Изучение Солнца — Физика в школе
Изучение Солнца
ИЗУЧЕНИЕ центрального светила нашей планетной системы — Солнца — имеет важное значение. Солнце снабжает нас светом и теплом, явления, происходящие на его поверхности, вызывают магнитные бури, полярные сияния и другие процессы в земной атмосфере, оказывающие влияние на практическую деятельность человека (качество радиосвязи и т. д.). Результаты исследования Солнца, этой ближайшей к Земле звезды, увеличивают наши знания об устройстве мира, позволяют глубже познать физические свойства материи. Солнце представляет собой огромную естественную физическую лабораторию, где материя находится в таких условиях, которые искусственно пока еще создать невозможно. Единственным способом исследования протекающих в ней процессов является тщательное изучение при помощи специальных приборов солнечных лучей — того излучения, которое доходит до нас.
До Земли доходит свет только от самых внешних слоев Солнца. Его оболочка — фотосфера, образующая непосредственно наблюдаемый нами диск, непрозрачна, и поэтому более глубоких слоев Солнца мы не видим. На фотосфере можно заметить темные пятна и яркие образования — факелы. Над этой оболочкой находится сравнительно тонкий, так называемый обращающий слой газа, несколько более холодный, чем фотосфера. В нем возникают темные линии солнечного спектра. При полных затмениях Солнца, когда фотосфера закрыта Луной, вокруг ее краев можно наблюдать розовую каемку. Это слабо светящаяся хромосфера. Она расположена над обращающим слоем. Отдельные яркие образования в хромосфере называются флоккулами, а темные — волокнами. Когда эти волокна проектируются не на яркую фотосферу, а на темный фон за пределами солнечного диска у его края, они представляются нам яркими протуберанцами.
Самая внешняя и протяженная оболочка Солнца — солнечная корона — состоит из газа, разреженного в сто тысяч раз более, чем в хромосфере. Свечение короны в миллион раз слабее солнечного, поэтому ее можно видеть только в моменты полного солнечного затмения. Свет короны — это в основном свет Солнца, рассеянный свободными электронами короны, содержит также и свое собственное линейчатое излучение. Здесь возникает и значительная часть радиоизлучения Солнца.
ОСНОВНОЙ инструмент, необходимый при всяком исследовании Солнца, — это специальный длиннофокусный телескоп, который совсем не похож на тот прибор, который применяется при наблюдении звезд. Обычно к таким телескопам присоединяют специальные, иногда довольно громоздкие и тяжелые приборы.
В отличие от звездного телескопа солнечная установка делается неподвижной. В ней, однако, устанавливается специальная система, состоящая из двух плоских зеркал, которая улавливает свет Солнца и направляет его на объектив. Первое из них называется целостатным и вращается часовым механизмом со скоростью одного оборота в 48 часов вокруг оси, лежащей в плоскости зеркала и установленной параллельно оси мира. От целостатного зеркала пучок солнечных лучей падает на дополнительное, и луч Солнца, отраженный от него, направляется на объектив. Благодаря вращению целостатного зеркала этот луч не меняет своего направления, несмотря на то, что Солнце все время движется.
Солнечные телескопы разделяются на горизонтальные и вертикальные (башенные). Большой, 17- метровый горизонтальный солнечный телескоп советского конструктора Пономарева установлен в Пулкове. Современный башенный солнечный телескоп строится в Крымской астрофизической обсерватории Академии Наук СССР.
В башенном солнечном телескопе световой пучок от целостатной установки и объектива, помещенных на вершине башни, направляется вертикально вниз, в глубокий колодец, где размещены часть оптики и различные приборы. Изображение Солнца получается в рабочей комнате, находящейся у подножья башни или на некоторой глубине под землей. Таким образом, современный солнечный телескоп — это здание высотой от 15 до 45 метров и колодцем глубиной до 15 — 20 метров, с фотографической комнатой, одним или несколькими лабораторными помещениями.
По изображению Солнца в обычном белом свете можно изучать детали фотосферы. Специальные оптические приборы спектрографы позволяют исследовать спектр солнечных лучей, а также спектры солнечных пятен, факелов и т. д. Для фотографирования диска Солнца в белом свете создан также небольшой фотографический телескоп — фотогелиограф. Советская промышленность изготовляет фотогелиографы нового типа с применением оптических систем лауреата Сталинской премии, профессора Д. Д. Максутова, которые дают наиболее качественные изображения Солнца.
