Доклад: Солнце

На первый взгляд диск Солнца кажется однородным. Однако, если приглядеться,

на нём обнаруживается много крупных и мелких деталей. Даже при не очень хорошем

качестве изображения видно, что вся фотосфера состоит из светлых зёрнышек

(называемых гранулами) и тёмных промежутков между ними. Это похоже на кучевые

облака, когда смотришь на них сверху, с самолёта. Размеры гранул невелики по

солнечным масштабам - до 1000-2000 км в поперечнике; меж-гранульные дорожки

более узкие, примерно 300-600 км в ширину. На солнечном диске наблюдается

одновременно около миллиона гранул.

Картина грануляции не является застывшей: одни гранулы исчезают, другие

появляются. Каждая из них живёт не более 10 мин. Всё это напоминает кипение

жидкости в кастрюле. Такое сравнение не случайно, поскольку физический

процесс, ответственный за оба явления, один и тот же. Это конвекция - перенос

тепла большими массами горячего вещества, которые поднимаются снизу,

расширяясь и одновременно остывая.

Грануляция создаёт общий фон, на котором можно наблюдать гораздо более

контрастные и крупные объекты - солнечные пятна и факелы.

Внутреннее строение Солнца

Наше Солнце - это огромный светящийся газовый шар, внутри которого протекают

сложные процессы и в результате непрерывно выделяется энергия. Внутренний объём

Солнца можно разделить на несколько областей; вещество в них отличается по

своим свойствам, и энергия распространяется посредством разных физических

механизмов. Познакомимся с ними, начиная с самого центра.

В центральной части Солнца находится источник его энергии, или, говоря

образным языком, та "печка", которая нагревает его и не даёт ему остыть. Эта

область называется ядром. Под тяжестью внешних слоев вещество внутри Солнца

сжато, причём чем глубже, тем сильнее. Плотность его увеличивается к центру

вместе с ростом давления и температуры. В ядре, где температура достигает 15

млн Кельвинов, происходит выделение энергии.

Эта энергия выделяется в результате слияния атомов лёгких химических

элементов в атомы более тяжёлых. В недрах Солнца из четырёх атомов водорода

образуется один атом гелия. Именно эту страшную энергию люди научились

освобождать при взрыве водородной бомбы. Есть надежда, что в недалёком

будущем человек сможет научиться использовать её и в мирных целях.

Ядро имеет радиус не более четверти общего радиуса Солнца. Однако в его

объёме сосредоточена половина солнечной массы и выделяется практически вся

энергия, которая поддерживает свечение Солнца.

Но энергия горячего ядра должна как-то выходить наружу, к поверхности Солнца.

Существуют различные способы передачи энергии в зависимости от физических

условий среды, а именно: лучистый перенос, конвекция и теплопроводность.

Теплопроводность не играет большой роли в энергетических процессах на Солнце

и звёздах, тогда как лучистый и конвективный переносы очень важны.

Сразу вокруг ядра начинается зона лучистой передачи энергии, где Энергия

солнечного света

Электромагнитое излучение подвергается строгому отбору в земной атмосфере.

Она прозрачна только для видимого света и ближних ультрафиолетового и

инфракрасного излучений, а также для радиоволн в сравнительно узком диапазоне

(от сантиметровых до метровых). Всё остальное излучение либо отражается, либо

поглощается атмосферой, нагревая и ионизуя её верхние слои.

Поглощение рентгеновских и жёстких ультрафиолетовых лучей начинается на

высотах 300-350 км; на этих же высотах отражаются наиболее длинные

радиоволны, приходящие из космоса. При сильных всплесках солнечного

рентгеновского излучения от хромосферных вспышек рентгеновские кванты

проникают до высот 80- 100 км от поверхности Земли, ионизуют атмосферу и

вызывают нарушение связи на коротких волнах.

Мягкое (длинноволновое) ультрафиолетовое излучение способно проникать ещё

глубже, оно поглощается на высоте 30-35 км. Здесь ультрафиолетовые кванты

разбивают на атомы (диссоциируют) молекулы кислорода (02) с

последующим образованием озона (О3). Тем самым создаётся не

прозрачный для ультрафиолета "озонный экран", предохраняющий жизнь на Земле от

гибельных лучей. Не поглотившаяся часть наиболее длинноволнового

ультрафиолетового излучения доходит до земной поверхности. Именно эти лучи

вызывают у людей загар и даже ожоги кожи при длительном пребывании на солнце.

