Солнце дневная звезда 11 класс

§ 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

Конспект урока: Солнце — дневная звезда. Строение и основные характеристики Солнца. 11 класс

Цель урока: познакомить учащихся со строением Солнца, и основными явлениями происходящих на нём

Тип урока: Изучение нового

Ход урока

1. Организационный момент

Сообщение темы урока и цели урока

Опрос домашнего задания в виде теста

2. Изучение нового материала

Солнце — дневная звезда. Строение и основные характеристики Солнца. Солнечно-земные связи

С древних времен Солнцу отводили особую роль, его обожествляли, приписывали ему особые свойства и силу. Но природа Солнца стала понятна людям только в XX в. Даже выдающийся астроном Гершель считал Солнце прохладным и обитаемым миром.

Солнце — дневная звезда. Когда смотришь ночью на небо и видишь огромное количество сияющих звезд, трудно предположить, что одна из таких звезд находится совсем рядом с нами, в каких-нибудь восьми световых минутах от Земли. Мы наблюдаем эту звезду каждый день и называем ее Солнце. Это единственная звезда, которую можно изучить подробно. Большую часть информации о Солнце мы получаем, изу­чая его спектр. В спектре этой звезды обнаружены спектральные ли­нии более 70 химических элементов. Используя приборы и свето­фильтры, мы можем заглянуть на разные глубины Солнца, а применяя прямое фотографирование происходящих на звезде явлений, можем составить ее портрет. Только в последние годы мы начали постигать природу Солнца, а значит, и лучше понимать природу других звезд. Солнечная физика стала одной из важнейших дисциплин современной астрономии. Для астрономов Солнце — огромная лаборатория для изучения структуры и энергии звезд.

Строение и основные характеристики Солнца. По современным представлениям Солнце — это cфepa горячих газов и вызываемой ими радиации. Средняя плотность Солнца 1,4 г/см 3 , причем к центру плотность солнечного ве­щества достигает не­скольких десятков грам­мов в кубическом санти­метре. Структуру Солн­ца схематично можно представить следующим образом (рис.10.13): 0,3 радиуса Солнца от его центра — зона ядерных реакций, далее — зона переноса энергии излу­чением и зона переноса энергии конвекцией. Атмосферу Солнца под­разделяют на фото сферу, хромосферу и корону.

Ядро Солнца нахо­дится глубоко под сол­нечной атмосферой и состоит из ядер атомов. Здесь давление достигает сотен миллиардов атмосфер, а температура 15 млн. градусов. При такой температуре в солнечных недрах идут термоядерные реакции и водород превращается в гелий. За счет превращения водорода в гелий и светит наше Солнце, теряя при этом до 4 млн. т своего вещества в секунду. При такой скорости расходования вещества Солнца хватит еще на несколько миллиардов лет.

Большая часть света, которая доходит до нас, идет с верхнего тонкого видимого слоя Солнца — фотосферы, которую мы наблюдаем как резко очерченный солнечный диск. Толщина фотосферы всего около 200 км. Температура на этой видимой поверхности Солнца достигает 6000°С. Фотосфера имеет зернистое строение и похожа на кипящую рисовую кашу, только размер каждого такого зернышко гранулы составляет около тысячи километров. Светлые гранулы это горячее вещество, поднимающееся вверх из недр Солнца, атомные — холодное вещество, опускающееся вниз. Некоторые образования на Солнце доступны для наблюдений всем любителям астрономии. Это всем известные солнечные пятна. Особенно крупные им огни люди могли наблюдать еще до телескопа. Их размеры и срок жизни зависят от величины магнитного поля Солнца. Магнитное поле замедляет конвекцию и шумы Солнца, и место, которое мы наблюдаем как солнечное пятно, также определить как более холодный участок фотосферы. Солнечные пятна это регионы магнитных полей, вырывающихся на поверхность и исчезающих через несколько часов или растущих и существующих месяцами в 11летнем цикле активности Солнца. Под активностью Солнца подразумевают различные нестационар­ные образования, в том числе и пятна. Чем больше солнечных пятен наблюдается на поверхности, тем Солнце считается активнее. Число Вольфа (W) — своеобразный индекс активности Солнца. Посчитать его очень просто:

где g — число групп, a f — общее число всех пятен и пор, наблюдаемых на поверхности Солнца.