За последнее время особое значение получили исследования солнечной хромосферы, изучением которой занимаются многие обсерватории Советского Союза. Общее количество световой энергии, излучаемой этой слабо светящейся солнечной оболочкой, в отдельных спектральных линиях настолько мало, что увидеть детали в белом свете невозможно. Для этого необходимо смотреть на Солнце через прибор, пропускающий свет только той длины волны, которая испускается самой хромосферой. Чем уже эта полоса пропускания, тем более резко видны детали хромосферы — светлые флоккулы, волокна и протуберанцы. Для получения такого изображения Солнца применяются особые приборы. Они представляют собой небольшое видоизменение обычного спектроскопа — спектрогелиоскоп и спектрогелиограф и позволяют фотографировать и наблюдать нужные участки хромосферы без помех со стороны остального солнечного света. Такие фотографии — спектрогелиограммы особенно важны для точного определения формы, положения и яркости различных деталей хромосферы и протуберанцев.
Недавно ученые решили очень важную задачу — создали светофильтр, который дает возможность наблюдать хромосферу непосредственно, без помощи специальных аппаратов. Принцип работы такого фильтра основан на свойствах света, проходящего через кристаллы.
Известно, что свет представляет собой электромагнитные волны, или колебания, которые происходят в поперечном направлении, то есть совершаются в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения луча света, называемой плоскостью поляризации. Обычный, естественный свет является неполяризованным, так как колебания в нем происходят во всевозможных направлениях. Некоторые кристаллы- поляризаторы (например, турмалин) обладают свойством пропускать свет только с одним направлением колебаний. Наша промышленность изготовляет специальные прозрачные пленки — поляроиды. Если поставить один за другим два таких поляроида, ориентированных во взаимно перпендикулярных направлениях, то свет через них не проходит. Это и понятно. Ведь первый поляроид делает свет поляризованным, а второй не пропускает его потому, что он ориентирован в направлении, перпендикулярном направлению поляризации света. Если ввести между поляроидами пластинку, вырезанную специальным образом из кристалла кварца или шпата, то эта система снова начнет пропускать свет. При его разложении в спектре можно обнаружить, что поляроиды с кварцем становятся прозрачными для волн только определенной длины. Это свойство кварцевых пластинок и было использовано учеными для создания узкополосного светофильтра. Работающий на таком принципе фильтр называется интерференционно- поляризационным и представляет собой стопку кварцевых • ии шпатовых пластинок, переложенных пленками поляроидов.
Длина волны пропускаемого света определяется толщиной пластинок. Если же к ним добавить цветное стекло, можно выделить очень узкий участок спектра. Изготовление каждого такого светофильтра требует специальных расчетов, чрезвычайно точной подгонки толщины и установки каждой пластинки. Первые советские интерференционно- поляризационные фильтры были изготовлены в Крымской астрофизической обсерватории Академии Наук СССР А. Б. Гильваргом и автором этой статьи.
Фотографирование Солнца через узкополосные светофильтры имеет большое преимущество перед применением для этой цели спектрогелиографа. Через новый светофильтр можно вести замедленную или ускоренную киносъемку различных участков диска Солнца. При показе этих фильмов на экране с обычной скоростью хорошо видны движения протуберанцев и т. д.
Помимо изучения форм и характера движения различных деталей хромосферы, огромное значение имеет исследование спектрального состава света, излучаемого различными образованиями на поверхности Солнца. По интенсивности этого света в различных спектральных линиях можно определять температуру, электронное давление, плотность, химический состав и другие величины, характеризующие условия, существующие в хромосфере, в протуберанцах или флоккулах.
