СОЛНЦЕ. Спокойное Солнце

СОЛНЦЕ. Спокойное Солнце

Возможна ли жизнь на Земле без Солнца? Чтобы ответить на этот вопрос, представим себе то, чего на самом деле быть не может. Вообра­зим, что Солнце вдруг исчезло или что какая-то огромная заслонка преградила путь его лучам к нашей планете. Тогда Земля внезапно погру­зится во мрак. Луна и планеты, отражающие солнечные лучи, также перестанут светить. Лишь тусклый свет далеких звезд будет осве­щать Землю. Зеленые растения погибнут, так как они могут усваивать углерод из воздуха только под воздействием солнечных лучей. Животным нечем будет питаться, и они начнут вымирать от голода. Помимо этого, все живое станет замерзать от страшного холода, который быстро распространится по Земле. Воздух, океаны и суша очень скоро отдадут мировому пространству ту энергию, которую они постоян­но получают от Солнца. Перестанут дуть ветры, и замерзнут все водоемы. Начнет сжижаться воздух, и на Землю польется дождь из жидкого кислорода и азота. В результате наша планета покроется слоем льда из твердого воздуха. Сможет ли в таких условиях существовать жизнь? Конечно, нет.

К счастью, ничего этого быть не может и каж­дый день Солнце посылает на Землю свои жи­вотворные лучи, нагревая сушу, воды и воздух, заставляя испаряться водоемы, приводя к обра­зованию облаков и ветров, способствуя выпаде­нию осадков, Давая тепло и свет животным и ра­стениям.

Энергия Солнца огромна. Даже та ничтож­ная ее доля, которая попадает на Землю, ока­зывается очень большой. Энергия солнечных

лучей, падающих на квадратный метр земной поверхности, может заставить работать двигатель мощностью около двух лошадиных сил, а вся Земля в целом получает от Солнца в десятки тысяч раз больше энергии, чем могли бы вырабо­тать все электростанции мира, если бы они рабо­тали на полную мощность.

С Земли Солнце кажется нам сравнительно небольшим. Его легко заслонить горошиной на расстоянии вытянутой руки. Если подобный опыт выполнить с большой точностью, то можно рассчитать, что расстояние до Солнца в 107 раз превышает его диаметр. А поперечник у Солнца очень велик, он в 109 раз больше диаметра Земли, который, как известно, состав­ляет около 13 тыс. км. Теперь легко высчитать размеры Солнца и величину расстояния до него в километрах.

Зная расстояние до Солнца и количество энергии, которое доходит от него к нам, можно определить количество энергии, излучаемое его поверхностью. Чем ближе мы подходим к источ­нику света, тем более концентрированным ока­зывается его излучение. Если бы Земля была к Солнцу вдвое ближе, то она получала бы от него в 4 раза больше энергии, чем сейчас.

Таким же путем, если подойти вплотную к поверхности Солнца, можно найти, что мощ­ность излучения возрастет в 46 тыс. раз.

Представьте себе, что каждая площадочка на Солнце величиной с клеточку в школьной тет­ради подогревается двумя обычными электро­плитками, и вы получите примерное представ­ление о мощности излучения поверхности Солн­ца. Из физики известно, что такую мощность излучения имеет тело, нагретое до темпера­туры около 6000°. Следовательно, такова тем­пература поверхности Солнца. Поэтому 1 см² поверхности Солнца излучает больше 6 квт энергии.

По массе Солнце в 333 тыс. раз больше Земли, а по объему оно больше в 1 млн. 301 тыс. раз. Поэтому плотность Солнца меньше плотности Земли. В среднем Солнце раза в полтора плот­нее воды. Но это только в среднем. Внутри

Солнца вещество сильно сжато давлением выше­лежащих слоев и раз в десять плотнее свинца. Зато наружные слои Солнца в сотни раз раз­реженнее воздуха у поверхности Земли.

Давление — это вес всех слоев, расположен­ных над площадкой в один квадратный санти­метр. Если из Солнца вырезать вдоль диаметра столбик вещества сечением в 1 см² и взвесить его с помощью воображаемых весов, как это показано на рисунке, то потребуется гиря с массой в двести тысяч тонн! В недрах Солнца, где сила тяжести во много раз больше, чем на Земле, такая гиря будет в тысячи раз тя­желее. Поэтому давление в недрах Солнца превышает 100 млрд, атмосфер.

