§ 38. Солнце

Определения и обозначения

Солнце — звезда, ближайшая к Земле и расположенная в центре Солнечной системы. Планеты обращаются вокруг него, а его свет и тепло поддерживают условия, необходимые для жизни на Земле. Понимание роли Солнца помогает связать свойства звезды с явлениями, которые мы наблюдаем в Солнечной системе.

Фотосфера — видимый слой газовой оболочки Солнца. Большая часть наблюдаемого солнечного излучения приходит именно оттуда, поэтому по этому свету изучают температуру и другие свойства Солнца. Фотосфера не является твёрдой поверхностью: это слой раскалённого газа.

Хромосфера — слой солнечной атмосферы над фотосферой. Обычно яркий свет фотосферы мешает разглядеть её, поэтому хромосферу наблюдают во время полного солнечного затмения или специальными приборами. Это позволяет изучать атмосферу Солнца отдельно от его яркого видимого слоя.

Корона — внешняя, очень разреженная оболочка солнечной атмосферы. Она простирается на огромное расстояние от Солнца и имеет температуру, значительно превышающую температуру фотосферы. Изучение короны важно для понимания активности Солнца и распространения вещества в межпланетном пространстве.

Как это устроено

Солнце состоит преимущественно из водорода и гелия, потому что именно эти лёгкие элементы преобладают в его веществе. Под действием огромного давления и температуры вещество в недрах становится плазмой — горячим газом из заряженных частиц. Условия внутри звезды постепенно меняются с расстоянием от центра, поэтому Солнце имеет слоистое строение. Различия в плотности и температуре определяют, как энергия переносится к поверхности.

Основной источник солнечной энергии — термоядерные реакции в ядре. Там ядра водорода при высокой температуре и давлении сближаются и в итоге образуют ядро гелия. Масса продуктов реакции немного меньше суммарной массы исходных частиц, и эта разница превращается в энергию согласно соотношению E = mc². Благодаря огромному количеству вещества в ядре реакции поддерживают излучение Солнца в течение миллиардов лет.

Энергия, возникшая в недрах, не сразу выходит наружу: сначала она переносится через внутренние слои, а затем излучается фотосферой. Солнечное излучение распространяется в пространстве, и его поток на единицу площади уменьшается с расстоянием. По измеренному спектру — распределению излучения по длинам волн — оценивают температуру фотосферы и состав вещества. Измерив поток на известном расстоянии, можно также найти полную мощность излучения, то есть светимость Солнца.

Пятна, вспышки и другие изменения поверхности и атмосферы относятся к солнечной активности. Она связана с магнитными полями: движение плазмы создаёт и меняет поля, а накопленная в них энергия может высвобождаться. Пятна выглядят темнее окружающей фотосферы, потому что они холоднее её, но всё равно очень горячие. Вспышки и выбросы вещества могут распространяться в межпланетное пространство и взаимодействовать с магнитным полем Земли.

Наблюдения Солнца дают возможность измерять его радиус, массу, температуру и светимость. Например, угловой размер диска вместе с расстоянием позволяет оценить радиус, а движение планет помогает определить массу Солнца. Изучение спектра раскрывает свойства солнечного вещества, а измерение потока излучения — его мощность. Эти методы применяют и к другим звёздам, поэтому исследование Солнца помогает понять, как звёзды получают энергию и меняются со временем.

Основные характеристики Солнца и его слоёв

Таблица показывает, где расположены основные области Солнца и чем они отличаются. Чтобы объяснить источник энергии, начните с ядра; чтобы понять наблюдаемый свет, обратитесь к фотосфере. Строки о хромосфере, короне и активности помогут сопоставить строение атмосферы с наблюдаемыми явлениями.

Разбор задач

Задача 1. Радиус Солнца равен примерно 696 000 км, а радиус Земли — примерно 6 370 км. Определите, во сколько раз радиус Солнца больше радиуса Земли. Здесь обе величины уже выражены в километрах, поэтому можно сразу вычислить их отношение.

1. Запишем отношение: R☉/RЗ = 696 000/6 370.
2. Разделим числа: 696 000/6 370 ≈ 109,2.
3. Округлим результат до разумного количества значащих цифр: радиус Солнца примерно в 109 раз больше радиуса Земли.

Ответ: примерно в 109 раз. Смысл вычисления — сравнить два радиуса, а не вычесть их. Если исходные данные заданы в разных единицах, сначала нужно привести их к одинаковым.

