"Астрономия (базовый уровень)", Левитан Е.П.
Солнце — ближайшая к Земле звезда и главный источник энергии для света, тепла и большинства природных процессов. Его излучение поддерживает фотосинтез, круговорот воды и существование биосферы. Поток энергии зависит от расстояния до Солнца, а магнитная активность звезды влияет на околоземное пространство. Солнечный ветер и вспышки могут вызывать полярные сияния, магнитные бури и сбои техники.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Солнечная постоянная — поток солнечной энергии, падающий за единицу времени на единицу площади, перпендикулярной лучам Солнца, у верхней границы атмосферы Земли. Обычно её обозначают S и измеряют в Вт/м². Она показывает интенсивность солнечного излучения на расстоянии Земли от Солнца, но не равна полной мощности звезды.
Солнечная активность — совокупность периодически изменяющихся явлений на Солнце, связанных с его магнитным полем. К ней относят появление пятен, вспышки и выбросы вещества. Понятие нужно, чтобы описывать не постоянное свечение звезды, а изменения, способные влиять на космическое пространство.
Солнечный ветер — поток заряженных частиц, непрерывно исходящий из верхних слоёв солнечной атмосферы в межпланетное пространство. В его составе главным образом движутся протоны и электроны. Этот термин помогает отличать поток частиц от солнечного света и объяснять воздействие Солнца на магнитные поля планет.
Магнитная буря — кратковременное сильное возмущение магнитного поля Земли, вызванное потоками солнечного ветра. Она возникает, когда усиленный поток частиц сжимает и расстраивает магнитосферу. Понятие используют при объяснении полярных сияний, радиопомех и сбоев в работе некоторых технических систем.
Энергия Солнца поддерживает жизнь, потому что его излучение нагревает поверхность и атмосферу Земли. Свет необходим растениям для фотосинтеза, при котором из углекислого газа и воды образуются органические вещества и выделяется кислород. Нагрев запускает испарение, движение воздуха и круговорот воды, поэтому солнечная энергия участвует сразу во многих природных процессах.
Излучение распространяется от Солнца во все стороны, а его энергия распределяется по всё большей площади сферической волны. Площадь такой сферы растёт как 4πr², поэтому на единицу площади приходится всё меньшая доля энергии. Отсюда следует закон обратных квадратов: при увеличении расстояния в 2 раза поток уменьшается в 4 раза, а в 4 раза — в 16 раз.
Магнитное поле Солнца неоднородно и постоянно изменяется из-за движения плазмы внутри звезды. В областях сильного поля конвекция, то есть перенос энергии потоками вещества, подавляется, поэтому фотосфера там холоднее и выглядит как пятна. Перестройка магнитных линий может быстро высвободить накопленную энергию, вызвав вспышку или выброс плазмы.
Солнечный ветер и выбросы вещества достигают околоземного пространства в виде потоков заряженных частиц. Магнитное поле Земли отклоняет значительную их часть, образуя магнитосферу, а атмосфера поглощает опасную часть энергии и излучения. Однако сильные потоки сжимают магнитосферу и направляют частицы к полярным областям, где они сталкиваются с атомами атмосферы.
Такие столкновения возбуждают атомы и молекулы, поэтому возникают полярные сияния, а изменение магнитного поля создаёт магнитную бурю. Вспышки могут усиливать ионизацию верхней атмосферы, что ухудшает радиосвязь; частицы также опасны для космонавтов и спутников. Солнечная активность влияет на космическую погоду, но не объясняет все изменения климата: на климат действуют состав атмосферы, океаны, вулканизм и деятельность человека.
Таблица позволяет проследить цепочку от процесса на Солнце к наблюдаемому эффекту у Земли. При ответе важно различать непосредственное проявление и возможное последствие: например, сияние наблюдается сразу, а технические сбои возникают при определённых условиях. Не каждое солнечное явление обязательно приводит к заметным последствиям на поверхности Земли.
| Явление | Что происходит на Солнце | Как проявляется на Земле | Возможные последствия |
|---|---|---|---|
| Солнечные пятна | Сильные магнитные поля подавляют конвекцию и понижают температуру отдельных участков фотосферы | Непосредственного заметного влияния обычно нет | Пятна служат признаком усиления солнечной активности |
| Солнечные вспышки | Происходит резкий выброс энергии и излучения | Усиливается ионизация верхней атмосферы | Радиопомехи, опасность для космонавтов и спутников |
| Солнечный ветер и выбросы плазмы | В межпланетное пространство направляются потоки заряженных частиц | Возникают полярные сияния и возмущения магнитного поля | Магнитные бури, сбои связи и навигации, токи в линиях электропередачи |
Задача 1. Солнечная постоянная S = 1,37 кВт/м², площадь A = 2 м², время t = 10 мин. Требуется найти энергию, полученную площадкой у верхней границы атмосферы. Поскольку площадка перпендикулярна лучам, поправка на угол падения не нужна.
