"Физика (Базовый и углубленный уровни)", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.
Солнце — ближайшая к Земле звезда и главный источник энергии для процессов на нашей планете. Его энергия рождается в ядре при термоядерном синтезе, переносится через внутренние слои и выходит в космос с фотосферы в виде электромагнитного излучения. В параграфе разбираются строение Солнца, солнечная постоянная, фотосфера и проявления солнечной активности — пятна, вспышки и выбросы вещества.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Солнечная постоянная — поток солнечной энергии, приходящий за единицу времени на единицу площади, перпендикулярной лучам, на среднем расстоянии Земли от Солнца. Её обозначают S и измеряют в ваттах на квадратный метр: S ≈ 1,4 кВт/м². Эта величина позволяет находить энергию, поступающую на площадку, и оценивать общую мощность Солнца.
Фотосфера — видимая поверхность Солнца, то есть внешний излучающий слой его газовой оболочки. Именно излучение фотосферы мы в основном наблюдаем в видимом свете. Название не означает наличие твёрдой поверхности: фотосфера представляет собой плазму.
Термоядерный синтез — объединение лёгких атомных ядер при очень высокой температуре с выделением энергии. В недрах Солнца ядра водорода постепенно превращаются в ядра гелия. Понятие помогает объяснить происхождение солнечного излучения без представления о химическом горении.
Солнечная активность — совокупность изменяющихся явлений, связанных прежде всего с магнитным полем Солнца. К её проявлениям относят солнечные пятна, вспышки и выбросы вещества. По активности судят, насколько неспокойны внешние слои звезды и каково возможное влияние на околоземное пространство.
Солнце — звезда, расположенная гораздо ближе к Земле, чем остальные звёзды, поэтому оно кажется огромным и очень ярким. Его излучение нагревает поверхность планеты, приводит в действие круговорот воды и поддерживает фотосинтез. Энергия Солнца также определяет движение атмосферы и океанов, поэтому почти все основные процессы на Земле прямо или косвенно связаны с ним.
В центре Солнца находится ядро, где температура достигает миллионов градусов, а давление очень велико. Эти условия сближают ядра водорода настолько, что между ними становится возможен ядерный синтез, несмотря на электрическое отталкивание. При образовании более тяжёлых ядер их суммарная масса немного меньше исходной, и разность превращается в энергию по соотношению E = mc².
Из ядра энергия сначала распространяется через зону переноса излучением: частицы света многократно поглощаются и переизлучаются. Затем она проходит через зону конвекции, где горячее вещество поднимается, а остывшее опускается. Поэтому энергия движется не одним скачком, а медленно передаётся от горячих внутренних областей к внешним.
Снаружи расположены слои атмосферы Солнца: фотосфера, хромосфера и корона. В фотосфере энергия выходит в космос в форме видимого света, инфракрасного и других видов электромагнитного излучения. Хромосфера лежит выше фотосферы, а корона простирается на миллионы километров и особенно хорошо заметна во время полного солнечного затмения.
Магнитное поле Солнца формируется и изменяется движением плазмы, особенно в зоне конвекции. Сложные магнитные структуры могут задерживать перенос энергии и образовывать более холодные пятна, а при перестройке поля высвобождается энергия вспышек. Выбросы вещества и потоки заряженных частиц способны достигать Земли, вызывая магнитные бури, полярные сияния и помехи в работе техники.
Таблица показывает последовательность слоёв от центра Солнца к внешней границе атмосферы. По столбцам можно сравнить расположение слоя, происходящий в нём процесс и то, каким образом он проявляется для наблюдателя.
| Слой | Расположение | Основной процесс или особенность | Наблюдаемое проявление |
|---|---|---|---|
| Ядро | Центральная область | Термоядерный синтез, выделение энергии | Источник энергии Солнца |
| Зона переноса энергии излучением | Между ядром и зоной конвекции | Поглощение и переизлучение фотонов | Медленное продвижение энергии наружу |
| Зона конвекции | Под фотосферой | Перемещение потоков горячей и холодной плазмы | Связь с магнитными полями и пятнами |
| Фотосфера | Видимый внешний слой | Излучение энергии в космос | Светлый диск Солнца и пятна |
| Хромосфера | Над фотосферой | Движение и нагрев плазмы | Красноватое свечение при затмениях |
| Корона | Самый внешний слой атмосферы | Разреженная горячая плазма и выбросы | Солнечная корона и солнечный ветер |
Солнечная постоянная у орбиты Земли равна S = 1,4 кВт/м². Требуется найти мощность излучения, падающего на площадку площадью A = 2 м², перпендикулярную лучам Солнца. Перпендикулярность важна: в этом случае вся площадка принимает поток без поправки на угол.
