§ 79. Солнце

Определения и обозначения

Солнце — звезда, ближайшая к Земле. Оно даёт нашей планете большую часть света и тепла, необходимых для существования жизни и многих природных процессов. Солнце — огромный горячий газовый шар, а не твёрдое тело. Его массу, размеры, температуру и мощность излучения сравнивают с характеристиками других звёзд.

Фотосфера — видимый слой Солнца, от которого к нам приходит основная часть излучения. Именно фотосферу мы видим как яркий солнечный диск. Это не поверхность твёрдого тела, а область горячего газа, из которой свет свободно выходит в космос. По её излучению можно оценивать свойства внешних слоёв звезды.

Хромосфера — слой солнечной атмосферы, расположенный над фотосферой. Обычно её слабое свечение теряется на фоне яркого диска, поэтому она становится заметна во время полного солнечного затмения или при наблюдениях специальными приборами. В затмение хромосфера выглядит узким красноватым ободком у края диска.

Солнечная корона — внешняя, очень разреженная атмосфера Солнца, которая простирается далеко за видимый диск. Её свечение также трудно заметить рядом с яркой фотосферой, но во время полного затмения корона видна как светлое сияние вокруг закрытого Луной Солнца. Исследование короны помогает понять, как солнечное вещество и энергия распространяются в окружающее пространство.

Как это устроено

В Солнце различают внутренние области и атмосферу, но между ними нет границы твёрдой оболочки. В глубине вещество горячее и плотнее, а наружу оно постепенно становится менее плотным. Фотосферой называют тот слой, из которого излучение может выйти наружу и попасть к наблюдателю. Поэтому видимый край диска — это граница наблюдаемости, а не край твёрдого тела.

Источник солнечной энергии находится в недрах звезды, где высокая температура и давление позволяют происходить термоядерным реакциям. При них ядра лёгких элементов объединяются, образуя более тяжёлые ядра, а разность энергии переходит в энергию излучения и движения частиц. Она не появляется сразу на поверхности: сначала переносится через внутренние области, а затем излучается в космос. Благодаря этому Солнце может долго поддерживать собственное свечение.

Светимость — полная мощность, с которой Солнце излучает энергию во все стороны. На расстоянии Земли поток энергии распределён по поверхности воображаемой сферы радиусом, равным расстоянию от Земли до Солнца. Поэтому до планеты доходит лишь малая доля всей мощности: Земля перехватывает только небольшую часть этой сферы. Светимость можно найти, умножив поток на единицу площади на площадь сферы: L = 4πR²F.

На поверхности Солнца наблюдаются пятна — области, которые выглядят темнее окружающего вещества, потому что они холоднее него. Их появление связано с сильными магнитными полями, затрудняющими перенос тепла к поверхности. Когда конфигурация магнитного поля резко меняется, может высвободиться энергия и возникнуть вспышка. Магнитная активность также связана с выбросами вещества в космос.

Выброшенные частицы и излучение могут достигать окрестностей Земли и взаимодействовать с её магнитным полем и атмосферой. Заряженные частицы, направленные к полярным областям, возбуждают атомы и молекулы воздуха — так возникают полярные сияния. Сильные солнечные события способны мешать распространению радиоволн и влиять на спутники, навигацию и электросети. Насколько заметны последствия, зависит от мощности события и условий взаимодействия с Землёй.

Слои Солнца и их особенности

Сравнивайте слои сверху вниз по расположению: фотосфера видна как диск, а хромосфера и корона находятся над ней. Столбец наблюдения показывает, почему внешние слои трудно рассмотреть рядом с яркой фотосферой. Таблица также напоминает, что все три слоя относятся к газовой оболочке Солнца, а не к твёрдой поверхности.

Разбор задач

Задача 1. На расстоянии Земли от Солнца поток излучения на единицу площади равен F = 1360 Вт/м², расстояние R = 1,5·10¹¹ м. Найдите полную мощность излучения Солнца. Считаем, что излучение равномерно распределяется по сфере с центром в Солнце. Требуется найти светимость L.

1. Площадь сферы на расстоянии R равна 4πR².
2. Умножаем площадь на поток: L = 4πR²F.
3. Подставляем данные: L ≈ 4π(1,5·10¹¹)²·1360 ≈ 3,8·10²⁶ Вт.

