Какие физические свойства солнца

§ 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

Солнце

Солнце выступает центром и источником жизни для нашей Солнечной системы. Звезда относится к классу желтых карликов и занимает 99.86% всей массы нашей системы, а гравитация по силе преобладает над всеми небесными телами. В древности люди сразу поняли, какое значение имеет Солнце для земной жизни, поэтому упоминание о яркой звезде встречается в самых первых текстах и наскальных рисунках. Это было центральное божество, правящее над всеми.

Интересные факты

Давайте изучим самые интересные факты о Солнца — единственной звезде Солнечной системы.

• Если мы заполняем нашу звезду Солнце, то внутри поместится 960000 Земель. Но если их сжать и лишить свободного пространства, то количество увеличится до 1300000. Поверхностная площадь Солнца в 11990 раз больше земной.

• По массе превосходит земную в 330000 раз. Примерно ¾ отведено на водород, а остальное – гелий.

• Разница между экваториальным и полярным диаметрами Солнца составляет всего 10 км. А значит, перед нами одно из наиболее приближенных к сфере небесных тел.

• В ядре Солнца такая температура возможна благодаря синтезу, где водород трансформируется в гелий. Обычно горячие объекты поддаются расширению, поэтому наша звезда могла бы взорваться, но удерживается мощной гравитацией. При этом температура поверхности Солнца равна «всего» 5780 °C.

• Когда Солнце израсходует весь водородный запас (130 млн. лет), то перейдет к гелию. Это заставит ее увеличиваться в размерах и поглощать первые три планеты. Это этап красного гиганта.

• После красного гиганта оно рухнет и оставит сжатую массу в шарике земного размера. Это стадия белого карлика.

• Земля отдалена от Солнца на 150 млн. км. Скорость света – 300000 км/с, поэтому лучу требуется 8 минут и 20 секунд. Но важно также понимать, что ушли миллионы лет, прежде чем фотоны света перешли с солнечного ядра на поверхность.

• Солнце отдалено от галактического центра на 24000-26000 световых лет. Поэтому на орбитальный путь тратит 225-250 млн. лет.

• Земля движется по эллиптическому орбитальному пути, поэтому удаленность составляет 147-152 млн. км (астрономическая единица).

• Возраст Солнца – 4.5 млрд. лет, а значит оно уже сожгло примерно половину водородного запаса. Но процесс будет продолжаться еще 5 млрд. лет.

• Солнечные вспышки выделяются в период магнитных бурь. Мы видим это в качестве формирования солнечных пятен, где скручиваются магнитные линии и вращаются словно земные торнадо.

• Солнечный ветер представляет собою поток заряженных частичек, проходящих сквозь всю Солнечную систему на ускорении в 450 км/с. Ветер появляется там, где распространяется магнитное поле Солнца.

• Само слово произошло от древнеаглийского, обозначающего «юг». Есть также готические и германские корни. До 700 года н.э. воскресенье называли «солнечный день». Свою роль сыграл и перевод. Изначальное греческое «heméra helíou» перешло в латинское «dies solis».

Характеристика

Сравнительные размеры Солнца и планет Солнечной системы. Расстояние между объектами на соблюдено

Солнце — звезда главной последовательности G-типа с абсолютной величиной 4.83, что ярче примерно 85% других звезд в галактике, многие из которых выступают красными карликами. При диаметре 696342 км и массе – 1.988 х 10 30 кг Солнце в 109 раз крупнее Земли и в 333000 раз массивнее.

Это звезда, поэтому плотность меняется в зависимости от слоя. Средний показатель достигает 1.408 г/см 3 . Но ближе к ядру увеличивается до 162.2 г/см 3 , что в 12.4 раз превосходит земную.

В небе кажется желтым, но истинный цвет – белый. Видимость создается атмосферой. Температура возрастает с приближенностью к центру. Ядро нагревается до 15.7 млн. К, корона – 5 млн. К, а видимая поверхность – 5778 К.

Физические характеристики Солнца

радиус 6,9551·10 8 м Длина окружности экватора 4,370·10 9 м Полярное сжатие 9·10 −6 Площадь поверхности 6,078·10 18 м² Объём 1,41·10 27 м³ Масса 1,99·10 30 кг Средняя плотность 1409 кг/м³ Ускорение свободного

падения на экваторе 274,0 м/с² Вторая космическая скорость
(для поверхности) 617,7 км/с Эффективная температура

поверхности 5778 К Температура
короны

1 500 000 К Температура
ядра

13 500 000 К Светимость 3,85·10 26 Вт
(

3,75·10 28 Лм) Яркость 2,01·10 7 Вт/м²/ср