Ответ: E = 1,644·10⁶ Дж, или примерно 1,64 МДж. Так решают задачи, где известен поток на единицу площади и нужно найти всю переданную энергию. Если поверхность наклонена, пришлось бы учитывать угол падения лучей.
Задача 2. Найдём мощность излучения, которую перехватывает Земля, если S = 1,37 кВт/м², а R = 6,4·10⁶ м. Земля получает энергию не всей поверхностью одновременно, а своим поперечным сечением, обращённым к Солнцу. Поэтому используется площадь круга πR².
Ответ: Земля перехватывает примерно 1,8·10¹⁷ Вт солнечной энергии. Площадь полной поверхности была бы ошибкой: боковые участки Земли не обращены к Солнцу и не перехватывают поток таким образом. Часть этой энергии затем отражается или переизлучается в космос.
Задача 3. Планета находится в 4 раза дальше от Солнца, чем Земля, а земная солнечная постоянная равна 1,37 кВт/м². Нужно оценить поток на её орбите и сделать вывод о нагреве. Здесь применяется закон обратных квадратов, потому что излучение распределяется по площади сферической волны.
Ответ: поток будет примерно в 16 раз слабее земного. При прочих равных условиях планета получит меньше тепла и её средняя температура окажется ниже. Возможность жизни нельзя исключать только по этому расчёту, но потребуются подходящая атмосфера, внутренний источник тепла или другие условия.
Солнечную постоянную принимают за полную мощность Солнца. Так происходит из-за слова «постоянная», которое ошибочно связывают с общей характеристикой звезды. Проверьте единицы: Вт/м² означает поток на площадь, а мощность Солнца измеряется в ваттах.
В расчёте для Земли используют площадь всей поверхности. Это неверно, потому что солнечные лучи перехватывает круглая проекция Земли, то есть πR². Самопроверка проста: мысленно поставьте Землю перед параллельным пучком света — поток встретит только её поперечное сечение.
Солнечный ветер путают с солнечным светом. Причина ошибки — оба явления исходят от Солнца, но свет является электромагнитным излучением, а ветер состоит из заряженных частиц. Уточните состав явления: наличие протонов и электронов указывает на солнечный ветер.
Магнитные бури объясняют прямым нагревом Земли. На самом деле главную роль играет взаимодействие усиленного потока частиц с магнитосферой, а не обычное повышение температуры поверхности. Если в объяснении нет магнитного поля Земли и заряженных частиц, оно неполно.
Почему Солнце называют главным источником энергии для жизни на Земле?
Солнечное излучение нагревает поверхность Земли и атмосферу, поддерживает круговорот воды и создаёт условия для фотосинтеза. Благодаря фотосинтезу образуются органические вещества и кислород, поэтому энергия Солнца лежит в основе большинства пищевых цепей.
Почему солнечная постоянная не означает, что вся Земля получает одинаковый поток энергии?
Солнечная постоянная измеряется у верхней границы атмосферы на площадке, перпендикулярной лучам. На Земле угол падения лучей, время суток, широта, времена года и состояние атмосферы различаются, поэтому реальный нагрев поверхности неодинаков.
Чем солнечный ветер отличается от солнечного излучения?
Солнечное излучение — это электромагнитные волны, включая видимый свет и инфракрасное излучение. Солнечный ветер состоит главным образом из движущихся заряженных частиц, которые взаимодействуют с магнитными полями планет.
Как солнечные вспышки вызывают магнитные бури и полярные сияния?
Вспышки и выбросы вещества усиливают поток заряженных частиц, достигающий Земли. При взаимодействии этого потока с магнитосферой возникают её возмущения, а частицы, проникающие в верхнюю атмосферу у полюсов, вызывают свечение — полярные сияния.
Может ли солнечная активность полностью объяснить изменения климата Земли?
Нет. Солнечная активность влияет на поток энергии и околоземное пространство, но климат определяется также составом атмосферы, океанами, вулканизмом и деятельностью человека. Поэтому изменения Солнца нельзя считать единственной причиной современных климатических изменений.
§ 21. Солнце и жизнь Земли
