71. Солнце

Определения и обозначения

Солнце — ближайшая к Земле звезда, расположенная в центре Солнечной системы. Планеты обращаются вокруг него, а его притяжение удерживает их на орбитах. Солнце излучает собственный свет и тепло, поэтому служит главным источником энергии для Земли.

Фотосфера — видимый слой солнечной атмосферы, который мы воспринимаем как поверхность Солнца. Именно от него приходит основная часть наблюдаемого излучения. Фотосфера не является твёрдой оболочкой: это слой раскалённого газа, по которому можно судить о видимом облике звезды.

Солнечная активность — изменчивые явления на Солнце, связанные с изменениями его магнитных полей. К её проявлениям относятся солнечные пятна и вспышки. Наблюдение активности помогает понять процессы в солнечной атмосфере и оценивать их влияние на околоземное пространство.

Солнечная постоянная — поток солнечной энергии за единицу времени, приходящийся на единицу площади, перпендикулярной лучам, у верхней границы атмосферы Земли. Её значение составляет примерно 1,4 кВт/м². Эта величина позволяет вычислять мощность, получаемую площадкой, а также оценивать полную мощность излучения Солнца.

Как это устроено

Солнце излучает энергию потому, что в его недрах чрезвычайно высоки температура и давление. При таких условиях ядра водорода сближаются и в результате термоядерных реакций образуют ядра гелия. Часть массы при этом превращается в энергию, согласно связи E = mc². Поэтому Солнце не «горит» как топливо при химическом горении: его источник энергии находится в ядре и действует на протяжении очень долгого времени.

Энергия, выделившаяся в ядре, должна пройти через внутренние слои, прежде чем покинуть Солнце. В зоне переноса излучением энергия передаётся постепенно: вещество поглощает и вновь испускает излучение, направляя его наружу. Выше находится конвективная зона, где нагретое вещество поднимается, а остывшее опускается. Такое перемешивание переносит энергию к внешним слоям эффективнее, чем одно только движение излучения.

Фотосфера, хромосфера и корона различаются плотностью, температурой и тем, как их наблюдают. Фотосфера — сравнительно плотный видимый слой, откуда приходит большая часть света Солнца. Над ней находится хромосфера, а ещё выше — чрезвычайно разреженная корона, простирающаяся далеко в космос. Их слабое свечение обычно теряется на фоне яркой фотосферы, поэтому хромосферу и корону наблюдают при затмении или с помощью специальных приборов.

Магнитные поля Солнца изменяются и могут сосредоточиваться в отдельных областях. Там, где сильное магнитное поле затрудняет перенос тепла к поверхности, возникают солнечные пятна: они холоднее окружающей фотосферы, но всё равно очень горячие. Вспышки связаны с быстрым изменением магнитных полей и резким выделением энергии. Совокупность таких явлений называют солнечной активностью; она также проявляется в изменениях солнечного излучения и потоков частиц.

Излучение распространяется от Солнца во все стороны, поэтому у Земли оно распределено по поверхности воображаемой сферы радиусом, равным расстоянию между планетой и звездой. Солнечная постоянная характеризует поток, проходящий через единицу площади, поставленной перпендикулярно лучам, у верхней границы атмосферы. Для площадки площадью S в таком положении мощность равна P = IS. Если площадка наклонена, на неё попадает меньше энергии: эффективная площадь определяется проекцией площадки на плоскость, перпендикулярную лучам.

Основные характеристики и явления Солнца

Таблица показывает, где расположены основные области Солнца и чем они отличаются. Двигайтесь от ядра к внешним слоям, чтобы проследить путь энергии, а затем сопоставьте солнечную активность с её магнитной причиной. Столбец о значении помогает связать строение Солнца с наблюдаемыми явлениями.

Разбор задач

1. Почему Солнце — звезда, а не планета?

Планеты видны потому, что отражают свет звезды, а звёзды излучают собственную энергию. Нужно выяснить, к какой из этих двух групп относится Солнце. Для этого сравним происхождение его света с тем, как становится видимой планета.

