1. Солнце

1. Солнце
1.1. Физические характеристики [1, 2, 8]
Трудно найти во всей Вселенной другой космический объект, от которого в такой же
степени как от Солнца зависело бы состояние нашей планеты. Прежде всего, это объясняется тем, что ближайшая к Земле звезда снабжала, снабжает, и ещё долго будет снабжать
планету энергией. Солнце, как физический объект, было постоянно под пристальным вниманием на протяжении всей истории человечества. В далёкие языческие времена во многих религиях мира Солнце почиталось одним из заглавных богов, что собственно не является удивительным, потому что оно с завидным постоянством проливало на небеса и земную твердь свои животворные лучи, обеспечивая юные цивилизации светом и теплом.
Чем больше человек узнавал о Солнце, тем отчётливее становилось понятным насколько зависят все земные процессы от состояния звезды. Особенно в последние десятилетия, когда многие исследования человек перенёс в космос, проявился интерес к особенностям физических процессов на Солнце. Вызвано это было целым рядом объективных
обстоятельств.
Во-первых, совокупность космических и наземных наблюдений, показала, что процессы, протекающие как в самом Солнце, так и в околосолнечном пространстве, не уникальны во Вселенной. Они весьма характерны для других космических объектов. Солнце является ближайшей к Земле звездой, находящейся на расстоянии (среднем) 149,6 млн. км.
Электромагнитная волна, распространяющаяся, как известно, со скоростью света с ≅ 3⋅108
м/с, от Солнца к Земле путешествует около 500 секунд, т.е. не многим более 8 мин. Следующей по близости к Земле звездой является, Просима Центавра, от которой свет достигает поверхности нашей планеты за 4,3 года. Почувствуйте, как говорится, разницу. Такая
относительная близость Солнца, позволяет наблюдать все процессы, можно сказать, в реальном масштабе времени, и видеть звезду при использовании современных телескопов
не в виде точки, а виде диска. Солнце с точки зрения науки представляется уникальной
естественной лабораторией, дающей возможность ставить целенаправленные эксперименты по изучению основополагающих проблем космофизики, физики плазмы, ядерной физики, магнитной гидродинамики, космологии и физики элементарных частиц [2].
Во-вторых, Солнце является уникальным и единственным астрофизическим объектом,
который в такой степени небезразличен для обитателей Земли. Солнце способствовало
появлению всех живых организмов на нашей планете и является, одновременно, источником многих видов энергии, используемой современной цивилизацией. Непрерывное и неуёмное пока увеличение энергетических запросов, как отмечено во введении, порождает
целый ряд глобальных проблем и делает приоритетной проблему прямого использования
солнечной энергии, которая излучается с поразительным постоянством миллиарды лет.
Каждый квадратный метр поверхности Солнца в энергетическом отношении можно сравнить с электростанцией мощностью 6⋅104 кВт. Овладение технологиями прямого использования солнечной энергии сулит человечеству устранение, или, по крайней мере смягчение нависшего над цивилизацией энергетического кризиса [8].
Солнце в его, наблюдаемом в настоящее время состоянии, проявилось примерно 6 − 7
млрд. лет назад, в то время как возраст Земли составляет около 4,6 млрд. лет. Солнце является рядовой звездой Вселенной, оно занимает промежуточное состояние между красным гигантом и белым карликом.
Некоторые физические характеристики Солнца приведены в табл. 1.1, из которых
можно составить представление о временных, геометрических и энергетических параметрах звезды.
12
Радиус
Масса
Средняя плотность
Ускорение силы тяжести на поверхности
Полное излучение
Скорость освобождения на поверхности
Линейная скорость вращения на экваторе
Период синодического вращения на экваторе
Период сидерического вращения на экваторе
Таблица 1.1
6,96⋅10 8 м
1,99⋅10 30 кг
1410 кг/м3
273,98 м/с 2
3,826⋅10 26 Дж/с
617,7 км/с
2,025 км/с
27,275 суток
25,38 суток
Солнце представляет собой плазменный шар радиусом RS ≅ 6,96⋅105 км, что в 109 раз
превышает радиус Земли. Масса Солнца составляет МS = 1,99⋅1030 кг, это в 333 000 раз
больше массы нашей планеты. Масса Солнца составляет 99,866% массы всей Солнечной
системы. Средняя плотность солнечного вещества составляет ρS = 1,41⋅103 кг/м3, средняя
плотность Земли, таким образом, в 3,91 раза больше средней плотности Солнца. Ускорение свободного падения на уровне видимой поверхности Солнца равно gS = 274 м/с2.
