Солнце, как небесное тело

Солнечное корпускулярное излучение оказывает сильное  влияние на Землю, и прежде всего  на верхние слои ее атмосферы и  магнитное поле, вызывая множество  интересных геофизических явлений.

Приборы наблюдения за Солнцем

Для наблюдений Солнца используются специальные инструменты, называемые солнечными телескопами. Мощность излучения, приходящего от Солнца, в  сотни миллиардов раз больше, чем  от самых ярких звезд, поэтому  в солнечных телескопах используют объективы с диаметрами не более  метра, но и в этом случае большое  количество света позволяет использовать сильное увеличение и работать, таким  образом, с изображениями Солнца диаметром до 1 м. Для этого телескоп должен быть длиннофокусным. У крупнейших солнечных телескопов фокусное расстояние объективов достигает сотни метров. Такие длинные инструменты невозможно монтировать на параллактических установках, и обычно их делают неподвижными. Чтобы  направить лучи Солнца в неподвижно расположенный солнечный телескоп, пользуются системой двух зеркал, одно из которых неподвижно, а второе, называемое целостатом, вращается так, чтобы скомпенсировать видимое  суточное перемещение Солнца по небу. Сам телескоп располагают либо вертикально (башенный солнечный телескоп), либо горизонтально (горизонтальный солнечный  телескоп). Удобство неподвижного расположения телескопа заключается еще и  в том, что можно использовать большие приборы для анализа  солнечного излучения (спектрографы, увеличительные камеры, различного типа светофильтры).

Помимо башенных и  горизонтальных телескопов для наблюдений Солнца могут быть использованы обычные  небольшие телескопы с диаметром  объектива не более 20-40 см. Они должны быть снабжены специальными увеличительными  системами, светофильтрами и камерами с затворами, обеспечивающими короткие экспозиции.

Для наблюдения солнечной  короны применяют коронограф, позволяющий  выделять слабое излучение короны на фоне яркого околосолнечного ореола, вызванного рассеянием фотосферного света  в земной атмосфере. По своей сути это обычный рефрактор, в котором  рассеянный свет сильно ослабляется  благодаря тщательному подбору  высококачественных сортов стекла, высокому классу их обработки, специальной оптической схеме, устраняющей большую часть  рассеянного света, и применению узкополосных светофильтров.

Для изучения солнечного спектра помимо обычных спектрографов  широко используются специальные приборы -- спектрогелиографы и спектрогелиоскопы, позволяющие получить монохроматическое  изображение Солнца в любой длине  волны.

Солнечное излучение и влияние  его на Землю

Из общего количества энергии, излучаемой Солнцем в межпланетное пространство, границ земной атмосферы  достигает лишь 1/2000000000 часть. Примерно треть солнечного излучения, падающего  на Землю, отражается ею и рассеивается в межпланетном пространстве. Много  солнечной энергии идет на нагревание земной атмосферы, океанов и суши. Но и остающаяся Доля обеспечивает существование жизни на Земле.

В будущем люди обязательно  научатся непосредственно превращать солнечную энергию в другие виды энергии. Уже применяются в народном хозяйстве простейшие гелиотехнические установки: различные типы солнечных  теплиц, парников, опреснителей, водонагревателей, сушилок. Солнечные лучи, собранные  в фокусе вогнутого зеркала, плавят самые тугоплавкие металлы. Ведутся  работы по созданию солнечных электростанций, по использованию солнечной энергии  для отопления домов и опреснения морской воды. Практическое применение находят полупроводниковые солнечные  батареи, непосредственно превращающие энергию Солнца в электрическую  энергию. Наряду с химическими источниками  тока солнечные батареи используются, например, на искусственных спутниках  Земли и космических ракетах. Все это лишь первые успехи гелиотехники.

Ультрафиолетовые  и рентгеновские лучи исходят  в основном от верхних слоев хромосферы и короны. Это удалось доказать, запуская ракеты с приборами во время  солнечных затмений. Очень горячая  солнечная атмосфера всегда является источником невидимого коротковолнового излучения, но особенно мощным оно бывает в годы максимума солнечной активности. В это время ультрафиолетовое излучение возрастает примерно в  два раза, а рентгеновское -- в  десятки и даже сотни раз по сравнению с излучением в годы минимума. Интенсивность коротковолнового излучения изменяется также ото  дня ко дню, резко возрастая, когда  в хромосфере Солнца происходят вспышки.

