кислорода, азота и также фосфора, серы и некоторых других элементов,– имелись в изобилии на Земле, то энергия, необходимая для осуществления синтеза, имела в основном внеземное происхождение, поступала из неисчерпаемого источника – Солнца.

Благодаря фотосинтезу, осуществляющемуся в тканях зеленого растения, в зернах хлорофилла, на земной поверхности накопилась такая огромная масса органического вещества, что стало возможным возникновение животного мира и его наиболее высокоорганизованной формы – человека, вида Homo sapiens.

«Когда-то, где-то на Землю упал луч Солнца, но он упал не на бесплодную почву, он упал на зеленую былинку пшеничного ростка, или, лучше сказать, на хлорофилловое зерно. Ударяясь о него, он потух, перестал быть светом, но не исчез. Он только затратился на внутреннюю работу, оп рассек, разорвал связь между частицами углерода и кислорода [По современным представлениям энергия света расходуется на расщепление молекул воды], соединенными в углекислоте. Освобожденный углерод, соединяясь с водой, образовал крахмал. В той или иной форме он вошел в состав хлеба, который послужил нам пищей. ...И вот теперь атомы углерода стремятся в наших организмах вновь соединиться с кислородом, который кровь разносит во все концы нашего тела. При этом луч Солнца, таившийся в них в виде химического напряжения, вновь принимает форму явной силы. Этот луч Солнца согревает нас. Он приводит нас в движение. Быть может, в эту минуту он играет в нашем мозгу» [К. А. Тимирязев. Растение как источник силы (1875 г.). Избр. соч., т. I. M., Сельхозгиз, 1948, с. 203.].

Итак, Солнце было родителем и повивальной бабкой жизни. Солнечный луч с незапамятных времен (жизнь на Земле, по подсчетам ученых, существует не менее 3– 3,5 млрд. лет) и до сего дня непрерывно заряжает энергией машину жизни-, стимулирует появление все новых жизненных форм, эволюцию живого против энтропии – в направлении создания более сложных и совершенных живых существ. Венец биологической эволюции на Земле – человек – сумел возвыситься над природой, стал элементом нового качества – человеческого общества, социальной формы существования и движения материи. По мере развития психики, трудовой деятельности, членораздельной речи, письменности, человек стал изменять условия своей жизни, развивать собственные возможности, знания и умения совершенно невиданными для биологической (и тем более геологической) истории Земли темпами. Опираясь на накопленные предыдущими поколениями производительные силы, на багаж научных знаний, производственное мастерство, человек все в более широких, теперь уже глобальных масштабах преобразует Землю, создает вторую, рукотворную природу – гигантские города, промышленные предприятия, плотины и водохранилища, каналы и нефтепроводы, линии электропередач и рудники.

Но и в своей преобразующей деятельности человечество использует почти исключительно энергию солнечного света, законсервированную в нефти, каменном угле, газе, древесине, в энергия ветра и падающей воды. Все в более широких масштабах оно начинает использовать и непосредственно энергию солнечного света для опреснения воды, получения электроэнергии и т. п. Солнечные батареи обеспечивают энергией спутники Земли, космические корабли и автоматические станции, исследующие Луну, Венеру, Марс. Энергия солнечных лучей будет служить людям и при более далеких и продолжительных космических полетах, и при создании внеземных поселений. Земная жизнь, с первых своих шагов связанная с солнечным светом неразрывными узами, сохранит и преумножит эти связи и в будущем, когда, покинув свою земную колыбель, человечество в соответствии с гениальным предвидением К. Э. Циолковского приступит к планомерному завоеванию околосолнечного пространства.

Вот почему так важно и интересно узнать побольше о луче Солнца, о его физической природе, возникновении и распространении, познакомиться поближе с возможностями, скрытыми в солнечной энергии.

Автор рассчитывает, что эта книга в какой-то мере удовлетворит естественный интерес читателей к проблеме «Солнечный луч и жизнь на Земле».

Глава I.
Солнце и жизнь на Земле

Возникновение жизни на поверхности Земли – одной из планет, вращающихся вокруг Солнца, стало возможным на определенном этапе эволюции солнечной системы. В силу сочетания таких факторов, как соотношение масс Солнца и Земли, расстояние между ними, интенсивность солнечного излучения, прозрачность и состав земной атмосферы и т. п., создались условия для возникновения простейших форм жизни. Но еще задолго до этого судьба Земли была теснейшим образом связана с Солнцем, в семье которого – Солнечной системе – Земля казалась с самого начала одним из обычных, ничем не примечательных отпрысков.

