§ 18.  ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СОЛНЦЕ

 

1. Введение. Солнце играет исключительную роль в жизни Земли. Весь органический мир нашей планеты обя­зан Солнцу своим существованием. Солнце — не только источник света и тепла, но и первоначальный источник многих других видов  энергии  (энергии  нефти,  угля,  воды, ветра).

Издавна у разных народов Солнце было объектом покло­нения. Его считали самым могущественным божеством. Культ непобедимого Солнца был одним из самых распро­страненных (Гелиос — греческий бог Солнца, Аполлон — бог Солнца у римлян, Митра — у персов, Ярило — у славян и т. д.). В честь Солнца воздвигали храмы, слагали гимны, приносили жертвы. Ушло в прошлое религиозное поклоне­ние дневному светилу. Сейчас ученые исследуют природу Солнца, выясняют его влияние на Землю, работают над про­блемой применения практически неиссякаемой солнечной энергии.

Солнце — это наша звезда. Изучая Солнце, мы узнаем о многих явлениях и процессах, происходящих на других звездах и недоступных непосредственному наблюдению из-за огромных расстояний, которые отделяют нас от звезд.

 

2. Вид Солнца в телескоп (рис. 66). Наблюдения Солнца требуют большой    осторожности. Нельзя смотреть  на Солнце, не защитив глаза очень плотным (темным) свето­фильтром!  Но   даже  со  светофильтром  не рекомендуется смотреть  на Солнце в школьный телескоп. Лучше устано­вить на окулярном конце телескопа экран с листом белой бумаги и рассматривать изображение Солнца на экране. Это позволит увидеть на Солнце темные пятна (солнечные пятна) и светлые участки (факелы),   которые замет­нее вокруг пятен вблизи края солнечного диска. На совре­менных  обсерваториях для  наблюдения  Солнца применяют телескопы специальных конструкций — солнечные телескопы. Таким телескопом   оснащена,    например, Крымская астрофизическая обсерватория (рис.  67).

Рис. 66. Вид Солнца в год его активности.

Рис. 67.  Солнечный телескоп.

3. Вращение Солнца. Если сравнить несколько последо­вательных фотографий Солнца, то можно заметить, как ме­няется положение всех 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. Экваториальные области делают один оборот вокруг оси Солнца за 25 земных суток, а области вблизи полюсов Солнца — примерно за 30 суток. Линейная скорость враще­ния на экваторе Солнца составляет 2 км/с. Наблюдения по­казывают, что все пятна перемещаются от восточного края к западному. Следовательно, Солнце вращается вокруг своей оси в направлении движения планет вокруг него.

 

4. Размеры, масса и светимость Солнца. Радиус Солнца в 109 раз, а объем примерно в 1 300 000 раз больше соот­ветственно радиуса и объема Земли. Велика и масса Солнца. Она примерно в 330 000 раз больше массы Земли и почти в 750 раз больше суммарной массы движущихся вокруг него планет.

Энергия, получаемая Землей от Солнца, характеризуется солнечной постоянной. Солнечной постоянной называется величина, определяемая полной энергией, кото­рая падает в 1 с на площадку1 м2, расположенную перпен­дикулярно солнечным лучам вне земной атмосферы на сред­нем расстоянии Земли от Солнца.

Для измерения солнечной постоянной на высокогорных станциях определяют количество теплоты, которое получает вода, налитая в специальные сосуды, от зачерненного метал­лического диска, нагреваемого солнечными лучами. В ре­зультате тщательных измерений, выполненных с учетом по­глощения видимого, инфракрасного и ультрафиолетового из­лучения в земной атмосфере, нашли, что солнечная посто­янная равна 1400 Вт/м2 (более точное значение несколько меньше). Измерения солнечной постоянной проводились на протя­жении многих лет. Оказалось, что значение солнечной по­стоянной практически не меняется. Значит, полная энергия, излучаемая Солнцем в единицу времени, постоянна. Если умножить солнечную постоянную на площадь сферы, радиус которой равен среднему расстоянию Земли от Солнца, то получится общая энергия, излучаемая Солнцем в единицу времени ().  — это светимость Солнца (или мощность его излучения):

 

4 • 1026 Вт.