Излучение в видимом диапазоне поглощается слабо. Однако оно рассеивается

атмосферой даже в отсутствие облаков, и часть его возвращается в межпланетное

пространство. Облака, состоящие из капелек воды и твёрдых частиц, значительно

усиливают отражение солнечного излучения. В результате до поверхности планеты

доходит в среднем около половины падающего на границу земной атмосферы света.

Количество солнечной энергии, приходящейся на поверхность площадью 1 м2

, развёрнутую перпендикулярно солнечным лучам на границе земной атмосферы,

называется солнечной постоянной. Измерять её с Земли очень трудно, и потому

значения, найденные до начала космических исследований, были весьма

приблизительными. Небольшие колебания (если они реально существовали) заведомо

"тонули" в неточности измерений. Лишь выполнение специальной космической

программы по определению солнечной постоянной позволило найти её надёжное

значение. По последним данным, оно составляет 1370 Вт/м2 с точностью до 0,5%.

Колебаний, превышающих 0,2%, за время измерений не выявлено.

На Земле излучение поглощается сушей и океаном. Нагретая земная поверхность в

свою очередь излучает в длинноволновой инфракрасной области. Для такого

излучения азот и кислород атмосферы прозрачны. Зато оно жадно поглощается

водяным паром и углекислым газом. Благодаря этим малым составляющим воздушная

оболочка удерживает тепло. В этом и заключается парниковый эффект атмосферы.

Между Физические процессы на Солнце ( Часть 1 )

О некоторых из них уже говорилось - это лучистый перенос энергии из

центральной области к периферии, конвективное движение газа во внешнем слое

Солнца, явление хромосферных спикул. На фоне равенства прихода и расхода

энергии в атмосфере Солнца интенсивно протекают вихревые неупорядоченные или

турбулентные движения газов. Они свойственны помимо солнечной атмосферы и

внешнему слою солнечного шара, образованному непрозрачным газом, - его

конвективной области. Среди разного рода движений газов остановимся лишь на

некоторых широко распространенных в атмосфере и на поверхности Солнца:

солнечных пятнах, солнечных факелах, флоккулах и протуберанцах. Все они

обусловлены взаимодействием различных магнитных полей.

Солнечные пятна. Если рассматривать диск светила через затемненное стекло, то

временами в разных местах солнечной поверхности даже невооруженным глазом

можно увидеть почти черные образования - пятна . Поперечник этих образований

может достигать многих тысяч километров. Они распределяются на фоне видимого

диска Солнца неравномерно - то одиночно, то группами. Эти образования

непостоянны: они существуют от нескольких часов до нескольких месяцев, а

затем исчезают, и вместо них, в других местах, появляются новые пятна.

Образующий Солнце газ является прекрасным проводником электричества, особенно

в центральной области, где условия экстремальны. В целом Солнце обладает

единым магнитным полем и, кроме того, локальными полями. Например, вокруг

солнечных пятен магнитные поля имеют напряженность в среднем 3000 Э. Для

сравнения укажем, что у Земли магнитное поле несравненно слабее: на магнитных

полюсах оно имеет напряженность всего 0,6 - 0,7 Э, а на магнитном экваторе и

того меньше - 0,4 Э. Следовательно, оно в 7500 раз слабее, чем у солнечных

пятен. Температура темных пятен у Солнца на 1000 - 20000 ниже, чем фотосферы

в целом.

В совокупности пятна и их скопления образуют на Солнце активные области.

Изменение положения пятен, их количество и подвижность не остаются

постоянными. Наиболее известен 11-летний цикл (11,2 года) активности пятен -

это осредненный срок, фактически же он колеблется от 7,5 до 16 лет. Солнечные

пятна рассматриваются как углубления, или провалы, в видимой поверхности.

Ритм изменения солнечной активности отражается на многих процессах и явлениях

земной поверхности и ее атмосферы (солнечные сияния, прохождения радиоволн в

верхней атмосфере).

Солнечные факелы и флоккулы. На краю солнечного диска, где заметно

потемнение, поскольку там находятся верхние, более холодные слои нижней

атмосферы, часто наблюдаются светлые факелы. В центральной части диска, где

сосредоточены более глубокие и более нагретые, а, следовательно, более яркие

слои атмосферы, факелы не видны - они сливаются с фотосферой. Полагают, что

факелы имеют несколько более высокую температуру, чем фотосфера, поскольку

газ в них сильнее ионизирован, т. е. у него меньше нейтральных атомов. Факелы

могут достигать в высоту тысячи, и даже десятки тысяч километров.