Прошлое, настоящее и будущее Солнечной системы

Солнце – это звезда. По своим размерам, массе, температуре поверхности, световому потоку Солнце принадлежит к числу наиболее распространенных, типичных для нашей Галактики звезд. Это сравнительно холодная желтая звезда (температура поверхности Солнца «всего» около 6000°) спектрального класса G2 —заурядное светило среди миллиардов звезд. На диаграмме Герцшпрунга – Рессела (рис. 1) графически изображена связь между светимостью звезды (зависящей от ее массы, размеров, температуры и характеризующейся абсолютной звездной величиной) и спектральным составом ее излучения (спектральный класс, обусловленный температурой поверхности звезды). Солнце, обозначенное крестиком, расположено в самой середине так называемой главной последовательности – сравнительно узкой полосы, протянувшейся от левого верхнего к правому нижнему углу диаграммы.

Рис. 1. Диаграмма Герцшпрунга – Рессела для ярчайших звезд неба и звезд, расположенных ближе 4 парсек к Солнцу.

Указаны последовательность сверхгигантов (Iа), гигантов (III) и главная последовательность (V), в центре которой расположено Солнце. Шкала показателя цвета В – V соответствует спектральным классам звезд главной последовательности. Звездочкой обозначены ярчайшие звезды неба, точкой – звезды, расположенные ближе 4 парсек к Солнцу.

Но в недрах этой ничем не примечательной звезды вот уже 5 млрд. лет совершается таинство освобождения и излучения в мировое пространство гигантских количеств лучистой энергии. Этот процесс и есть главнейшая предпосылка возникновения, существования и развития жизни. Эволюция Земли, возникновение и прогресс жизни на ее поверхности есть частный случай, одно из многочисленных следствий существования нашего светила, эволюции солнечной системы.

Как и другие звезды, Солнце, очевидно, возникло из газопылевого облака межзвездной материи под влиянием взаимного притяжения частиц. Силы всемирного тяготения довольно быстро (по астрономическим масштабам) превращают такое облако в относительно плотный и непрозрачный газовый шар. По мере гравитационного сжатия (а силы тяготения тем больше, чем больше масса шара) давление и температура в центральных областях будущей звезды довольно быстро растут. Газовый шар начинает светиться. Но только тогда, когда разогрев его недр запускает термоядерную топку, когда в процессе самосожжения водорода начинает освобождаться внутриядерная энергия, а светимость и температура газа резко возрастают,– газовый шар становится звездой. При этом давление и температура в ее недрах достигают величин, препятствующих дальнейшему гравитационному сжатию. Размеры звезды становятся стабильными.

Если температура поверхности Солнца не превышает 6000° С, то в его центральных областях она достигает 15—25 млн. градусов. Каждую секунду Солнце излучает 4·10 ³³эрг световой энергии, что соответствует превращению 600 млн. т водорода в гелий. И это самосожжение продолжается с постоянной интенсивностью не менее 4,5 млрд. лет! Таковы масштабы процесса, которому мы с вами обязаны жизнью. Конечно, масса Солнца огромна, выражается поистине астрономическими цифрами: 2,00·10 ³³г или 2,00·10 ²⁷т, что соответствует 333 343 массам Земли. За миллиарды лет существования Солнца лишь доли процента этой гигантской массы улетучились в виде излучения. Но, разумеется, всему есть предел. Устойчивое свечение звезды за счет термоядерных реакций не может продолжаться бесконечно долго. То Солнце, которое мы видим и можем изучать – это только один из этапов в биографии звезды, период в ее миллиардолетней истории.

Вещество наружных слоев звезды вследствие относительно низкой температуры и слабого перемешивания о веществом ядра в термоядерных реакциях не участвует. Высокое содержание водорода (и гелия) в нем сохраняется неизменным. В центральных же областях звезды водород и гелий постепенно выгорают, выделение термоядерной энергии начинает уменьшаться и, наконец, прекращается. Одновременно нарушается устойчивое равновесие между силами тяготения и силами внутреннего давления, которое миллиарды лет поддерживало стабильное существование и свечение звезды. Противодействие силам тяготения становится недостаточным – ядро звезды начинает сжиматься и по мере уплотнения разогревается.

