"Физика (базовый и углублённый уровни)", Грачёв А.В., Погожев В.А., Салецкий А.М., Боков П.Ю.
Солнце — ближайшая к Земле звезда и центральное тело Солнечной системы. Оно состоит главным образом из водорода и гелия, а его мощное излучение поддерживает жизнь и процессы на нашей планете. Энергия звезды выделяется в недрах при превращении водорода в гелий. Чтобы понять, как она достигает поверхности и почему Солнце меняется, нужно разобраться в его внутренних областях, атмосфере и проявлениях солнечной активности.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Солнце — звезда, центральное тело Солнечной системы; оно состоит главным образом из водорода и гелия. Его радиус составляет около 696 000 км, а масса примерно в 333 000 раз больше массы Земли. Солнце излучает свет и тепло, обеспечивая Землю энергией для климата и большинства природных процессов.
Термоядерный синтез — превращение ядер водорода в ядра гелия с выделением энергии в недрах Солнца. Часть исходной массы при этом становится энергией согласно соотношению E = mc². Это понятие объясняет, откуда звезда получает энергию и почему она способна светить очень долго.
Фотосфера — видимый слой атмосферы Солнца, из которого в основном исходит наблюдаемое излучение. Это не твёрдая поверхность, а слой горячей плазмы — вещества из заряженных частиц. По фотосфере мы видим диск Солнца и наблюдаем, например, солнечные пятна.
Солнечная активность — совокупность изменяющихся явлений на Солнце, включая пятна, вспышки и выбросы вещества. Эти явления связаны прежде всего с магнитными полями звезды. Понятие помогает описывать изменения на Солнце и оценивать их возможное влияние на Землю.
Солнце относят к звёздам, потому что оно представляет собой массивное газообразное тело и само производит излучение. Планеты, напротив, не поддерживают такие источники энергии и видны главным образом благодаря отражённому свету. Огромная масса Солнца создаёт сильное притяжение, удерживает вещество и сжимает внутренние области. Поэтому условия в его недрах принципиально отличаются от условий на планетах.
Под действием притяжения солнечное вещество сжимается, а давление и температура в центре становятся чрезвычайно высокими. В ядре температура достигает примерно 15 миллионов градусов, и ядра водорода могут сближаться настолько, чтобы происходил синтез. Энергия реакции не даёт звезде быстро сжаться под собственной тяжестью: давление горячего вещества противодействует гравитации. Так поддерживается равновесие, благодаря которому Солнце устойчиво светит.
В ядре энергия сначала уносится фотонами через зону лучистого переноса. Из-за огромной плотности вещества частицы света многократно поглощаются и переизлучаются, поэтому путь наружу занимает очень долгое время. В конвективной зоне вещество движется: нагретая плазма поднимается, остывшая опускается и снова нагревается. Такое перемешивание эффективно переносит энергию к фотосфере.
Над внутренними областями находится атмосфера Солнца, состоящая из нескольких слоёв. Фотосфера кажется его поверхностью, потому что именно оттуда приходит основная часть видимого света. Выше лежит хромосфера, которую можно наблюдать при специальных условиях, например во время полного затмения; над ней простирается разреженная корона. Корона имеет очень высокую температуру, но из-за малой плотности излучает слабо и обычно теряется в ярком свете фотосферы.
Солнечная активность возникает из-за сложных изменений магнитного поля, которое переносится движущейся плазмой и может становиться особенно сильным в отдельных областях. Магнитные поля подавляют перенос тепла, поэтому участки фотосферы с ними охлаждаются относительно окружения и выглядят как пятна. Резкие перестройки магнитного поля могут сопровождаться вспышками и выбросами вещества. Достигнув окрестностей Земли, потоки частиц и излучения способны возмущать магнитосферу и влиять на связь, навигацию и спутники.
| Область Солнца | Расположение | Основной процесс | Наблюдаемые особенности |
|---|---|---|---|
| Ядро | Центральная область | Термоядерный синтез водорода в гелий | Источник энергии Солнца; непосредственно не видно |
| Зона лучистого переноса | Вокруг ядра | Перенос энергии излучением | Фотоны многократно поглощаются и переизлучаются |
| Конвективная зона | Между зоной лучистого переноса и фотосферой | Перенос тепла движением плазмы | Подъём горячего и опускание остывшего вещества |
| Фотосфера | Видимый слой атмосферы | Излучение энергии в пространство | Солнечный диск, гранулы и пятна |
| Хромосфера | Над фотосферой | Перенос энергии во внешнюю атмосферу | Разреженный слой, заметный при специальных условиях |
| Корона | Внешняя атмосфера | Движение горячей разреженной плазмы | Протяжённая оболочка, видимая при полном затмении |
Читайте таблицу сверху вниз: так прослеживается путь от области выделения энергии к внешним слоям. Последний столбец помогает отличить процессы, происходящие внутри Солнца, от признаков, доступных наблюдению. Атмосферные слои не являются твёрдыми оболочками: это области плазмы с разными свойствами.