Коротковолновое излучение  Солнца оказывает влияние на процессы, происходящие в атмосфере Земли. Так, например, ультрафиолетовые и рентгеновские  лучи частично ионизуют слои воздуха, образуя слой земной атмосферы -- ионосферу. Ионосфера играет важную роль в осуществлении  дальней радиосвязи: радиоволны, идущие от радиопередатчика, прежде чем достичь  антенны приемника, многократно  отражаются от ионосферы и от поверхности  Земли. Состояние ионосферы меняется в зависимости от условий освещения  ее Солнцем и от происходящих на Солнце явлений. Поэтому для обеспечения  устойчивой радиосвязи приходится учитывать  время суток, время года и состояние  солнечной активности. Во время наиболее мощных вспышек на Солнце число ионизованных атомов в ионосфере возрастает и  радиоволны частично или полностью  поглощаются ею. Это приводит к  ухудшению или даже к временному прекращению радиосвязи.

Систематическое исследование радиоизлучения Солнца началось только после второй мировой войны, когда  выяснилось, что Солнце -- мощный источник радиоизлучения. В межпланетное пространство проникают радиоволны, которые излучает хромосфера (сантиметровые волны) и  корона (дециметровые и метровые волны) -- они и достигают Земли.

Радиоизлучение Солнца имеет две составляющие -- постоянную, почти не меняющуюся, и переменную, спорадическую (всплески, «шумовые бури»). Радиоизлучение «спокойного» Солнца объясняется  тем, что горячая солнечная плазма всегда излучает радиоволны наряду с  электромагнитными колебаниями  других длин волн (тепловое радиоизлучение). Во время боль-ших хромосферных вспышек  радиоизлучение Солнца возрастает в  тысячи и даже миллионы раз по сравнению  с радиоизлучением спокойного Солнца. Это радиоизлучение, порожденное  быстропротекающими нестационарными  процессами, имеет нетепловую природу.

Ряд геофизических  явлений (магнитные бури, т. е. кратковременные  изменения магнитного поля Земли, полярные сияния и др.) вызван солнечной активностью. Но эти явления происходят не ранее  чем через сутки после вспышек  на Солнце. Вызываются они не электромагнитным излучением, доходящим до Земли через 8,3 мин, а изверженными корпускулами, которые с опозданием проникают  в околоземное пространство.

Корпускулы испускаются  Солнцем и тогда, когда на нем  нет вспышек и пятен. Непрерывно расширяющаяся корона создает солнечный  ветер, охватывающий движущиеся вблизи Солнца планеты и кометы. Вспышки  сопровождаются «порывами» солнечного ветра. Эксперименты на космических  ракетах и искусственных спутниках  Земли позволили непосредственно  обнаружить солнечные корпускулы в  межпланетном пространстве.

Во время вспышек  в межпланетное пространство проникают  не только корпускулы, но и магнитное  поле -- все это определяет «обстановку» в околоземном космическом пространстве. Так, например, солнечный ветер деформирует  геомагнитное поле, сжимает его и  локализует в пространстве; корпускулы заполняют радиационный пояс. С проникновением корпускул в земную атмосферу  связаны полярные сияния. После вспышек  на Солнце на Земле происходят магнитные  бури. Так, после вспышки 4 августа 1972 г. произошла сильная магнитная  буря, нарушившая радиосвязь на коротких волнах, наблюдались полярные сияния и резкое снижение уровня космических  лучей, которые шли к нам из глубин Галактики и которым преградили путь изверженные Солнцем плазменные потоки (эффект Форбуша).

Проблема «Солнце -- Земля», связывающая солнечную  активность с ее воздействием на Землю, находится на стыке нескольких важнейших  для человечества наук -- астрономии, геофизики, биологии, медицины.Некоторые  части этой комплексной проблемы исследуются уже несколько десятилетий, например ионосферные проявления солнечной  активности. Здесь удалось не только накопить множество фактов, но и  обнаружить закономерности, имеющие  большое значение для осуществления  бесперебойной радиосвязи (выбор  рабочих частот радиосвязи и прогнозы условий радиосвязи).

