Солнце, как небесное тело

Введение

Солнце играет исключительную роль в жизни Земли. Солнце не только источник света и тепла, но и первоначальный источник многих других видов энергии (энергии нефти, угля, воды, ветра).

Всего одна пятисот  миллионная часть энергии Солнца достигает нашей планеты. Но даже этих «крох» с солнечного «стола»  достаточно, чтобы питать и поддерживать все живое на Земле. Но это еще  не все. Если эти «крохи» эффективно использовать, то можно с лихвой удовлетворить энергетические потребности  современного общества.

В большинстве книг по астрономии говорится, что Солнце -- обычная звезда, «типичный представитель  населения космоса». Но на самом  ли деле Солнце во всех отношениях обыкновенное небесное тело? По словам астронома  Гильермо Гонсалеса, наше Солнце уникально.

Каковы же некоторые  особенности нашего Солнца, благодаря  которым оно способно поддерживать жизнь?

Немного из истории

Солнце -- самое знакомое каждому небесное тело. Солнце всегда привлекало к себе внимание людей, но и сегодня ученым приходится признавать, что Солнце таит в себе немало загадок.

Современному представлению  о Солнце предшествовал трудный  многовековой путь человека от незнания к знанию, от явления к сущности, от обожествления Солнца к практическому  использованию его энергии. Было время, когда люди ничего не знали  о размерах Солнца и его температуре, состоянии вещества Солнца и т. д. Не зная о расстоянии до Солнца, древние  принимали видимые размеры за действительные. Гераклит, например, полагал, что «Солнце имеет ширину в  ступню человеческую», Анаксагор весьма неуверенно допускал, что Солнце может  быть большим, чем оно, кажется, и  сравнивал его с Пелопоннесским полуостровом. Совершенно неясной оставалась картина физической природы Солнца. Пифагорейцы, например, его относили к планетам и наделяли хрустальной  сферой. Один из учеников Пифагора -- Филолай (V в. до н. э.), допускавший мысль о  движении Земли, считал, что Солнце не имеет никакого отношения к  «центральному огню», вокруг которого оно, по его мнению, само вращается  вместе с Землей, Луной и пятью  планетами (и вымышленным небесным телом -- «противоземлей») и который  остается невидимым для жителей  Земли. Следует отметить, что подобные выдуманные представления о движении Земли нельзя смешивать с первыми  научными догадками о движении Земли, принадлежащими, по-видимому, Аристарху  Самосскому (III в. до н. э.), который впервые  дал метод определения сравнительных  расстояний до Солнца и Луны. Несмотря на неудовлетворительность полученных результатов (было найдено, что Солнце находится в 19--20 раз дальше от Земли, чем Луна), мировоззренческое и  научное значение их очень велико, так как впервые был научно поставлен и отчасти решен  вопрос об определении расстояния до Солнца. Без принципиально правильного  разрешения этого вопроса не могло  быть и речи о выяснении истинных размеров Солнца. Во II в. до н. э. Гиппарх  находит, что параллакс Солнца (т. е. угол, под которым с расстояния Солнца виден радиус Земли) равен 3, что соответствует расстоянию до него в 1200 земных радиусов, и это  считалось верным, почти восемнадцать веков -- до работ Кеплера, Гевелия, Галлея, Гюйгенса. Последнему (XVII в.) принадлежит  наиболее точное определение расстояния до Солнца (160 млн. км). В дальнейшем исследователи  отказываются от непосредственного  определения параллакса Солнца и  применяют косвенные методы. Так, например, довольно точное значение горизонтального  параллакса получали из наблюдений Марса  в противостоянии или Венеры во время  ее прохождения по диску Солнца.

В XX в. успешные измерения  солнечного параллакса выполнялись  при наблюдениях астероидов. Была достигнута значительная точность в  определении параллакса Солнца (р=8",790±0",001). Солнечный параллакс измеряли и разнообразными другими методами, из которых наиболее точными оказались радиолокационные наблюдения Меркурия и Венеры, выполненные советскими и американскими учеными в начале 60-х годов.

