"Физика (базовый и углублённый уровни) (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.; под ред. Орлова В.А. (ч.1); Генденштейн Л.Э., Кошкина А.В., Левиев Г.И. (ч. 2)
Солнце — ближайшая к Земле звезда и главный источник света и тепла на нашей планете. Это огромный шар раскалённой плазмы, состоящий главным образом из водорода и гелия. В его ядре энергия возникает при термоядерном превращении водорода в гелий, а затем переносится к поверхности и излучается в космос. Строение Солнца, его излучение и магнитная активность помогают понять работу звёзд и влияние космической погоды на Землю.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Солнце — звезда, состоящая преимущественно из водорода и гелия и являющаяся главным источником энергии для Земли. Оно излучает свет и тепло благодаря процессам в недрах, а не химическому горению. Поэтому изучение Солнца помогает понять устройство других звёзд.
Фотосфера — видимый слой Солнца, излучение которого воспринимается как солнечный свет. Это не твёрдая поверхность, а слой раскалённой плазмы. По фотосфере наблюдают грануляцию, пятна и другие проявления активности.
Протон-протонная цепочка — последовательность термоядерных реакций, при которых водород превращается в гелий с выделением энергии. В результате масса образовавшегося ядра гелия немного меньше массы исходных частиц. Эта разность масс и становится источником энергии Солнца.
Солнечная активность — совокупность изменяющихся явлений на Солнце: пятен, вспышек, протуберанцев и выбросов вещества. Она связана с движением плазмы и изменениями магнитного поля. Активность влияет на космическое пространство и может отражаться на работе земных технологий.
Солнце сохраняет почти шарообразную форму, потому что действуют две противоположные причины. Сила тяжести сжимает плазму к центру, а давление горячего вещества направлено наружу и препятствует сжатию. При равновесии этих воздействий Солнце не распадается и не сжимается быстро.
Термоядерные реакции возможны в ядре из-за огромных температуры и плотности. Быстро движущиеся ядра водорода часто сталкиваются, а их сближению способствует высокая концентрация вещества. При соединении нескольких протонов через ряд превращений образуется ядро гелия, выделяются энергия и нейтрино.
Энергия из центра достигает поверхности не одним способом. В лучистой зоне фотоны многократно поглощаются и переизлучаются, поэтому энергия медленно продвигается наружу. Во внешней конвективной зоне горячая плазма поднимается, остывает и опускается, перенося энергию потоками вещества.
Солнце излучает энергию миллиарды лет, потому что имеет огромный запас водорода. За один цикл реакций в энергию превращается лишь небольшая доля исходной массы, поэтому топливо расходуется постепенно. Связь между потерей массы и выделением энергии задаёт формула E = Δmc².
Магнитное поле Солнца возникает и изменяется из-за движения проводящей плазмы. Неоднородные магнитные поля подавляют перемешивание вещества в отдельных областях, поэтому там появляются более тёмные пятна. При резком перестроении поля высвобождается энергия, вызывая вспышки и выбросы плазмы.
| Область или явление | Что происходит | Основной признак | Роль |
|---|---|---|---|
| Ядро | Идут термоядерные реакции водорода | Самые высокие температура и плотность | Главный источник энергии |
| Лучистая зона | Энергия переносится поглощением и переизлучением фотонов | Вещество перемешивается слабо | Медленный перенос энергии наружу |
| Конвективная зона | Плазма движется потоками вверх и вниз | Наблюдается конвекция | Доставка энергии к фотосфере |
| Фотосфера | Излучается видимый свет | Видимый слой Солнца | Формирует наблюдаемый солнечный диск |
| Хромосфера | Происходят процессы в разреженной плазме над фотосферой | Видна особенно хорошо при затмениях | Переход к внешней атмосфере |
| Корона | Движется чрезвычайно разреженная горячая плазма | Простирается далеко в космос | Источник солнечного ветра |
| Солнечные пятна и вспышки | Изменяется магнитное поле и выделяется энергия | Пятна темнее фотосферы, вспышки яркие | Проявления солнечной активности |
Таблицу удобно читать от центра к внешним слоям: сначала возникает энергия, затем она переносится и выходит через фотосферу. Последние строки описывают не отдельные слои, а наблюдаемые явления, связанные с магнитным полем. Сравнение признаков помогает не путать область Солнца с проявлением его активности.
