§ 23. Солнце

Определения и обозначения

Солнце — ближайшая к Земле звезда, то есть массивное небесное тело, которое излучает собственный свет. Оно даёт планетам Солнечной системы свет и тепло, поэтому от его энергии зависят многие процессы на Земле. Понимание роли Солнца помогает связать свойства звёзд с условиями жизни и явлениями на нашей планете.

Фотосфера — видимый слой Солнца, от которого к нам приходит основная часть его излучения. Это не твёрдая поверхность, а раскалённый газ, излучающий свет. Понятие фотосферы нужно, чтобы различать наблюдаемый внешний слой и горячие области, скрытые глубже внутри звезды.

Солнечная постоянная — поток солнечной энергии за единицу времени через единицу площади, перпендикулярной солнечным лучам, у орбиты Земли. Её значение составляет примерно 1,4 кВт/м². Эта величина позволяет рассчитывать энергию, падающую на площадку, и оценивать полную мощность излучения Солнца.

Солнечная активность — совокупность меняющихся явлений на Солнце, включая появление пятен и вспышек. Она связана с изменениями магнитных полей и со временем становится сильнее или слабее. Это понятие помогает описывать непостоянство солнечных явлений и оценивать их возможные последствия для Земли.

Как это устроено

Солнце считают звездой, потому что оно само излучает энергию, а не просто отражает свет другого тела. При этом оно выглядит гораздо ярче звёзд на ночном небе главным образом из-за близости к Земле. Радиус Солнца составляет примерно 696 000 км, масса — около 2 × 10³⁰ кг, а расстояние до Земли — около 150 млн км. Температура фотосферы близка к 5800 К, а в центре достигает примерно 15 млн К.

Солнечный диск, который мы видим, образован фотосферой, потому что её излучение выходит в космос и достигает наблюдателя. Внутри звезды вещество значительно плотнее и горячее, а к внешним слоям температура в целом снижается. У Солнца нет твёрдой границы: раскалённый газ постепенно становится менее плотным, поэтому фотосфера — условно выделяемый видимый слой. Такое строение объясняет, почему наблюдать поверхность можно, но нельзя считать её твёрдой оболочкой.

Энергию Солнца обеспечивают термоядерные реакции в его центральной области. При очень высокой температуре ядра водорода сближаются и в итоге образуют ядра гелия; масса продуктов реакции немного меньше массы исходных частиц. Разность превращается в энергию согласно связи массы и энергии, а затем переносится из глубин к внешним слоям и излучается. Именно поэтому Солнце может долго светить без химического горения.

Излучение распространяется от Солнца через пространство и достигает Земли примерно за восемь минут. По мере удаления от источника одна и та же энергия распределяется по всё большей площади, поэтому поток на единицу площади уменьшается. Солнечная постоянная характеризует этот поток на расстоянии орбиты Земли для площадки, расположенной перпендикулярно лучам; её значение приблизительно равно 1,4 кВт/м². Если площадка наклонена к лучам, на каждый квадратный метр её поверхности приходится меньшая мощность.

В солнечной плазме движутся заряженные частицы, а их движение связано с магнитными полями. Там, где магнитное поле сильнее, перенос тепла к фотосфере может быть менее эффективным, и возникают солнечные пятна: они холоднее соседних участков, поэтому выглядят темнее. Перестройки магнитного поля способны сопровождаться вспышками и выбросами вещества. Изменчивость этих явлений и называют солнечной активностью.

Основные характеристики Солнца

Таблица помогает сравнить размеры, температуры и энергетические характеристики Солнца. При решении задач сначала выбирайте строку с нужной величиной и проверяйте, в каких единицах она дана. Температуру центра и фотосферы нельзя путать: они относятся к разным областям звезды.

Разбор задач

Задача 1. Солнечная постоянная равна примерно 1,4 кВт/м². Какую мощность получает площадка площадью 2 м², перпендикулярная солнечным лучам у орбиты Земли? Поскольку площадка расположена перпендикулярно лучам, на каждый её квадратный метр приходится полный поток, равный солнечной постоянной. Мощность находим умножением потока на площадь.