Нужно отметить, что Солнце — совершенно непредсказуемый мир. Солнечные вспышки внезапно появляются в окрестностях пятен над фотосферой. Вспышки на Солнце — это самые большие взрывы в Солнечной системе. Интенсивные вспышки света, взрывающиеся с силой миллиардов водородных бомб, двигаются со скоростью нескольких сот миль в секунду, а через несколько минут исчезают. Появление вспышки сопровождается явлениями не только в ближайших окрестностях Солнца, но и во всем околосолнечном пространстве.

Над фотосферой находится более разреженный слой — хромосфера. Хромосфера — слой, в котором происходят быстрые конвективные движения газов, поднимающихся вверх и опускающихся вниз. Ее толщина около 20 000 км. Особенно мощные выбросы газов называют­ся протуберанцами. Солнце обращается вокруг своей оси в среднем за 27 дн. Из-за того что экваториальные регионы Солнца вращаются быстрее полярных, газ и магнитные поля образуют особую структуру, которая и вызывает появление протуберанцев. Протуберанцы (выбросы) по размеру в десятки раз больше нашей Земли. Выры­вающиеся на высоту более полумиллиона миль над поверхностью газа протуберанцы вызываются магнитными полями Солнца.

Языки вырывающихся газовых испарений протуберанцев переходят из хромосферы в окружающую ее корону, которая простирается на расстояние до 2 000 000 км. Корона — это плазма с температурой больше миллиона градусов. Наблюдать и исследовать корону можно во время полных солнечных затмений. Форма солнечной короны зависит от активности Солнца. Солнечный ветер, усиливаю­щийся в годы активного Солнца, несет мощный поток заряженных частиц в космическое пространство.

Начало научных исследований в области астрономии в Казахстане было также связано с Солнцем — наблюдением полного солнечного затмения в сентябре 1940 г. Полоса полного солнечного затмения проходила через Алматы, куда съехались наблюдать, а впоследствии остались жить и работать астрономы из разных городов Советского Союза. При активной поддержке первого президента Казахской академии наук Каныша Имантаевича Сатпаева при академии был организован Институт астрономии и астрофизики (ныне переименован в Астрофизический институт), который успешно работает и в наши дни.

Солнечно-земные связи. На Земле мы также можем наблюдать события, связанные с солнечными изменениями. Например, северное сияние. Оно возникает в темноте арктического неба. Интенсивность северного сияния возрастает, когда вблизи центрального меридиана Солнца проходит большая группа пятен. В это время на Земле может нарушаться радиосвязь, нормальное состояние ионосферы. Солнечная активность — это совокупность многих явлений на Солнце, а солнечные пятна — это хорошо фиксируемая и наблюдаемая даже любителями астрономии часть этих явлений. Солнечная активность влияет на высокотехнологические системы на Земле, погоду, а также на растительный и животный мир планеты.

Лучистая энергия Солнца — основа всех жизненных процессов на Земле. Любое энергетическое топливо нашей планеты имеет в своей основе солнечную энергию, пришедшую сюда в прошлые времена. Сейчас во многих странах напрямую используют солнечную энергию для обогрева жилищ, устанавливая солнечные батареи. Это самое дешевое и, что самое важное, экологически чистое топливо. За ним будущее.

Все процессы, происходящие на Солнце, так или иначе влияют на Землю и потому требуют тщательного изучения. К Солнцу отправ­ляют специальные зонды. Один из последних — зонд «Улисс». Он позволит изучить солнечные полюсы, практически недоступные для наблюдения с Земли. Именно на полюсах Солнца раскрываются линии его магнитного поля, которое является важным объектом изучения. Солнце неохотно раскрывает свои тайны. До сих пор не решена загадка солнечных нейтрино, вернее, их малого количества. Требуются новые эксперименты и новые космические посланники к светилу.