В хромосфере над факелами располагаются светлые облака - флоккулы. Они имеют

по вертикали размеры в тысячи и сотни тысяч километров. Что же касается

распространенности их в горизонтальном направлении, то в совокупности они

занимают от 10 до 30% площади солнечного диска. Различают флоккулы,

образованные преимущественно либо ионизированным водородом, либо кальцием.

Протуберанцы - особые формы неупорядоченного движения газов в солнечной

атмосфере . Они наблюдаются на краю диска, имеют разнообразную и постоянно

меняющуюся форму струй, фонтанов, арок, дерева, облака или столба дыма и т.д.

С помощью кинематографического метода удалось с большой детальностью

исследовать их движения. Установлены некоторые типичные метаморфозы этих

образований. Раньше считалось, что протуберанцы - это выбросы Солнца, т. е.

они имеют движение снизу вверх. Теперь обнаружены и многие другие формы их

движения. Например, есть протуберанцы, зарождающиеся в верхней атмосфере

Солнца, в короне, и движущиеся сверху вниз - к солнечной поверхности, в

область солнечных пятен. Нередки движения от одного протуберанца к другому,

т. е. параллельно поверхности солнечного диска. В движении газов наблюдается

образование струй и узлов, и когда они опускаются, то, как бы притягиваются

определенным центром или несколькими центрами.

Исследования протуберанцев проведенные кинематографическим методом, А. Б.

Северным и В. Л. Хохловой, позволили выявить некоторую упорядоченность их

движений. Различные виды протуберанцев можно свести к трем основным типам

движения.

приходом солнечной энергии на Землю и её потерями на планете в Физические

процессы на Солнце ( Часть 1 )

О некоторых из них уже говорилось - это лучистый перенос энергии из

центральной области к периферии, конвективное движение газа во внешнем слое

Солнца, явление хромосферных спикул. На фоне равенства прихода и расхода

энергии в атмосфере Солнца интенсивно протекают вихревые неупорядоченные или

турбулентные движения газов. Они свойственны помимо солнечной атмосферы и

внешнему слою солнечного шара, образованному непрозрачным газом, - его

конвективной области. Среди разного рода движений газов остановимся лишь на

некоторых широко распространенных в атмосфере и на поверхности Солнца:

солнечных пятнах, солнечных факелах, флоккулах и протуберанцах. Все они

обусловлены взаимодействием различных магнитных полей.

Солнечные пятна. Если рассматривать диск светила через затемненное стекло, то

временами в разных местах солнечной поверхности даже невооруженным глазом

можно увидеть почти черные образования - пятна . Поперечник этих образований

может достигать многих тысяч километров. Они распределяются на фоне видимого

диска Солнца неравномерно - то одиночно, то группами. Эти образования

непостоянны: они существуют от нескольких часов до нескольких месяцев, а

затем исчезают, и вместо них, в других местах, появляются новые пятна.

Образующий Солнце газ является прекрасным проводником электричества, особенно

в центральной области, где условия экстремальны. В целом Солнце обладает

единым магнитным полем и, кроме того, локальными полями. Например, вокруг

солнечных пятен магнитные поля имеют напряженность в среднем 3000 Э. Для

сравнения укажем, что у Земли магнитное поле несравненно слабее: на магнитных

полюсах оно имеет напряженность всего 0,6 - 0,7 Э, а на магнитном экваторе и

того меньше - 0,4 Э. Следовательно, оно в 7500 раз слабее, чем у солнечных

пятен. Температура темных пятен у Солнца на 1000 - 20000 ниже, чем фотосферы

в целом.

В совокупности пятна и их скопления образуют на Солнце активные области.

Изменение положения пятен, их количество и подвижность не остаются

постоянными. Наиболее известен 11-летний цикл (11,2 года) активности пятен -

это осредненный срок, фактически же он колеблется от 7,5 до 16 лет. Солнечные

пятна рассматриваются как углубления, или провалы, в видимой поверхности.

Ритм изменения солнечной активности отражается на многих процессах и явлениях

земной поверхности и ее атмосферы (солнечные сияния, прохождения радиоволн в

верхней атмосфере).

Солнечные факелы и флоккулы. На краю солнечного диска, где заметно

потемнение, поскольку там находятся верхние, более холодные слои нижней

атмосферы, часто наблюдаются светлые факелы. В центральной части диска, где

сосредоточены более глубокие и более нагретые, а, следовательно, более яркие

слои атмосферы, факелы не видны - они сливаются с фотосферой. Полагают, что

факелы имеют несколько более высокую температуру, чем фотосфера, поскольку

газ в них сильнее ионизирован, т. е. у него меньше нейтральных атомов. Факелы

могут достигать в высоту тысячи, и даже десятки тысяч километров.