Обычно спектр солнечного света фотографируют на фотопластинках, которые затем подвергаются детальному изучению. Но этот способ не дает большой точности. Поэтому в настоящее время применяются новые инструменты, использующие для регистрации спектра не фотопластинки, а фотоэлементы или фотоумножители. Такие приборы называются фотоэлектрическими фотометрами. Принцип работы фотометра очень прост. Вместо пластинки ставят экран со щелью, за которой укреплен фотоэлемент или фотоумножитель. Этот экран медленно движется, и щель постепенно продвигается по всему спектру. Чем больше интенсивность света в той части спектра, в створе которой находится щель электрофотометра, тем больше света падает через нее на этот прибор. Сила тока, возникающего в фотоэлементе, пропорциональна количеству света, попадающего на него. Для лучшей работы прибора обычно устанавливается специальный аппарат, который подает усиленный фототок на записывающее приспособление. Таким образом, можно сразу получить запись интенсивности света для каждой длины волны спектра. Точность фотоэлектрического способа примерное 10 раз выше, чем фотографического.
До недавнего времени солнечную корону можно было наблюдать лишь при полных солнечных затмениях. В 1941 году был изобретен новый инструмент — внезатменный коронограф, позволивший изучать солнечную корону в любое время дня. В России отечественный коронограф был установлен на Горной станции Главной астрономической обсерватории на Кавказе. На Крымской астрофизической обсерватории с помощью этого инструмента и узкополосного интерференционно- поляризационного фильтра производилась систематическая киносъемка, показывающая развитие солнечных протуберанцев и активных образований на диске Солнца.
Как уже указывалось выше, в короне возникает и радиоизлучение Солнца. Для исследования этого явления применяются особые антенны и приемники — радиотелескопы. Радиоастрономия — эта отрасль науки, возникшая в 50- е годы в СССР.
Благодаря применению новых совершенных приборов, ученые достигли выдающихся результатов в исследовании Солнца.
Источник
Способы исследования Солнца
Фото Солнца К.А. SOHO Изучение Солнца во многих отношениях составляет обособленную и специфическую отрасль астрономии, связанную с дневными наблюдениями. При исследовании большинства небесных светил основным затруднением является их недостаточная яркость, в то время как при изучении Солнца помехой чаще всего оказывается избы¬ток света. Солнечный свет настолько ярок, что человек не может смотреть на Солнце незащищённым глазом; требуются специальные приспособления для ослабления чрезмерной яркости. Поэтому Солнце является своеобразным объектом наблюдения, требующим применения специальных инструментов и методов.
Прежде всего встаёт важная проблема изучения и измерения полного потока лучистой энергии, непрерывно поступающей от Солнца на Землю. Этим занимается особая отрасль измерительной техники, называемая актинометрией (термин происходит от греческих слов «актис» — луч я «метрон» — мера). В ней применяются особые приборы, называемые актинометрами или пиргелиометрами.
Эти приборы основаны на* использовании теплового действия солнечных лучей. О количестве солнечной энергии, падающей на квадратный сантиметр Земли, можно судить, например, повышение температуры воды в
сосуде, на который падают солнечные лучи. Необходимы специальные меры предосторожности, чтобы полученное тепло не осталось неучтённым, рассеявшись в воздухе.
Актинометрия занимает промежуточное положение между астрофизикой и геофизикой. С одной стороны, не¬посредственным объектом исследования здесь является радиация Солнца. С другой стороны, на пути к земной поверхности эта радиация проходит сквозь земную атмосферу, которая в той или иной степени рассеивает и поглощает проходящие через неё лучи. Прозрачность воз¬духа меняется изо дня в день. Это определяет геофизический, метеорологический элемент в актинометрии.
Актинометрия в основном обходится без телескопа, этого основного орудия астрономического исследования. Все прочие формы наблюдений Солнца связаны с употреблением телескопической оптики.
Простейший способ телескопического наблюдения Солнца состоит в том, что, наведя телескоп на солнечный диск, рассматривают последний при достаточно сильном увеличении, изучая различные мелкие детали и образования на диске. При этом необходимо, чтобы телескоп был снабжён защитным приспособлением, предохраняющим глаз от губительного действия чрезмерно яркого света.
В простейшем случае это может быть достаточно тёмное стекло, пропускающее лишь очень небольшую долю лучей, а в более крупных и усовершенствованных инструментах применяются специальные гелиоскопические окуляры, в которых свет ослабляется при помощи особых оптических приспособлении:.
