Астрономия 11 класс учебник солнце

2. Состав и строение Солнца

Для изучения Солнца используются телескопы особой конструкции — башенные солнечные телескопы (рис. 5.1). Система зеркал непрерывно поворачивается вслед за Солнцем и направляет его лучи вниз на главное зеркало, а затем они попадают в спектрографы или другие приборы, с помощью которых проводятся исследования Солнца. Благодаря большому фокусному расстоянию солнечных телескопов (до 90 м) можно получить изображение Солнца диаметром до 80 см и детально изучать происходящие на нём явления. Они лучше видны на спектрогелиограммах (см. цветную вклейку XII) — снимках Солнца, которые сделаны в лучах, соответствующих спектральным линиям водорода, кальция и некоторых других элементов.

Важнейшую информацию о физических процессах на Солнце даёт спектральный анализ. Именно в спектре Солнца Йозеф Фраунгофер ещё в 1814 г. обнаружил и описал линии поглощения, по которым, как стало ясно почти полвека спустя, можно узнать состав его атмосферы (см. рис. 4 на цветной вклейке XII). В настоящее время в солнечном спектре зарегистрировано более 30 тыс. линий, принадлежащих 72 химическим элементам. Химический элемент гелий (от греч. «гелиос» — солнечный) был сначала открыт спектральными методами на Солнце, а лишь затем уже обнаружен на Земле. Все последующие попытки найти линии других неизвестных элементов не увенчались успехом, но были тем не менее не бесполезны. Они во многом способствовали развитию теории спектрального анализа, которая важна как для астрофизики, так и для физики в целом.

Современные данные о химическом составе Солнца таковы: водород составляет около 70% солнечной массы, гелии — более 28%, остальные элементы — менее 2%. Количество атомов этих элементов в 1000 раз меньше, чем атомов водорода и гелия. Эти соотношения представлены на рисунке 5.2.

Вещество Солнца сильно ионизовано: атомы, потерявшие электроны своих внешних оболочек и ставшие ионами, вместе со свободными электронами образуют плазму. Средняя плотность солнечного вещества примерно 1400 кг/м 3 . Она соизмерима с плотностью воды и в 1000 раз больше плотности воздуха у поверхности Земли.

Используя закон всемирного тяготения и газовые законы, можно рассчитать условия внутри Солнца, построить модель «спокойного» Солнца. Оно находится в равновесии, поскольку в каждом его слое действие сил тяготения, которые стремятся сжать Солнце, уравновешивается действием сил внутреннего давления газа. Действием гравитационных сил в недрах Солнца создаётся огромное давление. Сделаем приближённый расчёт его величины для слоя, лежащего на расстоянии R/2 от центра Солнца. При этом будем считать, что плотность вещества внутри Солнца всюду равна средней (рис. 5.3).

Сила тяжести на этой глубине определяется массой вещества, заключенной в радиальном столбике, высота которого R/2, площадь S, а также ускорением свободного падения на поверхности сферы радиусом R/2. Масса вещества в этом столбике равна:

а ускорение на расстоянии R/2 (согласно закону всемирного тяготения) выражается так:

так как объём этой сферы составляет 1/8 от объёма всего Солнца. Подставив необходимые данные в формулу р = mg/S, получим, что давление равно примерно 6,6 • 10 13 Па, т. е. в 1 млрд раз превосходит нормальное атмосферное давление. Для вычисления температуры воспользуемся уравнением Клапейрона—Менделеева: Поскольку где R — универсальная газовая постоянная, а M — молярная масса водородной плазмы. Если считать, что в состав вещества входят в равном количестве протоны и электроны, то она примерно равна 0,5 • 10 -3 кг/моль. Тогда Т = 2,8 • 10 6 К. Более точные расчеты, проведенные с учетом изменения плотности с глубиной, дают результаты, лишь незначительно отличающиеся от полученных выше: р = 6,1 • 10 13 Па, Т= 3,4 • 10 6 К.

Источник

Энергия и температура Солнца

Солнце — центральное тело Солнечной системы — является типичным представителем звезд, наиболее распространенных во Вселенной тел. Масса Солнца составляет 2 • 10 30 кг. Как и многие другие звезды, Солнце представляет собой огромный шар, который состоит из водородно-гелиевой плазмы и находится в равновесии в поле собственного тяготения. Изучение физических процессов, происходящих на Солнце, имеет важное значение для астрофизики, поскольку эти процессы свойственны, очевидно, и другим звёздам, но только на Солнце мы можем наблюдать их достаточно детально.