Давно известно, что  колебания магнитной стрелки  во время магнитной бури особенно заметны в дневное время и  имеют наибольшую амплитуду, иногда достигающую нескольких градусов, в  периоды максимума солнечной  активности. Хорошо известно и то, что  магнитные бури обычно сопровождаются свечением верхних слоев атмосферы. Это полярные сияния -- одно из красивейших  явлений природы. Необычайная игра красок, внезапная смена спокойного свечения стремительным перемещением дуг, полос и лучей, образующих то гигантские шатры, то величественные занавесы, издавна привлекала к себе людей. Полярные сияния, как правило, наблюдаются  в полярных областях земного шара. Но иногда в годы максимумов солнечной  активности их можно наблюдать и  в средних широтах. В полярных сияниях преобладают два цвета: зеленый и красный. Окраска полярных сияний обусловлена излучением атомов кислорода. Существует связь между  явлениями на Солнце и процессами в нижних слоях земной атмосферы. Солнечное излучение воздействует на тропосферу. Выяснение механизма  этого воздействия необходимо для  метеорологии.

В последнее время  все большее внимание ученых привлекают разнообразные явления в биосфере, которые, как показывают наблюдения, связаны с солнечной активностью. Так, биологи отмечают, что в течение 11-летнего цикла солнечной активности происходят изменения в приросте лесонасаждений, условиях существования  отдельных видов животных, птиц, насекомых. Врачи заметили, что в  годы максимума солнечной активности заметно обостряются некоторые  сердечно-сосудистые заболевания и  нервные заболевания. Это, в частности, связывается с обнаруженным влиянием геомагнитного поля на различные  коллоидные системы, включая кровь  человека. Изучение подобных солнечно-земных связей только начинается.Чтобы всесторонне  исследовать явления, происходящие на Солнце, проводятся систематические  наблюдения Солнца на многочисленных обсерваториях. Изучение воздействия Солнца на Землю требует объединения усилий ученых многих стран.

Поразительные особенности

? Одиночная звезда. По оценкам астрономов, 85 процентов звезд, находящихся вблизи Солнца, представляют собой группы из двух и более звезд, вращающихся относительно друг друга. Такие звезды удерживаются вместе благодаря силе тяготения.

Солнце же -- одиночная  звезда. В своей книге «Guide to the Sun» астроном Кеннет Филлипс пишет: «Тот факт, что Солнце -- одиночная  звезда, кажется довольно необычным». Как утверждает Гонсалес, именно поэтому  орбита Земли обладает большей стабильностью, что, в свою очередь, способствует благоприятным  условиям для существования жизни  на нашей планете.

? Массивная звезда. Еще одна особенность, по словам Гонсалеса, приводимым в журнале «Нью сайентист», заключается в том, что «Солнце входит в 10 процентов самых массивных звезд, находящихся поблизости от него». Филлипс отмечает: «Солнце составляет 99,87 процента массы всей Солнечной системы, поэтому его силы тяготения управляют всеми небесными телами этой системы».

Благодаря такой особенности  Солнца Земля находится относительно далеко от него -- на расстоянии 150 миллионов  километров -- и все же удерживается на своей орбите. В свою очередь, такое большое расстояние до Солнца защищает все живое на Земле от испепеляющих солнечных лучей.

? Тяжелые элементы. Гонсалес отмечает, что Солнце содержит на 50 процентов больше тяжелых элементов,-- таких, как углерод, азот, кислород, магний, кремний, железо и прочие,-- чем другие звезды такого же возраста и типа. В этом отношении наше Солнце выделяется на фоне себе подобных. «Содержание тяжелых элементов на Солнце очень низко,-- отмечает Филлипс,-- но на некоторых звездах... содержание тяжелых элементов еще более низкое». Звезды с таким содержанием тяжелых элементов, как у Солнца, составляют отдельную категорию, так называемое звездное население I типа.

Как это влияет на существование жизни на Земле? Дело в том, что тяжелые элементы необходимы для поддержания жизни. Но эти  элементы редкие, они составляют менее  одного процента Вселенной. Однако наша Земля состоит почти полностью  из тяжелых элементов. Почему? Потому что, как утверждают астрономы, Земля  вращается вокруг необычной домашней звезды -- нашего Солнца.

? Менее эллиптическая орбита. Еще одно преимущество Солнца связано с тем, что оно относится к звездному населению I типа. Такие звезды обычно вращаются по почти круговым орбитам вокруг центра Галактики»,-- говорится в книге «Guide to the Sun». Орбита Солнца менее эллиптическая, чем орбиты других звезд такого же типа и возраста. Почему это важно для существования жизни на Земле? Потому что круговая орбита Солнца не позволяет ему внедриться во внутренние области Галактики, где часто происходят вспышки сверхновых (взрывающихся) звезд.