 

5. Температура Солнца и состояние вещества на Солнце. Чтобы выяснить, в каком состоянии находится ве­щество на Солнце, необходимо прежде всего знать температуру Солнца. Существуют различные способы определения температуры Солнца, все они основаны на физических зако­нах, открытых на Земле и действующих во всей доступ­ной наблюдениям части Вселенной. Один из способов опре­деления температуры Солнца заключается в следующем. Мы знаем светимость Солнца . Известен и радиус Солнца , а следовательно, и площадь видимой поверхности Солнца . Зная это, вычислим энергию, излучаемую единицей площади поверхности Солнца в единицу времени, ε. Оче­видно, что

 

.                                                                                                                     (26)

 

С другой стороны, энергия, излучаемая в единицу вре­мени с единицы поверхности, пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры:

 

                                                                                                                                                                          (27)

 

(закон Стефана Больцмана), где σ — коэффициент пропор­циональности, равный 5,67•10-8  Вт/(м2•К4).

Из формул (26) и (27) следует, что

 

,                                                                                                              (28)

тогда

.                                                                                                               (28´)

Подставляя числовые значения входящих в формулу (28´) величин, находим: Т≈6000 К. Полученную таким ме­тодом температуру называют эффективной температурой.

Рис. 68. Распределение энергии в спектре Солнца и абсолютно черных тел различной температуры.

Мыприменили закон Стефана — Больцмана, считая, что Солнце излучает как некоторое идеальное (его называют черным) тело, хотя на самом деле это не совсем так. Абсолютно черное тело — это идеальный поглотитель излу­чения (оно полностью поглощает весь падающий на него поток излучения) и идеальный излучатель (оно излучает в диапазоне всех длин волн). Все реальные тела, излучающие энергию, включая Солнце и другие звезды, лишь с опреде­ленной степенью точности можно принимать за абсолютно черные тела. Исследование свойств вещества, из которого состоят видимые наружные слои Солнца, показывает, что это вещество действительно очень хорошо поглощает из­лучение (чем и оправдывается применение формулы (27)). На рисунке 68 показана зависимость энергии, излучаемой Солнцем и другими источниками излучения, от длины волны. Из рисунка видно, что, чем выше температура, тем меньше длина волны (), соответствующая максимуму излучаемой энергии. Более точно эта зависимость выражается законом Вина:

 

,                                                                                                              (29)

 

где  — длина волны в метрах; T — абсолютная температура в кельвинах. Максимум излучения Солнца приходится на длину волны м (отсюда желтый цвет Солнца).

При температуре 6000 К вещество находится на Солнце в газообразном состоянии, причем атомы некоторых химиче­ских элементов ионизованы. С глубиной температура растет (достигает в центре Солнца 1,5 • 107 К), а вместе с тем уве­личивается число ионизованных атомов. Поэтому основное состояние, в котором находится вещество на Солнце, — это плазма,   а Солнце это раскаленный плазменный шар.

 

6. Химический состав Солнца. Даже в прошлом веке некоторые ученые считали, что мы никогда не узнаем, из чего состоит Солнце. Однако применение спектрального ана­лиза к исследованию Солнца опровергло такое предположе­ние. Спектр Солнца — это непрерывный спектр, пе­ресеченный множеством узких темных линий поглощения (называемых фраунгоферовыми линиями, по имени немецкого оптика Й. Фраунгофера (1787—1826), впервые наблюдавшего и зарисовавшего их в1814 г.).

Отождествление линий в спектре Солнца с линиями в спектрах химических элементов, изучаемых в лабораторных условиях, позволяет определить 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 (более 28%). Гелий («солнечный газ») был впервые открыт на Солнце и только почти через 30 лет — на Земле.