К началу XVII в. относятся  знаменитые телескопические наблюдения Галилеем солнечных пятен, его борьба за доказательство того, что пятна  находятся на поверхности Солнца. Было открыто вращение Солнца, накоплены  данные о ядрах и полутени пятен, обнаружены пятнообразовательные зоны на Солнце. Тем не менее, пятна еще долгое время принимали за вершины гор или продукты вулканических извержений. Более полувека признавалась фантастическая теория Вильяма Гершеля, предложенная им в 1795 г., которая основывалась на подтвердившихся впоследствии представлениях А. Вилсона о том, что пятна -- это углубления в солнечной поверхности. Согласно теории Гершеля, внутреннее ядро Солнца -- холодное, твердое, темное тело, окруженное двумя слоями: облачный внешний слой -- это фотосфера, а внутренний -- играет роль защитного экрана (защищающего ядро от действия огнедышащей фотосферы). Тень пятна -- это просвет холодного ядра Солнца сквозь облачные слои, а полутень -- просветы облачного внутреннего слоя. Гершель сделал следующий общий вывод из своей теории: «С этой новой точки зрения Солнце представляется мне необычно величественной, огромной и яркой планетой; очевидно, это первое или, точнее говоря, единственное первичное тело нашей системы... всего вероятнее, что оно обитаемо, подобно остальным планетам, существами, органы которых приноровлены к особенным условиям, господствующим на этом громадном шаре». Как не похожи эти наивные представления о Солнце на гениальные мысли Ломоносова о природе нашего дневного светила.

Сейчас ученые изучают  природу Солнца, выясняют его влияние  на Землю, работают над проблемой  практического применения неиссякаемой солнечной энергии. Важно и то, что Солнце -- ближайшая к нам  звезда, единственная звезда в Солнечной, системе. Поэтому, изучая Солнце, мы узнаем о многих явлениях и процессах, присущих звездам и недоступных детальному наблюдению из-за огромной удаленности  звезд.

Солнце, как небесное тело

Солнце -- центральное  тело Солнечной системы -- представляет собой очень горячий плазменный шар. Солнце -- ближайшая к Земле  звезда. Свет от него доходит до нас  за 8? мин.

Мощность излучения  Солнца очень велика: она равна 3,8*10²⁰ МВт. На Землю попадает ничтожная часть солнечной энергии, составляющая около половины миллиардной доли. Она поддерживает в газообразном состоянии земную атмосферу, постоянно нагревает сушу и водоемы, дает энергию ветрам и водопадам, обеспечивает жизнедеятельность животных и растений. Часть солнечной энергии запасена в недрах Земли в виде каменного угля, нефти и других полезных ископаемых.

Видимый с Земли  диаметр Солнца составляет около 0,5°, расстояние до него в 107 раз превышает  его диаметр. Следовательно, диаметр  Солнца равен 1 392 000 км, что в 109 раз  больше земного диаметра.

Если сравнить несколько  последовательных фотографий Солнца, то можно заметить, как меняется положение деталей, например пятен  на диске. Это происходит из-за вращения Солнца. Солнце вращается не как  твердое тело. Пятна, находящиеся  вблизи экватора Солнца, опережают  пятна, расположенные в средних  широтах. Следовательно, скорости вращения разных слоев Солнца различны: точки  экваториальной области Солнца имеют  не только наибольшие линейные, но и  наибольшие угловые скорости. Период вращения экваториальных областей Солнца 25 земных суток, а полярных -- более 30.

