§ 74. Солнце

Определения и обозначения

Солнечная постоянная — поток солнечной энергии, падающий за 1 секунду на площадку площадью 1 м², перпендикулярную солнечным лучам у верхней границы атмосферы Земли. Её обозначают S, а значение у орбиты Земли составляет примерно 1,36·10³ Вт/м². Эта величина позволяет рассчитывать, сколько энергии получает площадка заданной площади.

Фотосфера — видимый слой Солнца, из которого излучается основная часть наблюдаемого света. Это не твёрдая поверхность, а слой горячей плазмы. Его изучение помогает измерять температуру и исследовать такие явления, как солнечные пятна.

Солнечная корона — самая внешняя, разреженная и горячая часть солнечной атмосферы. Она простирается далеко в космос и становится особенно заметной во время полного солнечного затмения. Наблюдения короны нужны для изучения потоков частиц и изменений солнечной активности.

Протон-протонная цепочка — последовательность термоядерных реакций превращения водорода в гелий, служащая главным источником энергии Солнца. В ходе реакций часть массы исходных частиц превращается в энергию. Эта цепочка объясняет, как Солнце может долго поддерживать излучение без химического горения.

Как это устроено

Солнце считают звездой, потому что оно само излучает свет и тепло, а не только отражает чужое излучение. Зная расстояние до него и измеряя поток энергии у Земли, можно оценить полную мощность излучения: энергия распределяется по сфере радиусом, равным расстоянию до Солнца. Видимый угловой размер позволяет определить радиус, а движение планет и действие гравитации дают возможность оценить массу. Так наблюдаемые величины связывают с физическими характеристиками звезды.

Солнечный свет содержит излучение разных длин волн, образующее спектр. В нём наблюдаются линии поглощения: атомы и ионы поглощают свет на характерных для них длинах волн, поэтому по линиям находят химические элементы. Распределение энергии по спектру позволяет оценить температуру фотосферы. Такой анализ показывает и наличие элементов, которые нельзя определить простым наблюдением внешнего вида Солнца.

В центре Солнца находится ядро, где температура и давление особенно велики. Далее следуют области переноса энергии: в лучистой зоне энергия передаётся излучением, а во внешней конвективной зоне вещество перемещается потоками. Над внутренними областями расположены фотосфера, хромосфера и корона, составляющие атмосферу Солнца. По мере удаления от центра плотность в целом уменьшается, а температура сначала падает до фотосферы; в короне она снова очень высока, хотя вещество там крайне разрежено.

В ядре сильное давление и высокая температура позволяют ядрам водорода сближаться и вступать в термоядерные реакции, несмотря на их электрическое отталкивание. В протон-протонной цепочке в итоге образуется гелий, а масса продуктов оказывается немного меньше массы исходных частиц. Разность масс превращается в энергию согласно соотношению E = Δmc². Эта энергия постепенно переносится из глубины наружу и в конце концов излучается в космос.

Плазма Солнца состоит из заряженных частиц, движение которых связано с магнитными полями. Когда магнитные поля усиливаются и меняют конфигурацию, возникают активные области, в том числе солнечные пятна. Резкое высвобождение энергии может вызвать вспышку, а крупные выбросы вещества образуют протуберанцы. Изменения магнитных полей влияют и на корону, поэтому её состояние меняется вместе с солнечной активностью.

Основные физические характеристики Солнца

Таблица помогает отличить величины, относящиеся ко всему Солнцу, от величин, измеряемых у Земли или на его видимом слое. Для расчёта мощности, падающей на площадку, используют солнечную постоянную, а для полной светимости — также расстояние до Солнца. Температура в таблице относится к фотосфере, а не к ядру.

Разбор задач

Мощность излучения на площадке

Условие. Площадка площадью 2,0 м² расположена перпендикулярно солнечным лучам у верхней границы атмосферы. Солнечная постоянная равна 1,36·10³ Вт/м². Нужно найти мощность падающего на площадку излучения.

1. По определению солнечной постоянной на каждый квадратный метр площадки приходится поток 1,36·10³ Вт.
2. Для площади A используем формулу P = SA и подставляем данные: P = 1,36·10³ · 2,0 = 2,72·10³ Вт.
3. Проверяем размерность: Вт/м² умножается на м², поэтому результат выражается в ваттах.