Часто необходимо измерять размеры деталей, видимых при помощи телескопа на солнечной поверхности, или же определять точное положение детали на солнечном диске. Для этого телескоп должен быть снабжён измерительными приспособлениями.
Непосредственное наблюдение Солнца в телескоп глазом называется визуальным наблюдением. При всех своих достоинствах оно во многих случаях уступает наблюдению фотографическому. Визуальное изучение и последовательное измерение множества деталей, нередко усеивающих солнечный диск, отнимает много времени и может растянуться даже на несколько часов. За это время на бурной и быстро меняющейся поверхности Солнца нередко совершаются заметные изменения. Между тем фотографический снимок Солнца со всеми деталями на его поверхности можно получить за малую долю секунды. Таким образом, по сравнению с визуальным наблюдением фотография имеет два ценных преимущества: быстрота и связанная с нею одновременность регистрации всей картины Солнца.
Далее, всякий фотографический снимок представляет собою документ, который можно сохранить неопределённо долгое время. В случае сомнений или новых соображений всегда можно снова обратиться к ранее полученным снимкам и повторить их измерение или же провести их исследование под новым углом зрения. Наконец, фотография позволяет получать снимки Солнца и в лучах, не¬видимых для глаза, например, в инфракрасных или ультрафиолетовых.
Прибор, специально предназначенный для фотографирования Солнца, называется гелиографом).
Это — телескоп, у которого в нижней части вместо окуляра приделана кассета, заключающая в себе фотографическую пластинку. Необходимой частью гелиографа является автоматический затвор, позволяющий получать снимок при очень короткой выдержке.
Наиболее удобным типом гелиографа является прибор, сконструированный дважды лауреатом Сталинской премии Д. Д. Максутовым по принципу менискового телескопа. Гелиограф Максутова изготовлен во многих экземплярах и принят в качестве стандартного инструмента для регулярных фотографических наблюдений солнечной поверхности на обсерваториях СССР.
На обсерваториях, имеющих в своём распоряжении гелиограф, Солнце фотографируется каждый ясный день, причём полученные снимки тщательно сохраняются. Таким путём собирается ценнейший материал о состоянии поверхности Солнца за многие годы.
При фотографировании деталей солнечной поверхности желательно иметь достаточно большое изображение. Этот астрономический инструмент не следует Смешивать с одноимённым прибором, употребляемым на метеорологических станциях. Там под названием «гелиограф» понимается аппарат, позволяющий автоматически регистрировать число часов за день, в течение которых Солнце не было закрыто облаками?
Для этого нужно, чтобы фокусное расстояние объектива (т. е. расстояние от него до изображения Солнца) было велико. Отсюда следует, что для получения изображения Солнца в крупном масштабе надо делать телескопы очень большой длины. При этом возникает трудность установки такого инструмента. Трубы небольших телескопов делаются свободно вращающимися во¬круг двух осей, что позволяет наводить трубу на любую точку небесного свода. Длинную трубу сделать подвижной очень трудно. Поэтому для таких инструментов применяется устройство другого рода.
Труба телескопа вместе с объективом, окуляром и кассетной частью делается неподвижной и устанавливается либо горизонтально, либо вертикально. К ней добавляется особое устройство, называемое целостатом. Целостат представляет собою зеркало (или сочетание нескольких зеркал), укреплённое на вращающейся подставке так, что с его помощью при любом положении Солнца на небесном своде солнечные лучи могут быть направлены в объектив телескопа. Таким образом, вместо того, чтобы двигать громадную трубу, поворачивают вслед за Солнцем только зеркало сравнительно небольших размеров. Это осуществляется автоматически, при помощи часового механизма. Если направить зеркало так, чтобы в поле зрения телескопа оказалось изображение Солнца и пустить в ход часовой механизм, то солнечные лучи всё время будут направляться зеркалами целостата в объектив телескопа и изображение будет стоять в поле зрения телескопа неподвижно.
Целостаты исключительной точности изготовляются нашей оптической промышленностью и применяются для различных установок, используемых при изучении Солнца. В частности, на Пулковской обсерватории имеется большая солнечная установка, позволяющая фотографировать как солнечный диск, так и спектр отдельных его участков. Разработанная лауреатом Сталинской премии Н. Г. Пономарёвым и построенная в 1941 г., она была разрушена во время войны, но в настоящее время восстановлена вновь в значительно усовершенствованном виде.
