"Физика (базовый уровень)", Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. / Под ред. Парфентьевой Н.А.
Солнце — ближайшая к Земле звезда и главный источник света и тепла для нашей планеты. Его энергия возникает в недрах при термоядерных превращениях водорода в гелий, а затем переносится к поверхности и излучается в космос. Видимый слой звезды называется фотосферой; над ним расположены хромосфера и корона. Магнитные поля создают пятна, вспышки и другие проявления активности. Изучение солнечного излучения помогает понять свойства звёзд и оценить влияние Солнца на Землю.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Солнечная постоянная — поток солнечной энергии, приходящийся на единицу площади, перпендикулярной лучам, на среднем расстоянии Земли от Солнца. Её значение около 1360 Вт/м²: это означает, что за секунду каждый квадратный метр такой площадки получает примерно 1360 Дж энергии. Эта величина показывает интенсивность солнечного излучения у земной орбиты, а не полную мощность звезды.
Фотосфера — слой Солнца, излучение которого мы воспринимаем как видимую поверхность. Это не твёрдая оболочка: поверхность кажется чёткой потому, что именно из этого слоя к нам выходит большая часть видимого света. Температуру фотосферы можно оценить по её спектру, то есть распределению излучения по длинам волн, сравнив его с тепловым излучением нагретого тела.
Солнечные пятна — сравнительно тёмные области фотосферы, где действуют сильные магнитные поля и температура ниже, чем у окружающих участков. Пятна всё равно излучают свет, но слабее яркого фона, поэтому кажутся тёмными. Их наблюдение помогает отслеживать изменение магнитного состояния Солнца.
Солнечная активность — совокупность меняющихся явлений на Солнце, связанных прежде всего с магнитными полями. К её проявлениям относятся появление и изменение пятен, вспышки и выбросы вещества. Понятие нужно, чтобы описывать, как меняются процессы на Солнце и их воздействие на околоземное пространство.
Солнце излучает энергию, потому что его недра нагреты до огромной температуры, а давление там очень велико. В центральной области ядра водорода сталкиваются с достаточной энергией, чтобы преодолеть электрическое отталкивание и вступить в термоядерные реакции. В результате нескольких превращений образуется гелий, а небольшая часть исходной массы превращается в энергию согласно соотношению E = mc². Энергия, выделяемая в недрах, поддерживает свечение звезды на протяжении миллиардов лет.
Из глубин энергия движется к поверхности, после чего покидает Солнце в виде излучения. Во внутренних слоях перенос идёт главным образом излучением: фотоны многократно поглощаются и испускаются веществом, поэтому их путь наружу занимает много времени. В наружной конвективной области энергию переносят движения горячего вещества вверх и более холодного вниз; этот процесс называют конвекцией. Температура фотосферы определяет спектр и цвет излучения, а максимум излучения Солнца приходится на видимую область, поэтому оно кажется белым, хотя у горизонта может выглядеть желтоватым.
Солнечная атмосфера состоит из фотосферы, хромосферы и короны, которые различаются плотностью, температурой и видимыми проявлениями. Фотосфера — нижний и наиболее яркий из этих слоёв; над ней находится хромосфера, заметная как тонкий красноватый обод. Ещё выше расположена корона — очень разреженная внешняя атмосфера, простирающаяся далеко в космос. Яркий свет фотосферы обычно заслоняет слабые внешние слои, поэтому хромосферу и корону особенно удобно наблюдать во время полного солнечного затмения, когда Луна закрывает фотосферу.
Пятна, вспышки и другие проявления активности возникают из-за сложных магнитных полей Солнца. Магнитные линии могут запутываться и резко перестраиваться, высвобождая энергию; при вспышке нагревается плазма и усиливается излучение. Активность меняется, потому что Солнце вращается не как твёрдое тело: разные широты движутся с разной скоростью, из-за чего магнитное поле со временем усложняется. Число пятен и частота активных событий меняются примерно с одиннадцатилетним периодом, хотя отдельные проявления возникают нерегулярно.
Солнечное излучение и потоки заряженных частиц достигают Земли, но воздействуют на неё по-разному. Излучение освещает поверхность и нагревает планету, а магнитное поле Земли и атмосфера задерживают значительную часть частиц. Вблизи полюсов частицы взаимодействуют с атмосферой и вызывают полярные сияния. Сильные вспышки и потоки частиц способны нарушать радиосвязь, влиять на спутники и создавать помехи в электрических сетях, поэтому состояние Солнца отслеживают заранее.
| Свойство | Фотосфера | Хромосфера | Корона |
|---|---|---|---|
| Положение относительно соседних слоёв | Нижний слой атмосферы, видимая поверхность | Над фотосферой, под короной | Внешний слой атмосферы |
| Видимость и условия наблюдения | Видна постоянно как солнечный диск | Заметна при затмении или специальными приборами | Лучше видна при полном затмении или специальными приборами |
| Характерная температура | Около 5800 K | От нескольких тысяч до десятков тысяч K | Около миллиона K и выше |
| Основные особенности и явления | Зернистая структура, солнечные пятна | Красноватое свечение, протуберанцы | Разреженная плазма, корональные выбросы |
Читайте таблицу по строкам, чтобы сравнить один признак у всех трёх слоёв, или по столбцам, чтобы составить представление об отдельном слое. Температуры указаны приблизительно: внутри каждого слоя условия меняются. Условия наблюдения помогают понять, почему внешние слои трудно увидеть на фоне яркой фотосферы.