Задача 1. Какую мощность излучения получает площадка площадью 2 м², если плотность солнечного излучения у Земли равна 1,36 кВт/м² и лучи падают перпендикулярно площадке? Поскольку лучи направлены по нормали к площадке, вся её площадь перехватывает поток. Используем связь P = I·S, где I — плотность потока, а S — площадь.
Ответ: площадка получает мощность 2,72 кВт. Если бы лучи падали наклонно, эффективная площадь была бы меньше, поэтому в этой задаче важно перпендикулярное падение.
Задача 2. Оценить светимость Солнца по солнечной постоянной 1,36 кВт/м² и расстоянию от Земли до Солнца 1,5·10¹¹ м. Светимость — полная мощность излучения звезды. На расстоянии Земли эта мощность распределяется по поверхности сферы радиусом r, поэтому её площадь равна 4πr².
Ответ: светимость Солнца составляет примерно 3,8·10²⁶ Вт. В расчёте предполагается, что излучение распространяется равномерно во все стороны, а потери по пути не учитываются.
Задача 3. Определить, какая масса вещества в секунду превращается в энергию, если светимость Солнца равна 3,8·10²⁶ Вт. Светимость показывает энергию, излучаемую за секунду, поэтому можно применить соотношение Эйнштейна к скорости выделения энергии. Из E = mc² следует dm/dt = L/c², где c ≈ 3·10⁸ м/с.
Ответ: в энергию переходит масса около 4,2 миллиарда килограммов в секунду. Это не означает, что всё исходное вещество исчезает: продукты синтеза остаются в Солнце, а лишь небольшая доля массы соответствует выделившейся энергии.
Считать, что Солнце горит как обычное топливо, — ошибка: химическое горение не объяснило бы его огромную мощность и длительность свечения. Её допускают, потому что в быту «горит» часто означает просто «светит». Проверка проста: источник энергии Солнца — ядерная реакция, а не соединение с кислородом.
Называть фотосферу твёрдой поверхностью неверно: это видимый слой плазмы, то есть горячего ионизованного газа. Иллюзия поверхности возникает потому, что солнечный диск имеет чёткую границу для наблюдателя. Чтобы проверить себя, вспомните, что у Солнца нет твёрдой оболочки, по которой можно было бы пройти.
Солнечные пятна — не холодные тёмные тела, а сравнительно более холодные участки фотосферы. Их называют тёмными из-за контраста с более ярким окружением, хотя температура там всё равно очень высока. Если сомневаетесь, сравните два понятия: «холоднее соседних областей» не означает «холодные вообще».
При расчётах излучения нельзя забывать квадрат расстояния: поток от источника убывает как 1/r². Ошибка возникает, когда расстояние считают линейным множителем, хотя энергия распределяется по всё большей поверхности сферы 4πr². Проверьте формулу: если расстояние увеличить в два раза, плотность потока станет в четыре раза меньше.
Для понимания источника солнечной энергии нужны знания о строении атома, ядерных реакциях, энергии связи и законе сохранения энергии. Перенос и наблюдение излучения связывают тему с электромагнитными волнами, спектрами и законами теплового излучения. Солнечная активность продолжает изучение магнитных явлений: она помогает понять космическую погоду и воздействие на магнитное поле Земли. Эти знания применяют, оценивая влияние Солнца на атмосферу, связь и технику.
Почему Солнце светит миллиарды лет и не расходует обычное топливо?
Солнце не горит в химическом смысле: его энергия возникает главным образом при термоядерном синтезе в ядре. При превращении водорода в гелий часть массы переходит в энергию по формуле E = mc². Запас водорода и огромные размеры звезды позволяют этому процессу идти миллиарды лет.
Почему на Солнце есть пятна, если его поверхность очень горячая?
Пятна — области фотосферы, которые холоднее окружающих участков, а не холодные тела. Поэтому они излучают меньше света и кажутся тёмными на фоне яркой поверхности. Их появление связано с сильными магнитными полями, затрудняющими перенос тепла.
Что находится внутри Солнца и где выделяется энергия?
Внутри Солнца находятся ядро, зона лучистого переноса и конвективная зона. Энергия выделяется в ядре, где температура и давление достаточно велики для термоядерного синтеза. Затем она переносится к поверхности излучением и движением плазмы.
Чем фотосфера отличается от хромосферы и короны?
Фотосфера — яркий видимый слой, откуда в основном приходит наблюдаемое излучение Солнца. Над ней расположена хромосфера, а выше — разреженная и очень протяжённая корона. Эти внешние слои обычно трудно увидеть на фоне яркой фотосферы, но корона заметна во время полного солнечного затмения.
Как солнечные вспышки влияют на Землю и деятельность человека?
Вспышки и выбросы вещества могут усиливать возмущения магнитосферы Земли. Это вызывает геомагнитные бури, влияет на радиосвязь, навигацию и работу спутников, а также может создавать дополнительную нагрузку на энергосистемы. Атмосфера и магнитное поле защищают поверхность Земли от большей части опасного излучения и частиц.
§ 85. Солнце