Солнце излучает в космическое пространство колоссальный по мощности поток излучения, который в значительной мере определяет физические условия на Земле и других планетах, а также в межпланетном пространстве. Земля получает всего лишь одну двухмиллиардную долю солнечного излучения. Однако и этого достаточно, чтобы приводить в движение огромные массы воздуха в земной атмосфере, управлять погодой и климатом на земном шаре. Большинство источников энергии, которые использует человечество, связаны с Солнцем. Тепло и свет Солнца обеспечили развитие жизни на Земле, формирование месторождений угля, нефти и газа.

Количество приходящей от Солнца на Землю энергии принято характеризовать солнечной постоянной.

Солнечная постоянная — поток солнечного излучения, который приходит на поверхность площадью 1 м 2 , расположенную за пределами атмосферы перпендикулярно солнечным лучам на среднем расстоянии Земли от Солнца (1а. е.).

Солнечная постоянная равна 1,37 кВт/м 2 . Умножив эту величину на площадь поверхности шара, радиус которого 1 а. е., определим полную мощность излучения Солнца, его светимость, которая составляет 4 • 10 26 Вт.

Знание законов излучения позволяет определить температуру фотосферы Солнца. Энергия, излучаемая нагретым телом с единицы площади, определяется законом Стефана- Больцмана:

Светимость Солнца известна, остаётся узнать, какова площадь поверхности Солнца.

С Земли мы видим Солнце как небольшой диск, край которого достаточно чётко определяет фотосфера (в переводе с греческого «сфера света»). Так называется тот слой, от которого приходит практически всё видимое излучение Солнца. Он имеет толщину всего 300 км и выглядит как поверхность Солнца. Угловой диаметр солнечного диска примерно 30′. Зная расстояние до Солнца (150 млн км), нетрудно вычислить его линейные размеры и площадь поверхности. Радиус Солнца равен приблизительно 700 тыс. км. Теперь можно узнать, какова температура фотосферы. Светимость Солнца

где σ = 5,67 • 10 -8 Вт/(м 2 • К 4 ). Отсюда

Подставив в эту формулу численные значения входящих в неё величин, получим Т = 6000 К. Очевидно, что такая температура может поддерживаться лишь за счёт постоянного притока энергии из недр Солнца.

Источник

§ 12. Солнце — наша звезда

Изучив этот параграф, мы узнаем:

• почему светит Солнце;
• о природе солнечных пятен и их влиянии на биосферу Земли;
• как в домашних условиях можно использовать солнечную энергию.

Физические характеристики Солнца

Солнце — одна из миллиардов звезд нашей Галактики, центральное светило в Солнечной системе, возраст которого около 5 млрд лет. Оно дает Земле тепло и свет, тем самым поддерживая жизнь на нашей планете. Солнце находится на близком расстоянии от Земли — всего 150 млн км, поэтому мы видим его в форме диска. Изучение Солнца имеет очень важное практическое значение для развития земной цивилизации.

Температура Солнца измеряется при помощи законов излучения черного тела (см. § 6). Солнце излучает электромагнитные волны различной длины, которые нашим глазом воспринимаются как белый свет. На самом деле белый свет состоит из целого спектра электромагнитных волн от красного цвета до фиолетового, но Солнце излучает больше всего энергии в желто-зеленой части спектра, поэтому астрономы называют Солнце желтой звездой. Температура на поверхности Солнца 5780 К.

Светимость Солнца определяет мощность его излучения, то есть количество энергии, которую излучает поверхность Солнца во всех направлениях за единицу времени. Для определения светимости Солнца надо измерить солнечную постоянную q — энергию, которую получает 1 м 2 пбверхности Земли за 1 с при условии, что Солнце находится в зените. Для определения светимости Солнца необходимо величину солнечной постоянной умножить на площадь сферы с радиусом R:

где R=l,5•10 11 м — расстояние от Земли до Солнца.

Строение Солнца

Солнце — огромный раскаленный плазменный шар, имеющий сложное строение внешних и внутренних слоев.

В результате физических процессов, протекающих в недрах Солнца, непрерывно выделяется энергия, которая передается внешним слоям и распределяется на все большую площадь. Вследствие этого по мере приближения к поверхности температура солнечной плазмы постепенно снижается. В зависимости от температуры и характера процессов, определяемых этой температурой, Солнце условно разделяют на следующие области с различным физическим состоянием вещества и распределением энергии: ядро, зона радиации, конвективная зона и атмосфера (рис. 12.1).