Условие. Радиус Солнца R = 6,96·10⁸ м, эффективная температура поверхности T = 5800 К. Нужно найти мощность излучения, или светимость L. Используем постоянную Стефана—Больцмана σ = 5,67·10⁻⁸ Вт/(м²·К⁴).
Условие. Светимость Солнца L = 3,8·10²⁶ Вт, расстояние до Земли r = 1,5·10¹¹ м. Требуется определить солнечную постоянную, то есть поток энергии за секунду через площадку площадью 1 м².
Условие. В термоядерной реакции участвует 1,0 кг водорода, а дефект массы составляет 0,7%. Найдём выделившуюся энергию. Нужно помнить, что в энергию превращается не вся масса, а только её доля.
Ошибка: считать, что Солнце горит как костёр. Так думают из-за слов «топливо» и «выделение тепла», но в недрах идёт термоядерный синтез; проверить себя можно по наличию формулы E = Δmc².
Ошибка: представлять фотосферу твёрдой поверхностью. Фотосфера — видимый слой плазмы, поэтому у неё нет обычной границы твёрдого тела; достаточно спросить себя, может ли на ней существовать поверхность, на которую можно встать.
Ошибка: утверждать, что энергия из ядра переносится только конвекцией. Сначала преобладает лучистый перенос, а конвекция характерна для внешней зоны; правильный порядок указан в схеме областей Солнца.
Ошибка: называть солнечные пятна холодными. Они холоднее окружающей фотосферы, но их температура всё равно составляет тысячи кельвинов; сравнивать нужно не с комнатной температурой, а с соседними участками Солнца.
Для понимания темы нужны знания о строении атома, ядерных реакциях, дефекте массы и связи массы с энергией. Эти понятия объясняют, почему при превращении водорода в гелий возникает энергия.
Расчёты опираются на законы излучения, температуру, мощность и плотность потока энергии. Поэтому при решении задач важно различать полную светимость звезды и поток, приходящийся на единицу площади.
Знания о Солнце пригодятся при изучении звёзд, термоядерной энергетики и космической погоды. Они также помогают понять влияние солнечной активности на магнитное поле Земли, связь и спутниковые системы.
Почему Солнце не остывает за несколько миллиардов лет?
В недрах Солнца постоянно выделяется энергия при превращении водорода в гелий. Запас водорода огромен, а реакции идут постепенно, поэтому звезда может поддерживать излучение миллиарды лет.
Почему в центре Солнца возможны термоядерные реакции?
В центре Солнца очень высоки температура и плотность. Частицы движутся быстро, а ядра водорода часто сближаются настолько, что при участии ядерных сил могут соединяться.
Чем солнечное излучение отличается от излучения нагретого тела на Земле?
Солнце излучает энергию благодаря не только высокой температуре, но и термоядерным реакциям, поддерживающим эту температуру. Нагретое тело на Земле обычно получает энергию извне и постепенно остывает.
Почему появляются солнечные пятна и вспышки?
Их возникновение связано с неоднородностями магнитного поля Солнца. В области пятен плазма движется иначе и поверхность оказывается холоднее, а вспышки возникают при резком высвобождении магнитной энергии.
Как солнечная активность влияет на Землю?
Вспышки и выбросы вещества изменяют поток заряженных частиц, достигающий Земли. Это может вызывать полярные сияния, магнитные бури, помехи радиосвязи и сбои в работе спутников.
§ 38. Солнце