Задача 1. Площадка площадью 2 м² расположена на орбите Земли перпендикулярно лучам. Солнечная постоянная равна 1360 Вт/м²; найдём энергию, полученную за 10 минут. Переведём время в секунды: t = 10 · 60 = 600 с. Поскольку вся площадка принимает поток перпендикулярно, используем E = SAt.
Ответ: площадка получит около 1,63 МДж. Если бы её поверхность была наклонена к лучам, перпендикулярная им площадь была бы меньше, и энергия оказалась бы ниже. Поэтому важно учитывать ориентацию площадки относительно потока.
Задача 2. По солнечной постоянной S = 1360 Вт/м² и расстоянию r = 1,50 · 10¹¹ м оценим мощность излучения Солнца. Поток распределяется по сфере радиуса r, центр которой находится в Солнце, поэтому её площадь равна 4πr². Умножение потока на площадь сферы даст полную мощность, проходящую через неё.
Ответ: светимость Солнца составляет примерно 3,8 · 10²⁶ Вт. Мы считаем излучение одинаковым во всех направлениях и пренебрегаем небольшими изменениями расстояния Земли от Солнца. Именно сферическая геометрия связывает измеренный у Земли поток с мощностью всей звезды.
Задача 3. Оценим температуру поверхности Солнца по светимости L = 3,8 · 10²⁶ Вт и радиусу R = 6,96 · 10⁸ м. Приблизим Солнце абсолютно чёрным телом, то есть телом, которое поглощает и излучает энергию максимально эффективно. Его поверхность площадью 4πR² излучает мощность по закону Стефана—Больцмана: L = 4πR²σT⁴, где σ = 5,67 · 10⁻⁸ Вт/(м²·K⁴).
Ответ: температура фотосферы составляет примерно 5800 K. Это оценка, поскольку реальный спектр Солнца не совпадает полностью со спектром идеального абсолютно чёрного тела. Полученное значение согласуется с температурой, которую находят по спектру солнечного света.
Ошибка — считать солнечные пятна холодными телами, которые совсем не излучают свет. Пятна действительно холоднее фотосферы вокруг них, но их температура всё равно высока, и они светятся; контраст делает их тёмными на фоне диска. Проверка: если закрыть окружающую фотосферу, пятно не будет выглядеть абсолютно чёрным.
Солнечную постоянную иногда принимают за полную мощность Солнца. Так происходит из-за того, что обе величины описывают энергию, но постоянная относится к единице площади у орбиты Земли, а светимость — ко всему излучению звезды за секунду. Проверяйте единицы: у потока это Вт/м², у мощности — Вт.
Солнечную энергию ошибочно объясняют химическим горением, похожим на горение топлива. Химические реакции не способны обеспечить наблюдаемую мощность на протяжении миллиардов лет, тогда как ядерные превращения дают гораздо больше энергии на единицу массы. Чтобы проверить объяснение, сопоставьте требуемую энергию с запасом химического топлива и длительностью свечения Солнца.
Фотосферу, хромосферу и корону порой представляют твёрдыми оболочками или смешивают друг с другом. Это разные газовые слои солнечной атмосферы с неодинаковыми условиями и особенностями наблюдения. Проверка простая: фотосфера даёт видимый диск, хромосфера лежит выше неё, а корона является внешней разреженной областью.
Для изучения Солнца нужны понятия звезды, спектра теплового излучения и температуры абсолютно чёрного тела. Поток энергии помогает описывать, сколько излучения получает площадка, а закон Стефана—Больцмана связывает температуру поверхности с мощностью излучения. Эти методы применяют и при определении характеристик других звёзд. Связь активности с магнитными полями важна при изучении магнетизма и космической погоды, воздействующей на Землю.
Почему Солнце светит и откуда берётся его энергия?
В центральной области Солнца высокая температура и давление позволяют ядрам водорода соединяться, образуя гелий. При этом часть массы превращается в энергию, которая постепенно переносится наружу и излучается в пространство.
Почему солнечные пятна кажутся тёмными?
Пятна холоднее окружающей фотосферы, поэтому излучают меньше света на единицу площади. Они не являются тёмными телами: на фоне яркой поверхности Солнца они просто выглядят темнее.
Что такое солнечная постоянная и почему она не равна мощности Солнца?
Солнечная постоянная — поток энергии, приходящийся на квадратный метр поверхности, перпендикулярной солнечным лучам, у орбиты Земли. Мощность Солнца — полная энергия, излучаемая звездой за секунду, поэтому для её нахождения учитывают поток через всю сферу вокруг Солнца.
Почему корона горячее фотосферы?
Температура короны достигает миллионов кельвинов, хотя она находится дальше от солнечных недр, чем фотосфера. Точный механизм её нагрева сложен; существенную роль играют магнитные поля и перенос энергии волнами и движением плазмы.
Как солнечные вспышки могут повлиять на Землю?
Вспышки сопровождаются усилением излучения и иногда выбросами заряженных частиц. Они могут вызывать полярные сияния, нарушения радиосвязи и сбои в работе спутников и электрических сетей.
§ 120. Солнце