Термоядерные реакции продолжаются в сравнительно тонком слое между горячим и плотным ядром звезды и сравнительно холодными, разреженными периферическими слоями. Дальнейшие судьбы ядра и периферии звезды различны. Размеры звезды и ее светимость постепенно возрастают: она становится красным гигантом, вступает в период нестабильности, сравнительно быстрой эволюции. Когда термоядерные реакции исчерпывают себя, то в тонком слое, окружающем плотное ядро, звезда как бы «сбрасывает» свою наружную оболочку. Периферические слои звезды удаляются с большей или меньшей скоростью от ядра и через несколько десятков тысяч лет рассеются в мировом пространстве. Так за стадией красного гиганта возникает планетарная туманность, а после рассеивания ее наружной оболочки остается очень горячая небольшая плотная звезда. Постепенно остывая, она превращается в белый карлик – заключительный этап эволюции звезд.

Такова общая схема. Скорости прохождения отдельных этапов зависят главным образом от первоначальной массы звезды. Те многочисленные звезды нашей Галактики, масса которых больше Солнца хотя бы па 15—20%, эволюционируют значительно быстрее Солнца. Многие из них уже достигли стадии белого карлика. А если масса звезды превышает определенную критическую величину (примерно в 1,5 раза больше солнечной), ее развитие оказывается еще более бурным. Выгорание водорода и гелия в центральных областях массивных звезд приводит к более интенсивному гравитационному сжатию и завершается грандиозной космической катастрофой. Сбрасывание оболочки такой звезды происходит в форме взрыва, во время которого светимость, яркость звезды внезапно возрастает в десятки и сотни тысяч раз. На месте скромной и малозаметной звездочки (в силу ее отдаленности от Земли) вдруг вспыхивает яркая звезда, свет которой может конкурировать даже с полной Луной. Такие звезды астрономы называют сверхновыми.

Древние китайские летописи рассказывают, что в 1049 г. произошла вспышка ярчайшей звезды. В современные телескопы удалось рассмотреть в том участке неба, где когда-то зажглась сверхновая, так называемую Крабовидную туманность. В центре се сияет довольно яркая звезда, а оболочка (собственно, туманность) разлетается от нее с такой скоростью, что обратный расчет подтверждает: эта туманность действительно образовалась в середине XI в.

Взрыв сверхновой – это гигантский термоядерный котел, в котором рождаются тяжелые элементы (расположенные дальше в таблице Менделеева, чем железо), не образующиеся в недрах звезд в обычных условиях. Взрыв звезды разбрасывает осколки ее вещества, часть которых затем под влиянием сил тяготения вновь стягивается в одно тело и дает начало новому светилу – звезде второго поколения, масса которой существенно меньше первоначальной. Поскольку возраст нашей Галактики – около 20 млрд. лет, некоторые ее звезды могли пройти даже два-три и более подобных периода взрывного уменьшения массы, пока она не достигла значения ниже критического. Благодаря спектральным исследованиям ученые обнаружили в составе Солнца почти все элементы таблицы Менделеева, в том числе и более тяжелые, чем железо; это позволяет думать, что наше светило – звезда второго поколения.

Расчеты ученых показывают, что по крайней мере еще 6 млрд. лет Солнце будет устойчиво и стабильно излучать энергию. Только примерно через 8 млрд. лет оно станет красным гигантом. Но еще задолго до того, как раскаленные слои красного чудовища, в которое превратится когда-то наше доброе Солнце, поглотят все околосолнечное пространство с орбитами Меркурия, Венеры и Земли, все живое на Земле будет сожжено тысячекратно возросшим смертоносным потоком излучения. К тому времени, когда Земля перестанет быть уютным жилищем для людей, человечество, несомненно, сумеет осуществить переселение на планеты более молодых звездных систем, отыщет или создаст условия для своего дальнейшего нормального существования и развития.

История Земли и других планет солнечной системы теснейшим образом связана с эволюцией центрального светила. Разнообразные научные теории, пытающиеся объяснить возникновение Земли и планет, так или иначе связывают его с Солнцем. Одна из теорий, выдвинутая в середине XVIII в. французским ученым Ж. Бюффоном, а в XX в. развитая американскими учеными Чемберленом и Мультоном и английскими физиками Дж. Джинсом и Г. Джеффрисом, прямо предполагала, что Земля и другие планеты состоят из вещества Солнца. Чтобы объяснить, как большая масса вещества оказалась вырванной из объятий солнечного тяготения, пришлось допустить столкновение Солнца с другой звездой (Джине и Джеффрис) или кометой (Бюффон), либо чудовищной силы взрыв на самом Солнце (Чемберлен и Мультон), либо прохождение вблизи Солнца другой звезды, вырвавшей значительную массу вещества из сферы притяжения Солнца.