Ответ: на площадку падает мощность 2,8 кВт. Если площадка наклонена к лучам, её эффективная мощность будет меньше.
Известны солнечная постоянная S = 1,4 кВт/м² и среднее расстояние от Земли до Солнца R ≈ 1,5 · 10¹¹ м. Считаем, что излучение равномерно распространяется во все стороны и на расстоянии R проходит через сферу площадью 4πR².
Ответ: мощность излучения Солнца примерно равна 4 · 10²⁶ Вт. Приближение основано на равномерном распространении излучения.
Пусть в ходе термоядерных реакций заданная масса m вещества превратилась в энергию. Нужно оценить выделившуюся энергию и помнить, что в реальной реакции Солнца в энергию переходит только небольшая доля массы исходных ядер, а не вся масса.
Ответ: для массы, непосредственно превратившейся в энергию, E = mc²; один килограмм такой массы дал бы 9 · 10¹⁶ Дж. Для исходного вещества результат уменьшают в соответствии с долей η.
Ошибка 1 — считать фотосферу твёрдой поверхностью. Её так воспринимают из-за чётко видимого края солнечного диска, но фотосфера является слоем горячей плазмы. Проверка проста: у Солнца нет твёрдой оболочки, а видимый слой постепенно переходит в атмосферу.
Ошибка 2 — называть термоядерный синтез горением. Такое сравнение возникает потому, что и огонь, и Солнце выделяют тепло и свет, однако химическое горение здесь ни при чём. Нужно проверить, идёт ли речь о соединении ядер и превращении массы в энергию.
Ошибка 3 — путать солнечную постоянную с мощностью Солнца. Солнечная постоянная относится к единице площади на орбите Земли, тогда как мощность характеризует всё излучение звезды. Единицы помогают себя проверить: у постоянной Вт/м², а у мощности Вт.
Ошибка 4 — считать солнечную активность неизменной. Число пятен, сила вспышек и частота выбросов меняются со временем, поэтому Солнце не всегда одинаково спокойно. Проверяя решение, нужно учитывать, что активность описывает переменные явления магнитной природы.
Для понимания темы нужны закон сохранения энергии, понятия мощности и потока, а также связь массы с энергией E = mc². Эти знания позволяют объяснить и происхождение солнечной энергии, и расчёт мощности излучения.
Тема опирается на строение атома и атомного ядра, электрическое отталкивание ядер и ядерные реакции. Без этих представлений трудно понять условия термоядерного синтеза в ядре Солнца.
Знания о солнечном излучении и активности пригодятся при изучении звёзд, космической погоды и влияния Солнца на Землю. Они помогают связать физику микромира с процессами планетарного масштаба.
Почему Солнце светит и не остывает быстро?
В ядре Солнца идут термоядерные реакции, при которых ядра водорода объединяются, а часть их массы превращается в энергию. Огромные размеры Солнца и медленное протекание реакций позволяют ему излучать энергию миллиарды лет.
Где именно в Солнце происходят термоядерные реакции?
Основная часть термоядерных реакций происходит в ядре, где температура и давление особенно велики. Именно там вещество достаточно плотное и горячее, чтобы ядра водорода могли сближаться.
Что называют солнечной постоянной?
Солнечная постоянная — это поток солнечной энергии за единицу времени через единицу площади, перпендикулярной лучам, на среднем расстоянии от Земли до Солнца. У орбиты Земли она равна примерно 1,4 кВт/м².
Есть ли у Солнца твёрдая поверхность?
Твёрдой поверхности у Солнца нет: оно состоит из раскалённого газа и плазмы. Видимый край звезды образует фотосфера — сравнительно тонкий излучающий слой.
Как солнечные вспышки могут повлиять на Землю?
Вспышки и выбросы вещества усиливают поток излучения и заряженных частиц, достигающих околоземного пространства. Это может вызывать магнитные бури, полярные сияния, помехи радиосвязи и сбои в работе спутников.
§ 38. Солнце