Задача 2. Поток солнечного излучения у Земли равен примерно 1360 Вт/м², расстояние от Земли до Солнца — 1,50 · 10¹¹ м. Считая, что Солнце излучает одинаково во все стороны, оцените его светимость. Светимость — полная энергия, излучаемая за секунду, то есть мощность Солнца.

1. На расстоянии r излучение распределено по площади сферы 4πr², поэтому F = L/(4πr²).
2. Выразим светимость: L = 4πr²F.
3. Подставим значения: L ≈ 4π · (1,50 · 10¹¹ м)² · 1360 Вт/м² ≈ 3,8 · 10²⁶ Вт.

Ответ: светимость Солнца составляет примерно 3,8 · 10²⁶ Вт. Увеличение расстояния в два раза уменьшает поток в четыре раза, потому что площадь сферы растёт пропорционально квадрату радиуса. Поэтому в расчёте важно использовать расстояние от Солнца до места измерения.

Задача 3. Оцените энергию, которую Солнце выделяет за один год, если его светимость равна 3,8 · 10²⁶ Вт. Найдите также соответствующую потерю массы. Примем длительность года равной 3,16 · 10⁷ с, а скорость света c = 3,0 · 10⁸ м/с.

1. Мощность показывает, сколько энергии выделяется за секунду, поэтому за время t энергия равна E = Lt.
2. Вычислим: E ≈ 3,8 · 10²⁶ · 3,16 · 10⁷ ≈ 1,2 · 10³⁴ Дж.
3. Используем связь массы и энергии E = mc²: Δm = E/c² ≈ 1,2 · 10³⁴/(3,0 · 10⁸)² ≈ 1,3 · 10¹⁷ кг.

Ответ: за год выделяется примерно 1,2 · 10³⁴ Дж, чему соответствует превращение в энергию около 1,3 · 10¹⁷ кг массы. Это не означает, что Солнце теряет всё это вещество как газ: речь идёт об эквиваленте энергии по формуле E = mc². Проверка размерностей помогает не перепутать энергию, измеряемую в джоулях, и массу, измеряемую в килограммах.

Типичные ошибки

Ошибка: считать фотосферу твёрдой поверхностью. Слово «поверхность» может создать такое впечатление, однако фотосфера — видимый слой горячего газа. Это важно, потому что у Солнца нет твёрдой оболочки, как у планеты. Проверьте себя: если речь идёт о фотосфере, описывайте слой вещества и его излучение, а не поверхность, по которой можно ходить.

Ошибка: путать температуру фотосферы и короны. Обычно кажется, что чем дальше от горячих недр, тем холоднее, поэтому корону ошибочно считают более холодной. На деле корона намного горячее фотосферы, хотя её газ очень разрежен. Проверка проста: сравните именно температуры, а не количество вещества или яркость слоёв.

Ошибка: объяснять солнечную энергию горением. Такое объяснение кажется привычным, поскольку огонь тоже даёт свет и тепло. Но химического топлива Солнцу не хватило бы на миллиарды лет; энергия выделяется в термоядерных реакциях в ядре. Для проверки спросите себя, превращается ли водород в гелий и связана ли энергия с изменением массы.

Ошибка: считать пятна холодными объектами. Они кажутся тёмными и поэтому могут восприниматься как холодные участки или отверстия. Пятна лишь холоднее окружающей фотосферы и всё равно имеют очень высокую температуру. Проверяйте формулировку сравнением: «холоднее окружающего» не значит «холодные по земным меркам».

Связь с другими темами

Для понимания Солнца нужны закон сохранения энергии, понятие мощности излучения и основы физики атомного ядра. Формула E = Lt связывает светимость с энергией за время, а E = mc² показывает связь энергии и массы. Законы излучения помогают по свету определять температуру и свойства звёзд, а изучение термоядерных реакций объясняет их энергию. Солнечная активность связывает астрофизику с космической погодой и работой земных технических систем.

Что запомнить

• Солнце — звезда, ближайшая к Земле.
• Основные составляющие Солнца — водород и гелий.
• Энергия Солнца возникает в термоядерных реакциях в его недрах.
• Фотосфера — видимый слой Солнца.
• Хромосфера и корона относятся к солнечной атмосфере.
• Солнечная активность связана с магнитными полями.
• Солнечное излучение определяет условия жизни на Земле.