При таком огромном давлении температура возрастает до значения, превышающего 10 млн. градусов! Оказывается, что в этих условиях вещество находится в газообразном состоянии. Однако по своим свойствам этот газ сильно отличается от обычных знакомых нам газов, например воздуха. Дело в том, что в нем почти все атомы полностью теряют свои электроны и превращаются в голые атомные ядра. Свобод­ные электроны, оторвавшиеся от атомов, ста­новятся составной частью газа, называемого в этих условиях плазмой.Частицы плазмы, нагретой до 10 млн. гра­дусов, движутся с огромными скоростями в сот­ни и тысячи километров в секунду! При этом вследствие чрезмерного давления частицы сильно сближаются, а отдельные ядра атомов иногда даже проникают друг в друга. В моменты такого проникновения происходят ядерные реакции, являющиеся источником неиссякаемой энергии Солнца. На этой странице схематически изображе­но, как происходит одна из таких реакций. Она приводит к превращению водорода в ге­лий, причем на промежуточных этапах этой реакции образуются ядра тяжелого водо­рода — дейтерия, обозначенные латинской бук­вой D, а также изотопа атома гелия, отличаю­щегося от обычного гелия тем, что его масса не в четыре, а только в три раза превышает мас­су атома водорода.В основном Солнце состоит из тех же самых химических элементов, что и Земля. Однако водорода на Солнце несравненно больше, чем на Земле. Можно сказать, что Солнце почти целиком состоит из водорода, в то время как всех остальных элементов значительно меньше. Поэтому водород является основным источником энергии, излучаемой Солнцем за счет ядерных реакций.За все время своего существования, кото­рое, по-видимому, составляет не менее 6 млрд. лет, Солнце не израсходовало еще и половины своих запасов водородного ядерного топлива, В течение почти всего этого времени излучение Солнца примерно такое же, как и те­перь. Так оно будет светить еще много миллиар­дов лет — до тех пор, пока в недрах Солнца весь водород не превратится в гелий. Как же выделяется ядерная энергия внутри Солнца?
Когда ядра одного элемента (например, водорода), соединяясь, образуют ядра другого (например, гелия), возникают особые гамма-лучи, обладающие огромной энергией. Вся­кие лучи испускаются атомами в виде отдель­ных порций, называемых квантами. Энер­гия квантов гамма-лучей очень велика. Атомы вещества в недрах Солнца обладают свойством жадно поглощать всякое излучение. При этом, как правило, поглощая квант с очень боль­шой энергией, атом излучает два или не­сколько квантов с меньшей энергией. Пока порожденные ядерными реакциями гамма-лучи дойдут до поверхности Солнца, произойдет очень много таких дроблений квантов перво­начальных гамма-лучей. В результате с поверх­ности Солнца уже будут испускаться преиму­щественно лучи со значительно меньшей энер­гией: ультрафиолетовые, видимые и инфра­красные.
Схематический цветной рисунок  дает представление о том, как «устроено» Солнце. Для того чтобы «увидеть» внутренние слои Солнца, художник «вырезал» из него шаро­вой сектор. Самая внутренняя часть, закрашен­ная в темно-красный цвет (ядро), соответствует области, где происходят ядерные реакции и выделяется энергия. Диаметр ядра составляет примерно 1/3 диаметра самого Солнца. В яд­ре сосредоточена наибольшая часть солнечного вещества.
К ядру примыкает самый протяженный слой Солнца, на схеме закрашенный в яркий жел­тый цвет. Здесь в результате поглощения кван­тов, их дробления и переизлучения энергия изнутри переносится наружу. Выше находится слой протяженностью около 1/10 солнечного радиуса, называемый конвективной зоной. Эта зона уже заметно холоднее. Она переходит в самые внешние слои Солнца — его атмосферу. Вследствие своей более низкой температуры конвективная зона не может обеспечить пере­нос всей энергии, поступающей снизу, только путем поглощения и переизлучения. Поэтому в конвективной зоне в переносе излучения при­нимает участие само вещество: из глубины под­нимаются вверх отдельные потоки более горячих газов, передающих свою энергию непосред­ственно внешним слоям. На цветном рисунке эти потоки (или отдельные сгустки газа) изображены желтыми кружочками, заполняющими область конвективной зоны.

Солнечная атмосфера также состоит из не­скольких весьма различных слоев. Самый глу­бокий и тонкий из них называется фотосферой, что по-русски означает «сфера света». Здесь возникает подавляющее количество световых и тепловых лучей, посылаемых Солнцем в миро­вое пространство.

Фотосфера — это та самая поверхность Солн­ца, которую можно наблюдать в телескоп, пред­варительно снабженный специальным темным светофильтром. Если этого не сделать, то наблюдатель неминуемо ослепнет. Очень удобно спроектировать изображение Солнца на экран, как это показано на рисунке. Толщина фотосферы всего лишь 200—300 км, так что на нашей цветной схеме ее пришлось условно изобразить тонкой линией. Более глу­боких слоев Солнца мы уже совсем не видим. Это происходит потому, что вещество фотосферы непрозрачно, подобно густому туману. Чем глубже слои фотосферы, тем они горя­чее. Когда мы смотрим на центр солнечного диска, то видим наиболее глубокие слои фото­сферы. Это происходит по той же причине, по какой земная атмосфера в зените всегда замет­но прозрачнее, чем у горизонта. Когда мы смот­рим на край Солнца, мы видим не такие глубо­кие слои, как в центре. Поскольку эти слои холоднее и дают меньше света, на краю диск Солнца кажется темнее, а сам край его очень резким. С помощью большого телескопа можно изу­чить характерную структуру фотосферы, хоро­шо заметную на фотографии, помещенной на вклейке.
Чередование маленьких (на самом деле размером около 1000 км) светлых пятны­шек, окруженных темными промежутками, создает впечатление, что на поверхности Солн­ца рассыпаны рисовые зерна. Эти пятныш­ки называются гранулами. Они представляют собой отдельные элементы конвекции, подняв­шиеся из конвективной зоны. Они горячее, а следовательно, и ярче окружающей фото­сферы. Темные промежутки между ними — потоки опускающихся более холодных газов.
От движения гранул в солнечной атмосфере возникают волны, очень похожие на те, которые появляются в земной атмосфере при полете реактивного самолета. Распространяясь вверх в солнечной атмосфере, эти волны поглощаются, а их энергия переходит в теплоту. Поэтому в солнечной атмосфере над фотосферой темпе­ратура начинает повышаться, и чем дальше от фотосферы, тем больше. В сравнительно тонком слое, называемом хромосферой, она поднимается до нескольких десятков тысяч гра­дусов. А в наиболее разреженной, самой внеш­ней оболочке Солнца, в короне, температура достигает миллиона градусов!