Рис. 12.1. Внутреннее строение Солнца

Центральная область (ядро) занимает относительно небольшой объем, но благодаря большой плотности ядра, которая увеличивается к центру, там сосредоточена значительная часть массы Солнца. Огромное давление и сверхвысокая температура обеспечивают протекание термоядерных реакций, которые являются основным источником энергии Солнца. Радиус ядра составляет примерно 1/3Rз.

В зоне лучистого равновесия, или зоне радиации, окружающей ядро на расстоянии до 2/3Rз, энергия распространяется путем последовательного поглощения и последующего переизлучения веществом квантов электромагнитной энергии.

В конвективной зоне (от верхнего слоя зоны радиации, почти до самой видимой границы Солнца — фотосферы) энергия передается уже не излучением, а за счет конвекции, то есть путем перемешивания вещества, когда образуются своеобразные отдельные ячейки, которые немного различаются температурой и плотностью.

Атмосферой считаются внешние слои Солнца, условно разделенные на три оболочки. Глубокий слой атмосферы Солнца, состоящий из газов,— фотосфера (от греч.— сфера света), 200—300 км толщиной, воспринимается нами как поверхность Солнца (рис. 12.2). Плотность газов в фотосфере в миллионы раз меньше плотности воздуха у поверхности Земли, а температура фотосферы уменьшается с высотой. Средний слой фотосферы, излучение которого мы воспринимаем, имеет температуру 5780 К.

Рис. 12.2. Фотосфера — это самый глубокий слой атмосферы Солнца, который излучает свет

В солнечный телескоп можно наблюдать структуру фотосферы, в которой конвекционные ячейки имеют вид светлых и темных зерен — гранул (рис. 12.3).

Рис. 12.3. Гранулы в фотосфере имеют диаметр 1000 км — это проявление конвекции

Над фотосферой находится хромосфера (от греч.— цветная сфера), где атомами различных веществ образуются темные линии поглощения в спектре Солнца (рис. 12.4). Общая толщина хромосферы составляет 10—15 тыс. км, а температура в ее верхних слоях достигает 100000 К.

Рис. 12.4. Спектр Солнца. Темные линии поглощения образуются в хромосфере

Над хромосферой находится внешний слой атмосферы Солнца — солнечная корона, температура которой достигает нескольких миллионов градусов. Вещество короны, которое постоянно вытекает в межпланетное пространство, называется солнечным ветром.

Для любознательных

Если сравнить светимость Солнца с его массой, то мы получим, что 1 кг солнечного вещества генерирует мизерную мощность 0,001 Вт, в то время как средняя мощность излучения человеческого тела равна примерно 100 Вт, то есть в тысячу раз больше мощности такой же массы солнечного вещества. Правда, Солнце светит на протяжении миллиардов лет, излучая почти одну и ту же энергию, надежно обогревая Землю и другие тела Солнечной системы.

Солнечная активность

Солнечная активность определяется количеством пятен и их общей площадью. Исследования показали, что температура внутри пятна достаточно высокая и достигает 4500 К, но пятно кажется темным на фоне более горячей фотосферы с температурой 5780 К (рис. 12.5, 12.6).

Рис. 12.5. Солнечное пятно

Возникает вопрос: что снижает температуру внутри пятна? Пятна на Солнце могут существовать в течение нескольких месяцев, поэтому возникла гипотеза, что какой-то процесс тормозит конвекцию плазмы в солнечном пятне и поддерживает разницу температур. Сейчас доказано, что таким «изолятором» является сильное магнитное поле, которое, взаимодействуя с электрически заряженными частицами плазмы, тормозит конвекционные процессы внутри пятна.

Рис. 12.6. Соединение пятен

Еще одна загадка активности Солнца связана с ее периодичностью — цикл изменения количества пятен повторяется примерно через каждые 11 лет (рис. 12.7).

Рис. 12.7. Изменение солнечной активности

Для любознательных

Пятна связаны между собой магнитными силовыми линиями подобно полюсам магнита — каждое пятно имеет свою полярность. Так же, как невозможно разделить северный и южный полюса магнита, так и солнечные пятна существуют только парами, которые имеют различные магнитные полярности. Если учесть полярность пятен, то цикл солнечной активности длится примерно 22 года.