Ответ: P = 2,72·10³ Вт, или 2,72 кВт.

Оценка светимости Солнца

Условие. Солнечная постоянная у Земли составляет 1,36·10³ Вт/м², а среднее расстояние до Солнца — 1,5·10¹¹ м. Оценим полную светимость, считая излучение равномерно распределённым во все стороны.

1. На расстоянии r солнечная энергия проходит через сферу площадью 4πr².
2. На каждом квадратном метре этой сферы поток равен S, поэтому вся мощность L = 4πr²S.
3. Подставляем значения: L ≈ 4π · (1,5·10¹¹)² · 1,36·10³ ≈ 3,8·10²⁶ Вт. Полученный порядок совпадает с известной оценкой светимости.

Ответ: светимость Солнца составляет примерно 3,8·10²⁶ Вт.

Энергия превращения водорода в гелий

Условие. Оценим энергию, выделяющуюся при превращении 1,0 кг водорода в гелий, если дефект массы составляет 0,7%. Для сравнения учтём, что при химическом сгорании топлива обычно высвобождается порядка 10⁷ Дж на килограмм.

1. Дефект массы — доля исходной массы, которая переходит в энергию: Δm = 0,007 · 1,0 кг = 0,007 кг.
2. Используем формулу Эйнштейна E = Δmc², где c ≈ 3,0·10⁸ м/с. Тогда E ≈ 0,007 · (3,0·10⁸)² = 6,3·10¹⁴ Дж.
3. Делим термоядерную энергию на типичную энергию химического топлива: 6,3·10¹⁴ / 10⁷ ≈ 6,3·10⁷. Значит, на единицу массы термоядерное превращение даёт примерно в десятки миллионов раз больше энергии.

Ответ: выделяется около 6,3·10¹⁴ Дж; термоядерный источник намного эффективнее химического.

Типичные ошибки

Солнечную постоянную принимают за полную мощность Солнца. Это разные величины: постоянная показывает поток на единицу площади на расстоянии Земли, а светимость — мощность излучения всей звезды. Путаница возникает из-за того, что обе величины описывают солнечную энергию. Проверка проста: у солнечной постоянной единицы Вт/м², у светимости — Вт.

Считают, что Солнце светит благодаря горению. Слово «гореть» в быту связывают со светом и теплом, но химическая реакция не способна обеспечить наблюдаемую мощность звезды в течение миллиардов лет. Источник энергии Солнца — термоядерные реакции в ядре. Проверьте объяснение: если в нём говорится о кислороде или обычном топливе, оно не описывает механизм солнечного излучения.

Называют фотосферу твёрдой поверхностью. Она выглядит как поверхность диска, поэтому её легко представить оболочкой, но на самом деле это слой горячей плазмы. Солнечное вещество не образует твёрдой границы, по которой можно было бы пройти. Чтобы проверить себя, различайте видимую границу звезды и поверхность твёрдого тела.

Приписывают всему Солнцу температуру около 5800 К. Это приблизительная температура фотосферы, а не всех внутренних слоёв. Ошибка возникает, когда характеристику видимой поверхности распространяют на всю звезду. Уточняйте, о какой области идёт речь: температура ядра значительно выше температуры фотосферы.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, спектрах излучения, теплопередаче, сохранении энергии и связи массы с энергией. Описание Солнца опирается на понятия звезды, плазмы, гравитации, электромагнитного излучения и термоядерной реакции. Эти знания применяются при изучении других звёзд и эволюции Вселенной. Они также помогают разбираться в солнечно-земных связях, космической погоде и источниках энергии.

Что запомнить

• Солнце — ближайшая к Земле звезда, состоящая преимущественно из водорода и гелия.
• Основная энергия Солнца выделяется в ядре при превращении водорода в гелий.
• Солнечное излучение переносит энергию от Солнца к Земле через вакуум.
• Фотосфера — видимый слой Солнца, а корона — его внешняя разреженная атмосфера.
• Солнечная постоянная у верхней границы атмосферы Земли составляет примерно 1,36 кВт/м².
• Солнечные пятна, вспышки и протуберанцы связаны с магнитной активностью Солнца.