Хромосферу и корону можно видеть в ред­кие моменты полных солнечных затмений. Та­кое явление изображено на цветной вклейке. Когда Луна целиком закрывает ослепительно яркую фотосферу, вокруг ее диска, кото­рый кажется черным, внезапно вспыхивает серебристо-жемчужное сияние в виде венца, часто имеющего длинные лучи. Это и есть солнечная корона — чрезвычайно разрежен­ная газовая оболочка. Она простирается от Солнца на расстояние многих его радиусов. Форма короны сильно меняется со временем, о чем можно судить, сравнивая различные ее фотографии. Непосредственно вокруг черного диска Луны во время затмения видна блестя­щая тонкая розовая кайма. Это и есть хромо­сфера Солнца, слой раскаленных газов толщи­ной 10—15 тыс, км.

Хромосфера значительно прозрачнее фото­сферы. Она имеет линейчатый спектр, испускае­мый раскаленными парами водорода, гелия, кальция и других элементов. Поэтому хромо­сферу можно наблюдать, если с помощью специальных приборов выделить излучаемые эти­ми элементами лучи. На цветной вклейке по­казано Солнце в лучах, испускаемых иони­зованным кальцием. На ней видно, как выгля­дит солнечная хромосфера.

В фотосфере много нейтральных атомов. В хромосфере вследствие высокой температуры атомы водорода и гелия начинают переходить в ионизованное состояние. Это значит, что они теряют свои электроны и становятся электри­чески заряженными, а их электроны начинают двигаться как свободные частицы. В короне, где температура несравненно больше, иониза­ция вещества настолько сильна, что все лег­кие химические элементы полностью лишают­ся своих электронов, а у тяжелых атомов их недостает более десятка. Это происходит потому, что при температуре в миллион градусов отдель­ные частицы движутся так быстро и с такой силой сталкиваются, что, образно говоря, от них «щепки летят». Таким образом, атмосфера Солнца, как и его недра, состоит из плазмы.

В короне плазма очень сильно разрежена. В каждом ее кубическом сантиметре содержит­ся не более 100 млн. «ободранных» атомов и оторванных от них свободных электронов. Это в 100 млрд. раз меньше, чем молекул в воз­духе. Если бы всю корону, простирающуюся на много солнечных радиусов, сжать до плотно­сти воздуха на Земле, то получился бы ничтож­ный слой толщиной в несколько сантиметров, окружающий Солнце.

Вследствие столь большой разреженности корона еще прозрачнее для видимого света, чем хромосфера. По той же причине и коли­чество излучаемого ею света ничтожно: яркость короны в миллион раз меньше яркости фото­сферы. Именно поэтому в обычное время она незаметна на ярком фоне дневного неба и видна только во время полных солнечных зат­мений. Таким образом, хотя самые внешние слои солнечной атмосферы имеют температуру миллион градусов, их излучение составляет ничтожную долю от общей энергии, испускаемой Солнцем. Почти всю эту энергию излучает фотосфера, имеющая температуру около 6000°. Поэтому такую температуру приписывают Солн­цу в целом. Значение температуры миллион градусов, установленное в короне, говорит только о том, что ее частицы движутся с огром­ными скоростями, доходящими до сотен и ты­сяч километров в секунду.

Однако как же узнали, что температура сол­нечной короны так велика, если она излучает так мало? Дело в том, что наряду с другими лучами Солнце испускает относительно много радиоволн, во всяком случае гораздо больше, чем должно давать тело, нагретое до 6000°. Солнечная корона очень сильно поглощает радиоволны. Поэтому доходящее до нас радио­излучение Солнца в основном возникает не в фотосфере, а в короне. Измерения при помощи специальных радиотелескопов мощности этого радиоизлучения позволили определить темпера­туру короны.

• СОЛНЦЕ
• Спокойное Солнце     Намного ли больше света дает Земле Солнце по сравнению с Луной и Сириусом?
• Солнечная активность
• Солнечные и лунные затмения