1. Солнце излучает собственный свет благодаря термоядерным реакциям в недрах.
2. Планеты Солнечной системы не производят сравнимого с этим собственного видимого излучения, а отражают падающий на них солнечный свет.
3. Следовательно, Солнце — звезда, а не планета.

Ответ: Солнце является звездой, потому что самостоятельно излучает энергию, тогда как планеты в основном отражают его свет.

2. Мощность, падающая на площадку площадью 2 м²

Дано: солнечная постоянная I = 1,4 кВт/м², площадь S = 2 м². Площадка расположена перпендикулярно лучам, поэтому солнечная постоянная применяется напрямую, без поправки на наклон. Найдём мощность, то есть энергию, поступающую на площадку за одну секунду.

1. Запишем связь потока с мощностью: P = IS.
2. Подставим значения: P = 1,4 кВт/м² · 2 м² = 2,8 кВт.
3. Проверим единицы: квадратные метры сокращаются, остаются киловатты.

Ответ: на площадку падает мощность 2,8 кВт.

3. Полная мощность излучения Солнца

Дано: I = 1,4 кВт/м² = 1400 Вт/м², r = 1,5·10¹¹ м. Считаем, что излучение равномерно распространяется во все стороны. На расстоянии r энергия проходит через сферу площадью 4πr², поэтому поток через каждый квадратный метр умножаем на площадь всей сферы.

1. Запишем формулу: L = I · 4πr².
2. Вычислим площадь сферы: 4π(1,5·10¹¹ м)² ≈ 2,83·10²³ м².
3. Найдём мощность: L ≈ 1400 Вт/м² · 2,83·10²³ м² ≈ 4,0·10²⁶ Вт.
4. Проверим порядок величины и единицы: метры в квадрате сокращаются, остаются ватты.

Ответ: полная мощность излучения Солнца составляет примерно 4,0·10²⁶ Вт.

Типичные ошибки

Считать фотосферу твёрдой поверхностью. Такое представление возникает потому, что с Земли Солнце выглядит как диск с чётким краем. Но фотосфера — слой солнечной атмосферы, а не твёрдая оболочка. Проверьте себя: речь идёт о раскалённом газе, и к нему нельзя приложить понятие обычной поверхности планеты.

Объяснять энергию Солнца химическим горением. Такую ошибку допускают, перенося на звезду привычный пример костра или пламени. В действительности энергия выделяется в термоядерных реакциях в ядре, где водород превращается в гелий. Для проверки спросите себя, есть ли у химического горения источник энергии, способный поддерживать излучение звезды в течение миллиардов лет.

Считать солнечные пятна холодными объектами. На изображении пятна кажутся почти чёрными, поэтому их легко принять за холодные участки или предметы. Они холоднее окружающей фотосферы, но остаются очень горячими. Проверка проста: сравнивайте температуру пятна с температурой соседнего участка Солнца, а не с комнатной температурой.

Применять солнечную постоянную к наклонной площадке без поправки. Это происходит, когда не учитывают, что поток задан для площади, перпендикулярной лучам. При наклоне эффективная площадь меньше, потому что лучам открыта лишь проекция площадки. Чтобы проверить расчёт, сравните ориентацию: максимальная мощность получается при перпендикулярном падении, а при скользящем — уменьшается.

Связь с другими темами

Для понимания источника солнечной энергии нужны знания о строении атома и ядра, а также о термоядерных реакциях. Понятия энергии, мощности и потока энергии помогают объяснять перенос излучения и решать задачи с солнечной постоянной. Изучение Солнца подготавливает к теме других звёзд и их эволюции, а сведения о солнечной активности позволяют обсуждать её влияние на Землю.

Что запомнить

• Солнце — звезда, ближайшая к Земле.
• Главный источник энергии Солнца — термоядерные реакции в его недрах.
• Энергия переносится из недр к поверхности излучением и конвекцией.
• Фотосфера — видимый слой солнечной атмосферы.
• Пятна и вспышки связаны с магнитными полями и солнечной активностью.
• Солнечная постоянная характеризует поток солнечной энергии у орбиты Земли.