В хромосфере над факелами располагаются светлые облака - флоккулы. Они имеют

по вертикали размеры в тысячи и сотни тысяч километров. Что же касается

распространенности их в горизонтальном направлении, то в совокупности они

занимают от 10 до 30% площади солнечного диска. Различают флоккулы,

образованные преимущественно либо ионизированным водородом, либо кальцием.

Протуберанцы - особые формы неупорядоченного движения газов в солнечной

атмосфере . Они наблюдаются на краю диска, имеют разнообразную и постоянно

меняющуюся форму струй, фонтанов, арок, дерева, облака или столба дыма и т.д.

С помощью кинематографического метода удалось с большой детальностью

исследовать их движения. Установлены некоторые типичные метаморфозы этих

образований. Раньше считалось, что протуберанцы - это выбросы Солнца, т. е.

они имеют движение снизу вверх. Теперь обнаружены и многие другие формы их

движения. Например, есть протуберанцы, зарождающиеся в верхней атмосфере

Солнца, в короне, и движущиеся сверху вниз - к солнечной поверхности, в

область солнечных пятен. Нередки движения от одного протуберанца к другому,

т. е. параллельно поверхности солнечного диска. В движении газов наблюдается

образование струй и узлов, и когда они опускаются, то, как бы притягиваются

определенным центром или несколькими центрами.

Исследования протуберанцев проведенные кинематографическим методом, А. Б.

Северным и В. Л. Хохловой, позволили выявить некоторую упорядоченность их

движений. Различные виды протуберанцев можно свести к трем основным типам

движения.

общем существует равновесие: сколько поступает, столько и расходуется. В

противном случае температура земной поверхности вместе с атмосферой либо

постоянно повышалась бы, либо падала.

она распространяется через поглощение и излучение веществом порций света -

квантов.

Плотность, температура и давление уменьшаются по мере удаления от ядра, и в

этом же направлении идёт поток энергии. В целом процесс этот крайне

медленный. Чтобы квантам добраться от центра Солнца до фотосферы, необходимы

многие тысячи лет: ведь, переизлучаясь, кванты всё время меняют направление,

почти столь же часто двигаясь назад, как и вперёд. Но когда они в конце

концов выберутся наружу, это будут уже совсем другие кванты. Что же с ними

произошло?

В центре Солнца рождаются гамма-кванты. Их энергия в миллионы раз больше, чем

энергия квантов видимого света, а длина волны очень мала. По дороге кванты

претерпевают удивительные превращения. Отдельный квант сначала поглощается

каким-нибудь атомом, но тут же снова переизлучается; чаще всего при этом

возникает не один прежний квант, а два или даже несколько. По закону

сохранения энергии их общая энергия сохраняется, а потому энергия каждого из

них уменьшается. Так возникают кванты всё меньших и меньших энергий. Мощные

гамма-кванты как бы дробятся на менее энергичные кванты - сначала

рентгеновских, потом ультрафиолетовых и наконец видимых и инфракрасных лучей.

В итоге наибольшее количество энергии Солнце излучает в видимом свете, и не

случайно наши глаза чувствительны именно к нему.

Как мы уже говорили, кванту требуется очень много времени, чтобы просочиться

через плотное солнечное вещество наружу. Так что если бы "печка" внутри

Солнца вдруг погасла, то мы узнали бы об этом только миллионы лет спустя.

На своём пути через внутренние солнечные слои поток энергии встречает такую

область, где непрозрачность газа сильно возрастает. Это конвективная зона

Солнца. Здесь энергия передаётся уже не излучением, а конвекцией.

Что такое конвекция? Когда жидкость кипит, она перемешивается. Так же может

вести себя и газ. В жаркий день, когда земля нагрета лучами Солнца, на фоне

удалённых предметов хорошо заметны поднимающиеся струйки горячего воздуха. Их

легко наблюдать и над пламенем газовой горелки, и над раскалённой конфоркой

плиты. То же самое происходит и на Солнце в области конвекции. Огромные

потоки горячего газа поднимаются вверх, где отдают своё тепло окружающей

среде, а охлаждённый солнечный газ опускается вниз. Похоже, что солнечное

вещество кипит и перемешивается, как вязкая рисовая каша на огне.

Конвективная зона начинается примерно на расстоянии 0,7 радиуса от центра и

простирается практически до самой видимой поверхности Солнца (фотосферы), где

перенос основного потока энергии вновь становится лучистым. Однако по инерции

сюда всё же проникают горячие потоки из более глубоких, конвективных слоев.

Хорошо известная наблюдателям картина грануляции на поверхности Солнца является