Солнце представляет собой сферически симметричное тело, находящееся в равновесии. Всюду  на одинаковых расстояниях от центра этого шара физические условия одинаковы, но они заметно меняются по мере приближения к центру. Плотность  и давление быстро нарастают вглубь, где газ сильнее сжат давлением  вышележащих слоев. Следовательно, температура также растет по мере приближения к центру. В зависимости  от изменения физических условий  Солнце можно разделить на несколько  концентрических слоев, постепенно переходящих друг в друга.

В центре Солнца температура  составляет 15 млн. градусов, а давление превышает сотни миллиардов атмосфер. Газ сжат здесь до плотности около 1,5*105 кг/м³. Почти вся энергия Солнца генерируется в центральной области с радиусом примерно в ? солнечного. Через слои, окружающие центральную часть, эта энергия передается наружу. На протяжении последней трети радиуса находится конвективная зона. Причина возникновения перемешивания (конвекции) в наружных слоях Солнца та же, что и в кипящем чайнике: количество энергии, поступающее от нагревателя, гораздо больше того, которое отводится теплопроводностью. Поэтому вещество вынужденно приходит в движение и начинает само переносить тепло.

Все рассмотренные  выше слои Солнца фактически не наблюдаемы. Об их существовании известно либо из теоретических расчетов, либо на основании косвенных данных. Над  конвективной зоной располагаются  непосредственно наблюдаемые слои Солнца, называемые его атмосферой. Они лучше изучены, так как  об их свойствах можно судить из наблюдений.

Солнечная атмосфера  также состоит из нескольких различных  слоев. Самый глубокий и тонкий из них -- фотосфера, непосредственно наблюдаемая  в видимом непрерывном спектре. Фотосфера -- «светящаяся сфера» Солнца -- самый нижний слой его атмосферы, излучающий львиную долю поступающей  от Солнца энергии. Толщина фотосферы  около 300 км. Чем глубже слои фотосферы, тем они горячее. Во внешних, более  холодных слоях фотосферы на фоне непрерывного спектра образуются фраунгоферовы  линии поглощения.

Исследование фраунгоферовых линий позволяет определить химический состав атмосферы Солнца. На Солнце обнаружено более 70 химических элементов. Никаких «неземных» элементов Солнце не содержит. Самые распространенные элементы на Солнце -- водород (около 70% всей массы Солнца) и гелий (29%).

Во время наибольшего  спокойствия земной атмосферы в  телескоп можно наблюдать характерную  зернистую структуру фотосферы. Чередование маленьких светлых  пятнышек -- гранул -- размером около 1000 км, окруженных темными промежутками, создает впечатление ячеистой структуры -- грануляции. Возникновение грануляции связано с происходящей под фотосферой конвекцией. Отдельные гранулы на несколько сотен градусов горячее  окружающего их газа, и в течение  нескольких минут их распределение  по диску Солнца меняется. Спектральные изменения свидетельствуют о  движении газа в гранулах, похожих  на конвективные: в гранулах газ  поднимается, а между ними -- опускается.

Эти движения газов  порождают в солнечной атмосфере  акустические волны, подобные звуковым волнам в воздухе.

Распространяясь в  верхние слои солнечной атмосферы, волны, возникшие в конвективной зоне и в фотосфере, передают им часть  механической энергии конвективных движений и производят нагревание газов  последующих слоев атмосферы  Солнца -- хромосферы и короны. В результате верхние слои фотосферы с температурой около 4500 К оказываются самыми «холодными»  на Солнце. Как вглубь, так и вверх  от них температура газов быстро растет.

Расположенный над  фотосферой слой, называемый хромосферой, во время полных солнечных затмений в те минуты, когда Луна полностью  закрывает фотосферу, виден как  розовое кольцо, окружающее темный диск. На краю хромосферы наблюдаются  выступающие как бы язычки пламени -- хромосферные спикулы, представляющие собою вытянутые столбики из уплотненного газа. Тогда же можно наблюдать  и спектр хромосферы, так называемый спектр вспышки. Он состоит из ярких  эмиссионных линий водорода, гелия, ионизованного кальция и других элементов, которые внезапно вспыхивают во время полной фазы затмения. Выделяя  излучение Солнца в этих линиях, можно получить в них его изображение. В приложении приведена фотография участка Солнца, полученная в лучах  водорода (красная спектральная линия  с длиной волн 656,3 нм). Для излучения  в этой длине волны хромосферы непрозрачна, а потому излучение  глубже расположенной фотосферы  на снимке отсутствует.