Активность Солнца как по срокам, так и по интенсивности ее проявлений в столь короткий даже по человеческим меркам отре­зок времени пока непонятна. Последний пик солнечной активности пришелся на 2001 г., следующий должен произойти примерно в 2012 г. Однако вместо ожидаемого спада активности, который (теоретически) должен был прийти на смену пику, Солнце снова бурлит и волнуется.

Последние годы отмечены беспрецедентным всплеском солнечной активности, не имеющим аналогов в истории наблюдений за свети­лом. Несмотря на то, что, согласно современным представлениям, Солнце находится сейчас не в максимуме 11 -летнего цикла активности, 1 июля 2002 г. была зафиксирована мощнейшая вспышка, сопровож­давшаяся выбросом протуберанца, размер которого более чем в 30 раз превышал диаметр Земли. Во второй половине того же месяца на Солнце произошла серия из четырех вспышек — самых мощных за всю историю наблюдений за Солнцем космической станцией «SOHO».

21 октября 2003 г. были зарегистрированы еще две мощные вспышки, связанные с одной из сильнейших в нынешнем 11-летнем цикле группой солнечных пятен. Одна из них была сравнима по размерам с крупнейшей планетой Солнечной системы Юпитером. В августе 2004 г. солнечные пятна можно было наблюдать невоору­женным глазом, а редкими по красоте полярными сияниями смогли вдоволь насладиться жители таких районов Земли, где и снега-то никогда не видели.

Сейчас наше Солнце достигло среднего возраста. Пройдет еще несколько миллиардов лет, и оно погаснет. Но перед этим светило пройдет стадию красного гиганта. Планеты Меркурий и Венера будут им поглощены, на Земле закипят океаны, а на далеком Титане начнут таять льды и может появиться жизнь. Но самому Солнцу останется совсем немного — оно начнет гаснуть. Медленно сжимаясь, наша главная звезда умрет. Внешние оболочки исчезнут, и останется только беленькая звездочка не больше Земли. Медленно остывая до нулевой температуры, Солнце закончит свою жизнь как черная невидимка.

Человечество прошло долгий путь до правильного понимания природы Солнца и звезд, до определения их истинного места во Вселенной. Сегодня мы знаем, что Солнце — желтая звезда средней величины, которая излучает тепло и свет последние 5 млрд. лет. Оно оказалось обычной звездой среднего возраста. И даже расположено не в центре, а ближе к краю огромного звездного скопления, называемого Галактикой, включающего в себя 150 млрд. звезд. Оно осталось главным только для нашей планетной системы. Ее светом и жизнью. Оно поддерживает существование всех тел в Солнечной системе.

Таким образом, о Солнце в настоящее время известно следующее. Масса Солнца в 330 000 раз больше массы Земли, линейный диаметр — в 109 раз, а объем — в 1 300 000 раз больше земного. Температура в центре от 10 до 15 млн. градусов, температура видимой части 6000 С. Солнце теряет в секунду 4 млн. т своего вещества. Ускорение свободного падения на Солнце в 27,9 раз больше земного. Солнечная постоянная 1,4 кВт/м, светимость 3,8 • 10 26 Вт, видимая звездная величина 26,8′».

ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

10.4.1. Посчитайте индекс активности Солнца.

10.4.2. Посчитайте абсолютную звездную величину Солнца, если расстояние до него 150 млн. км.

10.4.3. На Солнце произошла вспышка, в результате которой была выброшена плазма. Через трое суток выброс солнечной плазмы достиг Земли и вызвал сильное возмущение ее магнитосферы. С какой скоростью двигалась плазма? (1 а. е. — 150 млн. км)

Итоги урока и домашнее задание.

Скачать Чтобы скачать материал зарегистрируйтесь или войдите!

Источник