1. Записываем данные: S = 1,4 кВт/м², A = 2 м².
2. Используем формулу P = S·A: P = 1,4 × 2 = 2,8 кВт.
3. Проверяем единицы: м² сокращаются, остаются киловатты.

Ответ: площадка получает мощность 2,8 кВт.

Задача 2. Оценить мощность излучения Солнца, проходящего через сферу радиусом, равным расстоянию от Солнца до Земли. Солнечная постоянная задаёт поток на каждом квадратном метре сферы на этом расстоянии. Площадь сферы равна 4πr², поэтому полную мощность получаем умножением потока на площадь.

1. Берём S = 1,4 × 10³ Вт/м² и r ≈ 1,5 × 10¹¹ м.
2. Находим площадь: 4πr² ≈ 2,8 × 10²³ м².
3. Вычисляем мощность: L = S·4πr² ≈ 3,9 × 10²⁶ Вт.

Ответ: через такую сферу проходит примерно 4 × 10²⁶ Вт. Это оценка полной мощности излучения Солнца, если считать его излучение равномерно распределённым во всех направлениях.

Задача 3. Оценить энергию, которую Солнце излучает за заданное время, если известны солнечная постоянная и расстояние от Солнца до Земли. Сначала нужно найти мощность излучения через сферу радиусом r, как в предыдущей задаче. Затем мощность умножают на время: так учитывается, сколько энергии излучается каждую секунду на протяжении всего промежутка.

1. Записываем формулу полной мощности: L = 4πr²S.
2. Подставляем S ≈ 1,4 × 10³ Вт/м² и r ≈ 1,5 × 10¹¹ м, получая L ≈ 3,9 × 10²⁶ Вт.
3. Для времени t вычисляем энергию по формуле E = L·t, предварительно выразив t в секундах.

Ответ: E ≈ 3,9 × 10²⁶·t Дж, если t задано в секундах. Если время дано в минутах или часах, перед умножением его нужно перевести в секунды.

Типичные ошибки

Фотосферу иногда называют твёрдой поверхностью, потому что именно она видна как край солнечного диска. На самом деле это слой раскалённого газа, и опереться на него невозможно. Ошибка возникает из-за бытового значения слова «поверхность». Проверь себя: если вещество газообразное, видимая граница не означает наличие твёрдой оболочки.

Неверно объяснять солнечное излучение химическим горением. Горение требует топлива и химических превращений, тогда как энергию Солнца главным образом дают термоядерные реакции в его недрах. Такое заблуждение появляется из-за сходства слов «горит» и «светит». Проверь себя, спросив, какой процесс превращает часть массы в энергию.

Солнечную постоянную нельзя без поправки умножать на площадь наклонённой площадки. Её значение относится к единице площади, перпендикулярной лучам; наклон уменьшает площадь, на которую фактически падает тот же пучок. Ошибка возникает, если не учитывать ориентацию поверхности. Перед расчётом проверь, перпендикулярна ли площадка лучам или требуется учесть угол.

Солнечные пятна — не холодные предметы, а более прохладные области фотосферы. Они кажутся тёмными рядом с окружающими участками, потому что при более низкой температуре излучают меньше света. Слово «холодные» здесь понимают относительно, а не как указание на низкую температуру в обычном смысле. Проверь себя: сравнивай температуру пятна с температурой соседней фотосферы, а не с земными условиями.

Связь с другими темами

Для понимания солнечных процессов нужны закон сохранения энергии, понятие мощности и основы строения атомного ядра: они объясняют, как энергия выделяется и переносится. Солнечное излучение помогает разбираться в нагреве Земли, климатических процессах и принципах работы солнечных батарей. Представления о термоядерных реакциях пригодятся при изучении ядерной физики. Они также нужны, чтобы понять эволюцию звёзд и сравнить Солнце с другими звёздами.

Что запомнить

• Солнце — звезда, ближайшая к Земле.
• Основная часть солнечного излучения выходит из фотосферы.
• Энергия Солнца образуется в термоядерных реакциях в его недрах.
• Солнечная постоянная характеризует поток энергии у орбиты Земли.
• Солнечные пятна связаны с магнитной активностью и холоднее окружающей фотосферы.
• Солнечная активность меняется со временем и сопровождается вспышками.