Хромосфера отличается от фотосферы значительно более  неправильной неоднородной структурой. Заметно два типа неоднородностей -- яркие и темные. По своим размерам они превышают фотосферные гранулы. В целом распределение неоднородностей  образует так называемую хромосферную сетку, особенно хорошо заметную в линии  ионизованного кальция. Как и  грануляция, она является следствием движений газов в подфотосферной конвективной зоне, только происходящих в более крупных масштабах. Температура  в хромосфере быстро растет, достигая в верхних ее слоях десятков тысяч  градусов.

Самая внешняя и  очень разреженная часть солнечной  атмосферы -- корона, прослеживающаяся от солнечного лимба до расстояний в десятки солнечных радиусов. Она имеет температуру около  миллиона градусов. Корону можно видеть только во время полного солнечного затмения либо с помощью коронографа.

Вся солнечная атмосфера  постоянно колеблется. В ней распространяются как вертикальные, так и горизонтальные волны с длинами в несколько  тысяч километров. Колебания носят  резонансный характер и происходят с периодом около 5 мин.

В возникновении явлений, происходящих на Солнце, большую роль играют магнитные поля. Вещество на Солнце всюду представляет собой  намагниченную плазму. Иногда в отдельных  областях напряженность магнитного поля быстро и сильно возрастает. Этот процесс сопровождается возникновением целого комплекса явлений солнечной  активности в различных слоях  солнечной атмосферы. К ним относятся  факелы и пятна в фотосфере, флоккулы в хромосфере, протуберанцы в короне. Наиболее замечательным явлением, охватывающим все слои солнечной атмосферы  и зарождающимся в хромосфере, являются солнечные вспышки.

В ходе наблюдений ученые выяснили, что Солнце -- мощный источник радиоизлучения. В межпланетное пространство проникают радиоволны, которые излучает хромосфера (сантиметровые волны) и  корона (дециметровые и метровые волны).

Радиоизлучение Солнца имеет две составляющие -- постоянную и переменную (всплески, «шумовые бури»). Во время сильных солнечных вспышек  радиоизлучение Солнца возрастает в  тысячи и даже миллионы раз по сравнению  с радиоизлучением спокойного Солнца. Это радиоизлучение имеет нетепловую природу.

Рентгеновские лучи исходят  в основном от верхних слоев хромосферы и короны. Особенно сильным излучение  бывает в годы максимума солнечной  активности.

Солнце излучает не только свет, тепло и все другие виды электромагнитного излучения. Оно также является источником постоянного  потока частиц -- корпускул. Нейтрино, электроны, протоны, альфа-частицы, а также более  тяжелые атомные ядра все вместе составляют корпускулярное излучение  Солнца. Значительная часть этого  излучения представляет собой более  или менее непрерывное истечение  плазмы -- солнечный ветер, являющийся продолжением внешних слоев солнечной  атмосферы -- солнечной короны. На фоне этого постоянно дующего плазменного  ветра отдельные области на Солнце являются источниками более направленных, усиленных, так называемых корпускулярных потоков. Скорее всего они связаны  с особыми областями солнечной  короны -- коронарными дырами, а также, возможно, с долгоживущими активными  областями на Солнце. Наконец, с солнечными вспышками связаны наиболее мощные кратковременные потоки частиц, главным  образом электронов и протонов. В  результате наиболее мощных вспышек  частицы могут приобретать скорости, составляющие заметную долю скорости света. Частицы с такими большими энергиями называются солнечными космическими лучами.