Плотность Солнца не одинакова по его объёму. Масса звезды и её размеры дают основание полагать, что в центральных областях вследствие гравитационного сжатия, плотность солнечного вещества должна достигать величин порядка ρS ≅ 1,5⋅105 кг/м3. При этом
температура вещества должна быть не ниже Т ≅ 1,4 107 К., только в таких условиях внутреннее давление газа способно уравновешивать давление, обусловленное гравитационным
сжатием. Столь высокая температура может поддерживаться на протяжении длительного
времени реакциями термоядерного синтеза, которые, по сути, и являются основным энергетическим источником. Учёные считают, что выделение термоядерной энергии происходит вследствие превращения ядер водорода в ядра гелия.
Реакции ядерного синтеза сопровождаются излучением в широком частотном диапазоне (Рис.1.1) от γ − квантов до излучения на радиочастотах, включая длины волн рентгеновского, ультрафиолетового, оптического и инфракрасного диапазона. Образование ядер
гелия из ядер водорода сопровождается уменьшением общей массы вещества примерно на
0,7%, которая преобразуется в энергию в соответствие с формулой Хевисайда ΔЕ = Δmc2.
Если бы Солнце состояло из водорода, который весь бы превратился в гелий, то его масса
уменьшилась бы на величину ΔМS ≅ 0,07 МS ≅ 1,4⋅1028 кг c высвобождением энергии ΔЕ =
1,26⋅1045 Дж [9].
Гравитационное сжатие разогревает внутреннее солнечное вещество до ≅ 107 К, что
вполне достаточно для возникновения реакций термоядерного синтеза более тяжёлых
элементов из лёгких. По современным спектроскопическим данным Вселенная состоит по
массе, примерно, из 69% водорода и 30% гелия. На долю всей остальной таблицы Д.И.
Менделеева приходится всего около 1% массы.
В настоящее время Солнце ежесекундно излучает в пространство энергию L⊕ =
3,83⋅1026 Дж/с, теряя при этом массу Δm ≅ ΔЕ/c2 = 4,26⋅109 кг. Если сравнить массу Солнца
с массой вещества, излучаемого за год, то получится достаточно показательная величина
MS
2 ⋅1030
1
ℵ=
≅
≅ 1,49 ⋅1013
,
(1.1)
9
7
год
Δmτ 4,26 ⋅10 ⋅ 3,15 ⋅10
что говорит о ничтожности излучаемой солнцем массы по сравнению с общей массой
звезды.
При сохранении темпов излучения, энергии все запасы водорода на Солнце израсходуются за промежуток времени
ΔM S ⋅ c 2 1,26 ⋅ 10 45
Δτ =
≅
≅ 3,29 ⋅ 1018 c ≅ 1,04 ⋅ 1011 лет ,
(1.2)
L⊕
3,83 ⋅ 10 26
13
Рис. 1.1. Спектральный состав электромагнитного излучения Солнца [8]
что не вызывает тревоги на предмет пришествия конца света, по крайней мере, по этому
параметру. Энергии хватит всем и, что особо радует − на долго, несмотря на то, что каждую секунду масса Солнца уменьшается на 4 млн. т.
14
Древнегреческие мыслители, например Аристотель, были абсолютно уверены, в том,
что небо, в целом, неизменно. Они считали, что изменения происходят только на Земле, а
всё что находится в небе, является абсолютно совершенными и неизменными субстанциями. Были, конечно, некоторые небесные изменения. Примерно 25 комет за сто лет
можно было наблюдать с поверхности Земли невооружённым взором. Всё тот же Аристотель объяснял эти явления несовершенством подлунного мира, т.е. процессами, протекающими в пределах Земли.
Первым, кто официально усомнился в 1577 г. в такой постановки вопроса, был датский
астроном Тихо Браге, который, измерив, параллакс одной из видимых комет, обнаружил,
что она относительно Земли расположена гораздо дальше Луны. Это никак не согласовывалось с меморандумом о совершенстве и неизменности неба. Появление новых звёзд отмечали и до Тихо Браге, но значения этому не придавали. Известно, что Гиппарх в 134 г.
н.э. обнаружил новую звезду в созвездии Скорпион и даже попытался составить звёздную
карту, для более удобной регистрации новых проявлений изменения небес. А ещё раньше,
1054 г. до н.э. в созвездии Телец обнаружилась звезда, которая по яркости превосходила
Венеру и её можно было наблюдать даже в дневное время. Это уникальное явление в течение нескольких недель наблюдали китайские и японские астрономы, о чём имеется
письменные свидетельства, дошедшие до наших дней.