Ответ: светимость Солнца примерно 3,8·10²⁶ Вт. Умножение потока на площадь сферы учитывает энергию, распределившуюся во всех направлениях, а не только ту часть, что попадает на Землю.

Задача 2. Угловой диаметр Солнца α = 0,53°, расстояние до него R = 1,5·10¹¹ м. Оцените диаметр и радиус Солнца. Малый угловой размер связывает линейный диаметр объекта с расстоянием до него. Для расчёта угол следует выразить в радианах.

1. Переводим угол: α ≈ 0,53·π/180 ≈ 0,00925 рад.
2. Для малого угла линейный диаметр d ≈ Rα.
3. Получаем d ≈ 1,5·10¹¹·0,00925 ≈ 1,39·10⁹ м, а радиус r = d/2 ≈ 6,95·10⁸ м.

Ответ: диаметр Солнца около 1,4·10⁹ м, радиус — около 7·10⁸ м. Приближение малого угла подходит, потому что видимый угловой размер Солнца невелик.

Задача 3. Пусть светимость Солнца L = 3,8·10²⁶ Вт. Оцените энергию, излучённую за один год, и соответствующую потерю массы. Время переведём в секунды: один год — примерно 3,15·10⁷ с. Используем связь энергии и массы E = mc².

1. Находим энергию: E = Lt = 3,8·10²⁶·3,15·10⁷ ≈ 1,2·10³⁴ Дж.
2. Выражаем массу: Δm = E/c², где c ≈ 3·10⁸ м/с.
3. Подставляем: Δm ≈ 1,2·10³⁴/(3·10⁸)² ≈ 1,3·10¹⁷ кг.

Ответ: за год Солнце излучает около 1,2·10³⁴ Дж, что соответствует потере массы около 1,3·10¹⁷ кг. Это оценка именно эквивалента излучённой энергии по формуле Эйнштейна.

Типичные ошибки

Считать фотосферу твёрдой поверхностью неверно: фотосфера — слой горячего газа, а не оболочка из твёрдого вещества. Такую ошибку легко допустить, потому что на небе Солнце выглядит как диск с чётким краем. Проверьте себя вопросом: может ли газовая звезда иметь поверхность, по которой можно стоять? Видимая граница обозначает место, откуда к нам приходит свет.

Путать хромосферу и корону — значит смешивать разные слои атмосферы над фотосферой. Их сближает то, что оба слоя трудно увидеть на фоне яркого солнечного диска. Проверьте порядок: от центра наружу идут фотосфера, хромосфера, корона. Хромосфера ближе к фотосфере, корона — внешний и более протяжённый слой.

Объяснять энергию Солнца химическим горением неправильно: горение требует химических реакций и не может объяснить длительное излучение звезды такой мощности. Слово «горит» употребляют в быту, поэтому оно сбивает с толку. Проверьте себя: источник энергии — термоядерные реакции в недрах, а не сгорание топлива в кислороде. В космосе для самого излучения воздух не нужен.

Считать пятна и вспышки независимыми от магнитных полей — значит упускать причину солнечной активности. Эти явления связаны с тем, как магнитное поле влияет на движение вещества и как меняется его конфигурация. Проверьте объяснение: если в нём нет магнитных полей, оно неполное. Пятна и вспышки — разные проявления активности, но их объединяет магнитная природа.

Связь с другими темами

Для понимания источника солнечной энергии нужны закон сохранения энергии, основы термоядерных реакций и связь энергии с массой E = mc². Расчёты светимости опираются на понятия мощности излучения, площади сферы и равномерного распространения света. Они показывают, как по измерениям у Земли оценить характеристики далёкого источника. Эти идеи применяются при изучении звёзд, их эволюции и влияния космических явлений на Землю.

Что запомнить

• Солнце — ближайшая к Земле звезда.
• Видимый диск Солнца образован фотосферой.
• Над фотосферой расположены хромосфера и корона.
• Источник энергии Солнца — термоядерные реакции в его недрах.
• Солнечная активность связана с магнитными полями.
• Солнечные вспышки и выбросы вещества могут влиять на Землю.