Так или иначе, эта теория связывала возникновение планет с крайне редким и маловероятным событием и, следовательно, признавала исключительность солнечной планетной системы, земной жизни. Вещество Земли и других планет, согласно этой теории, было сначала расплавленным, а затем остыло.

По мере накопления знаний о Земле и о Вселенной ошибочность этой теории становилась все более очевидной. Косвенные данные, а также прямые наблюдения убедили ученых, что планетные системы есть, по-видимому, у большинства звезд, расположенных на расстоянии 20—30 световых лет от Солнца. Значит, солнечная система – не исключение, а скорее правило. Для возникновения планет должен существовать общий и постоянно действующий механизм, не имеющий ничего общего с гипотезой столкновения.

Изучение земной коры до глубин в 5—7 км привело ученых также к убеждению, что горные породы нашей планеты скорее всего не были с самого начала расплавленными, а подверглись частичному разогреву и расплавлению вторично в результате радиоактивного распада. Значит, Земля (и, вероятно, другие планеты солнечной системы) возникла не из раскаленного солнечного вещества, а из холодной газопылевой материи, которая послужила материалом для образования самого Солнца. Это привело к возрождению некоторых старых представлений и способствовало появлению новых теорий.

Еще во второй половине XVIII в. немецкий философ Кант и французский математик Лаплас высказали мысль, что Солнце и планеты образовались из одного и того же облака газопылевой материи. По мере сжатия туманности скорость ее вращения увеличивалась, облако сплющивалось в диск. Края диска вращались настолько быстро, что отрывались от него, образовывая ряд колец, расположенных приблизительно в плоскости экватора облака. В конце концов из центральной части диска сформировалось Солнце, а из колец – планеты. Эта теория отлично объясняла процесс образования звездных и планетных систем, не прибегая к помощи столкновений, взрывов и тому подобных маловероятных событий, исходя лишь из закона всемирного тяготения. Простое объяснение получил и факт расположения планетных орбит солнечной системы приблизительно в одной плоскости. Наконец, эта теория предполагает «холодное» образование Земли из того же материала, из которого возникло Солнце. Теория Канта – Лапласа была развита и усовершенствована в XIX—XX вв., но главное ее содержание сохранилось неизменным.

Наконец, третья группа теорий, также допускающая «холодное» рождение Земли, предполагает, что Солнце в процессе движения вокруг центра Галактики благодаря силам притяжения захватывало вещество газопылевых скоплений, из которого затем формировались планеты. Впервые эту «теорию захвата» выдвинул в 1943 г. академик О. Ю. Шмидт. Американский астрофизик Г. Юри, развивая эту теорию, предположил, что образование небесных тел, подобных Луне, и их обломков происходило задолго до формирования солнечной системы, возможно, в результате взрыва звезды первого поколения – предшественницы Солнца. Под влиянием солнечного ветра и светового давления легкие атомы выталкивались на периферию. Когда началось формирование планет, ближайшие к Солнцу Меркурий, Венера, Земля и Марс оказались построенными из более тяжелого вещества, чем внешние планеты. Лишь сравнительно легкая Луна, по представлениям Юри, является остатком ранней стадии формирования солнечной системы.

С точки зрения возникновения жизни на Земле теории захвата и одновременного формирования Солнца и планет равно вероятны и допускают одинаковую эволюцию условий на поверхности Земли, холодной планеты, подвергшейся затем вторичному разогреву и частичному расплавлению. Разница заключается лишь в том, что возраст Земли, согласно теории захвата, может быть и больше, и меньше возраста Солнца, тогда как теория Канта – Лапласа в ее современном варианте предполагает примерно одновременное формирование Солнца и планет.

Наша планета все еще недостаточно исследована, чтобы можно было на основании изучения земных пород четко определить ее возраст. Имеющиеся данные дают ориентировочную цифру, близкую к 4,5 млрд. лет. Наука сегодняшнего дня, очевидно, близка к признанию «холодного» рождения Земли в период, отдаленный от наших дней примерно на 5 млрд. лет. Во всяком случае, современные теории возникновения жизни на Земле исходят из этого допущения. Но и в случае рождения Земли из холодного материала роль Солнца в формировании планетной системы, в эволюции условий на поверхности Земли, необходимых для рождения жизни, огромна.