Влияние солнечной активности на Землю

Исследуя Солнце при помощи спутников и АМС, астрономы обнаружили его сильное корпускулярное излучение — поток элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов). Например, во время так называемых хромосферных вспышек, которые взрываются вблизи пятен, выделяется такая огромная энергия, которую можно сравнить с излучением всей фотосферы Солнца. Не надо путать вспышки с протуберанцами. Протуберанцы (лат. protubero — сдуваюсь) существуют постоянно — это плотные холодные облака водорода, которые поднимаются в корону и движутся вдоль магнитных силовых линий. Благодаря протуберанцам происходит обмен веществ между хромосферой и короной.

Вспышка возникает между двумя пятнами с противоположной полярностью, когда в течение нескольких часов температура в этой зоне возрастает до 5-10 6 К и выделяется энергия 10 21 —10 25 Дж, что почти соизмеримо со светимостью Солнца в видимой части спектра. Во время вспышки энергия излучается в основном в невидимой части спектра (радио-, ультрафиолетовом и рентгеновском диапазоне). При этом в межпланетное пространство также выбрасываются потоки заряженных частиц, летящих со скоростью до 20000 км/с (рис. 12.8).

Рис. 12.8. Хромосферная вспышка на Солнце

Через несколько часов после вспышки корпускулярные потоки могут долететь до Земли и вызвать возмущение ее магнитного поля и свечение ионосферы, что проявляется в виде интенсивных полярных сияний.

Выводы

Основным источником энергии для нашей цивилизации является Солнце, которое не только дает нам тепло, но и существенно влияет на все процессы, происходящие на Земле. В будущем солнечный свет станет основным источником электрической энергии, как на Земле, так и в космических поселениях при освоении других планет.

Тесты

1. Солнечная постоянная определяет:
   А. Количество энергии излучения Солнца за год.
   Б. Количество энергии излучения Солнца за 1 с.
   В. Температуру Солнца.
   Г. Количество энергии, которую получает вся поверхность Земли за единицу времени.
   Д. Энергию, которую получает 1 м 2 поверхности Земли за 1 с, если солнечные лучи падают перпендикулярно к поверхности.
2. Для определения светимости Солнца необходимо знать:
   А. Радиус Солнца.
   Б. Радиус Земли.
   В. Расстояние от Земли до Солнца.
   Г. Температуру на поверхности Земли.
   Д. Температуру на поверхности Солнца.
3. Какие из этих химических элементов наиболее распространены на Солнце?
   А. Оксиген и железо.
   Б. Водород и гелий.
   В. Водород и Оксиген.
   Г. Азот и Оксиген.
   Д. Феррум и азот.
4. В результате какого процесса выделяется энергия в недрах Солнца?
   А. Ядерной реакции.
   Б. Гравитационного сжатия.
   В. Термоядерной реакции.
   Г. Горения водорода.
   Д. Падения метеоритов.
5. Грануляция в фотосфере образуется в результате того, что:
   А. Корона очень горячая.
   Б. Энергия передается конвекцией.
   В. Пятна очень холодные.
   Г. Излучаются нейтрино.
   Д. На поверхности Солнца появляются волны.
6. Солнце называют желтой звездой, в то время как для большинства людей оно имеет белый цвет. Как объяснить это противоречие?
7. Что снижает температуру внутри солнечных пятен?
8. Какое явление астрономы называют солнечной активностью?
9. Какие процессы на Солнце могут существенно влиять на состояние земной атмосферы?
10. Что является источником энергии Солнца?
11. Вычислите, какую солнечную энергию смогла бы поглотить за 1 час крыша вашего дома в полдень.

Диспуты на предложенные темы

1. Какие экологически чистые источники энергии можно предложить для использования в населенном пункте, где находится ваша школа?

Задания для наблюдений

Внимание! При наблюдениях нельзя смотреть на диск Солнца, как невооруженным глазом, так и в телескоп без специального светофильтра!

1. Подсчитайте общее количество солнечных пятен и зарисуйте их расположение на диске Солпца. Обратите внимание, что пятна часто появляются парами. Через несколько дней повторите наблюдения, и вы заметите вращение Солнца вокруг оси — пятна сместились. Количество пятен за это время тоже может измениться.

Ключевые понятия и термины:

Гранулы, зона конвекции, зона радиации, корпускулярное излучение, корона, магнитная буря, протуберанцы, светимость Солнца, солнечный ветер, солнечное пятно, солнечная постоянная, фотосфера, хромосфера, хромосферная вспышка, ядро.

Источник