Большую роль в исследовании Солнца играют наблюдения полных солнечных затмений.
Несмотря на краткость полной фазы затмения, учёные каждый раз выезжают в ту узкую полосу Земли, где затмение бывает полным. Такие экспедиции требуют затраты больших средств и огромных усилий, так как на место наблюдения приходится привозить крупные астрономические инструменты и устраивать временные обсерватории. Нередко все эти приготовления оказываются напрасными. Стоит маленькому облачку закрыть Солнце в момент затмения, и никаких наблюдений выполнить, конечно, не удаётся. Но зато те результаты, которые удаётся получить в случае хорошей погоды, очень важны для гелиофизики.
Дело в том, что слои разрежённой материи, обволакивающие со всех сторон солнечный шар, светятся таким слабым светом, что подле слепящего солнечного диска их наблюдать невозможно. Особенно большой помехой тут является яркое дневное небо, на фоне которого совсем неразличимо слабое свечение, окружающее Солнце — «солнечная корона». Поэтому бесполезно было бы закрывать солнечный диск каким-нибудь щитком или заслонкой, расположенными подле наблюдателя: небо при этом остаётся по-прежнему более ярким, чем свет, идущий к нам из окрестностей Солнца. Необходимо, чтобы экран, заслоняющий солнечный диск, помещался за пределами земной атмосферы. Тогда толща воздуха, сквозь которую мы смотрим на небесное светило, тоже оказывается защищённой от солнечных лучей, небо делается тёмным, и его свет не мешает нам видеть слабо светящиеся оболочки, окружающие солнечный шар. Для наблюдения этих оболочек и посылаются астрономические экспедиции в район полосы солнечного затмения.
Быстрое развитие радиотехники позволило пополнить дело исследования Солнца ещё одним очень ценным методом. Было обнаружено, что кроме лучей, изучаемых оптическими методами, Солнце излучает также и электро¬магнитные колебания с такими длинами волн, которые наблюдаются при помощи радиоприёмников. Правда, земная атмосфера пропускает радиоволны лишь в очень ограниченной области с длиной волны примерно от 1 см до 10 м. Наблюдение в этом интервале длин волн, осуществляемое при помощи особых радиоприёмников направленного действия, называемых иногда «радиотелескопами», доставляет нам ценную информацию о физических процессах, развёртывающихся во внешних слоях газовых оболочек Солнца.
Результаты своих наблюдений астрономы подвергают дальнейшему изучению и стараются по ним выяснить, в чём состоит наблюдаемое явление и какова его причина. Этим занимается теоретическая астрофизика — сравнительно молодая отрасль астрономии, развивающаяся за последнее время особенно быстро и плодотворно. Её отдельные разделы решают многочисленные и разнообразные задачи. Теория спектральных линий позволяет по наблюдениям солнечного спектра определять плотность, температуру и степень ионизации газов в различных слоях атмосферы Солнца, а также судить о химическом составе этих слоёв.
Теоретическая гелиофизика выясняет происхождение и условия возникновения различных явлений, наблюдаемых нами на солнечной поверхности. Она даёт нам возможность судить о состоянии внутренних частей солнечного шара, недоступных для прямого наблюдения. Наконец, дальнейшее развитие теории должно объяснить нам, как образовалось Солнце, как оно эволюционировало, как будет развиваться в будущем и откуда берётся та солнечная энергия, которая так щедро разливается в окружающее пространство. Правда, дать ответ на такие глубокие вопросы нелегко, и потому в наше время теория нередко вынуждена ограничиваться гипотезами и пред¬положениями. Можно даже сказать, что в области гелиофизики теория отстаёт от наблюдений: очень многие важные и давно известные факты остаются не объяснёнными. Но теоретическая гелиофизика быстро развивается и, вероятно, недалеко то время, когда основные вопросы, выдвигаемые наукой о Солнце, будут разрешены, и мы получим стройную теорию, описывающую строение Солнца и объясняющую наблюдаемые на нём явления.
Солнечный протуберанец в сравнении с нашей планетой
Источник