Европейская астрономия, пребывавшая по известным причинам, в состоянии близком
к упадку, начала проявлять активный интерес к событиям на небе только в эпоху возрождения. В 1752 г. Тихо Браге наблюдал появление новой звезды и описал свои исследования в книге «De Nova Stella». После изобретения телескопа астрономы с завидным постоянством начали обнаруживать на небе появление и исчезновение звёзд. Было установлено,
что все звёзды имеют свой «жизненный цикл», от состояния красного гиганта до белого
карлика, который можно проследить по яркости их светимости. На рис. 1.2. приведена диаграмма Герцшпрунга − Ресселла,
на которой показана абсолютная
величина светимости в зависимости от температуры звёзд.
Отмечено нынешнее состояние
Солнца и пунктирной линией
показан эволюционный путь
нашего светила. По спектральному составу излучение Солнца
со временем будет соответствовать состоянию красных гигантов, т.е. потухающих звёзд. Другими словами, на протяжении
своей долгой жизни, по мере
расходования своих энергетических запасов, Солнце изменяя
свою поверхностную температуру, будет переходить в другой
спектральный класс, из жёлтого
в красный. Солнце в настоящее
время находится в средней части
Рис. 1.2. Диаграмма Герцшпрунга − Рессела [2]
главной последовательности, на
которой располагаются стабильные звёзды с термоядерными источниками энергии. Такие
звёзды практически не изменяют своей светимости на протяжении многих миллиардов
лет, что тоже не может не радовать.
15
Полное количество излучаемой Солнцем энергии определяется солнечной постоянной,
т.е. количеством энергии, проходящей в течении единицы времени через единичную площадку, расположенную вне атмосферы, на усреднённом расстоянии между Солнцем и
Землёй. Эта величина составляет JS = 1,4⋅103 Вт/м2. Если величину солнечной постоянной
умножить на астрономическую единицу, т.е. на расстояние между Солнцем и Землёй, то
получится мощность солнечного излучения (светимость), которая составляет L⊕ =
3,83⋅1026 Вт.
Излучение солнечной энергии исходит из относительно тонкого слоя, так называемой
фотосферы, толщина которой составляет всего ≅ 1/2000 RS ≅ 350 км. Как видно из данных,
приведенных на рис. 1.1, тепловое излучение Солнца с достаточной степенью точности
соответствует излучению абсолютно черного тела, находящегося при температуре 6000 К.
Верхняя часть фотосферы абсолютно прозрачна для некоторых частот излучения, имеющего непрерывный спектр, некоторые же полосы частот поглощаются солнечным веществом. Фотосфера, в основном, состоит из водорода. Атомы других элементов составляют
всего лишь 1/1000 часть от общего количества атомов. В областях фотосферы с температурами ≅ 4000 К образуются в незначительных количествах молекулы СН2, CN и др.
Практически вся излучаемая Солнцем энергия заключена в диапазоне длин волн от λmin =
1500 A до λmax = 0,5 см.
Поскольку диапазон излучаемых частот определяется температурой и физическими
свойствами вещества, то анализ солнечного излучения даёт основание полагать, что атмосфера имеет слоистое строение, (Рис. 1.3).
Рис. 1.3. Физические характеристики слоёв Солнца [8]
16
Солнечная поверхность, фотосфера, обнаруживается телескопом в виде совокупности
ярких площадок, которые называются солнечные гранулы (Рис. 1.4) их средние размеры
достигают 700 м, а время сохранения формы гранул колеблется от 5 до 15 мин. Разница
температур в отдельных участках
гранулированной поверхности составляет ≅ 500 К. На фоне гранул
время от времени возникают солнечные пятна и факелы, время жизни которых колеблется от 30 до 60 мин.
Температура пятен ниже чем гранул и
составляет ≅ 4500 К. Пятна являются
источником ионизированных молекул
газа, которые, взаимодействуя с магнитным полем Солнца, образуют фотосферные факелы протяжённостью
до 50 000 км и продолжительностью
«жизни» в несколько месяцев. В годы
максимальной активности Солнца фаРис. 1.4. Солнечное пятно на фоне гранул
келы могут занимать до 10% всей поверхности звезды. Яркость факелов на
10 − 20% превышает общий фон.
Помимо волнового излучения
Солнце генерирует частицы. В частности, наблюдаемая при затмениях
крона, обусловлена рассеянием света
на свободных электронах и межпланетной пыли. В основании кроны
концентрация свободных электронов
составляет величину ne ≅ 3⋅1014 м − 3. В
пределах
короны
располагаются
сравнительно холодные участки с
концентрацией частиц n ≅ 1017 м − 3 с
температурой Т ≅ 104 К − протуберанцы, имеющие протяжённости порядка 0,33 RS. Протуберанцы, являясь
Рис. 1.5. Протуберанец
основным свидетельством проявления
солнечной активности в её атмосфере,
имеют форму дуг, воронок, и т.п. Типичные протуберанцы имеют вид гигантской светящейся арки (Рис. 1.5).
17