Тепло солнца достигает земли это конвекция

Почему атмосфера Солнца в сотни раз горячее, чем его поверхность — 80-летняя теория ученого наконец подтверждена

Видимая поверхность Солнца или фотосферы имеет температуру около 6000°C . Но в нескольких тысячах километров над ним — небольшое расстояние, если учесть размер Солнца — солнечная атмосфера, также называемая короной, в сотни раз горячее, достигая миллиона градусов Цельсия или выше.

Этот всплеск температуры, несмотря на увеличенное расстояние от основного источника энергии Солнца, наблюдается у большинства звезд и представляет собой фундаментальную загадку, над которой астрофизики размышляли на протяжении десятилетий.

В 1942 году шведский ученый Ханнес Альфвен предложил объяснение. Он предположил, что намагниченные волны плазмы могут переносить огромное количество энергии вдоль магнитного поля Солнца из его внутренней части в корону, минуя фотосферу, прежде чем взорваться теплом в верхних слоях атмосферы Солнца.

Теория была предварительно принята, но ученным все еще требовалось доказательство в виде эмпирических наблюдений, что эти волны существуют. Недавнее исследование , наконец, смогло подтвердить 80-летнюю теорию Альфвена и сделать еще один шаг к использованию этой высокоэнергетической феноменологии на Земле.

Горячие вопросы

Проблема нагрева короны возникла с конца 1930-х годов , когда шведский спектроскопист Бенгт Эдлен и немецкий астрофизик Вальтер Гротриан впервые наблюдали явления в короне Солнца, которые могли присутствовать только в том случае, если ее температура составляла несколько миллионов градусов по Цельсию.

Это означает, что температура в 1000 раз выше , чем в расположенной под ней фотосфере — поверхности Солнца, которую мы можем видеть с Земли. Оценить тепло фотосферы всегда было относительно просто: нужно лишь измерить свет, который доходит до нас от Солнца, и сравнить его со спектральными моделями, предсказывающими температуру источника света.

На протяжении многих десятилетий исследований температура фотосферы неизменно оценивалась примерно в 6000°C. Открытие Эдленом и Гротрианом того, что корона Солнца намного горячее фотосферы — несмотря на то, что она находится дальше от ядра Солнца, его основного источника энергии, — вызвал недоумение в научном сообществе.

Ученые обратились к свойствам Солнца, чтобы объяснить это несоответствие. Солнце почти полностью состоит из плазмы, которая представляет собой сильно ионизированный газ, несущий электрический заряд. Движение этой плазмы в конвективной зоне — верхней части солнечного недра — производит огромные электрические токи и сильные магнитные поля.

Эти поля затем вытягиваются из недр Солнца за счет конвекции и выходят на его видимую поверхность в виде темных солнечных пятен , которые представляют собой скопления магнитных полей, которые могут образовывать различные магнитные структуры в солнечной атмосфере.

Именно здесь на помощь приходит теория Альфвена . Он рассуждал, что внутри намагниченной плазмы Солнца любые объемные движения электрически заряженных частиц будут нарушать магнитное поле, создавая волны, которые могут переносить огромное количество энергии на огромные расстояния — от поверхности Солнца до его верхних слоев атмосферы. Тепло проходит по так называемым трубкам солнечного магнитного потока, прежде чем прорваться в корону, вызывая ее высокую температуру.

Эти магнитные плазменные волны теперь называются волнами Альфвена , и их роль в объяснении нагрева короны привела к тому, что Альфвен был удостоен Нобелевской премии по физике в 1970 году.

Наблюдение за альфвеновскими волнами

Но оставалась проблема наблюдения за этими волнами. На поверхности Солнца и в его атмосфере происходит так много всего — от явлений, во много раз превышающих размеры Земли, до небольших изменений, которые ниже разрешающей способности приборов ученных, — что прямых наблюдательных доказательств существования волн Альфвена в фотосфере до сих пор не было.

Но недавние достижения в приборостроении открыли новое окно, через которое можно изучать физику Солнца. Одним из таких инструментов является интерферометрический двумерный спектрополяриметр (ИДС) для спектроскопии изображений, установленный на солнечном телескопе Данна в американском штате Нью-Мексико. Этот инструмент позволил проводить ученным гораздо более подробные наблюдения и измерения Солнца.

В сочетании с хорошими условиями просмотра, передовым компьютерным моделированием и усилиями международной группы ученых из семи исследовательских институтов с помощью ИДС было впервые подтверждено существование альфвеновских волн в трубках солнечного магнитного потока.

Новый источник энергии

Прямое открытие альфвеновских волн в фотосфере Солнца — важный шаг к использованию их высокого энергетического потенциала здесь, на Земле. Они могут помочь, например, в исследовании ядерного синтеза, который представляет собой процесс, происходящий внутри Солнца, при котором небольшое количество материи преобразуется в огромное количество энергии. На нынешних атомных электростанциях используется деление ядер, которое, по мнению критиков, приводит к возникновению опасных ядерных отходов, — особенно в случае катастроф, подобных той, что произошла в Фукусиме в 2011 году.

Создание чистой энергии путем воспроизведения ядерного синтеза Солнца на Земле остается огромной проблемой, потому что ученным все еще предстоит быстро создать 100 миллионов градусов Цельсия, чтобы синтез мог произойти. Волны Альфвена могут быть одним из способов сделать это. Растущие знания ученых о Солнце показывают, что это, безусловно, возможно — при правильных условиях.

Кроме того, в ближайшее время нас ожидают новые солнечные открытия благодаря новым, новаторским миссиям и приборам. Спутник Европейского космического агентства Solar Orbiter сейчас находится на орбите вокруг Солнца, передавая изображения и проводя измерения неизведанных полярных областей звезды. В наземных условиях открытие новых высокопроизводительных солнечных телескопов также должно улучшить наблюдения за Солнцем с Земли.

Поскольку многие секреты Солнца еще предстоит открыть, включая свойства магнитного поля Солнца, это захватывающее время для исследований Солнца. Обнаружение ученными волн Альфвена — лишь один из вкладов в более широкую область, которая стремится раскрыть оставшиеся загадки Солнца для практического применения на Земле.

Источник

ТЕПЛО ОТ СОЛНЦА, ЕГО РАСПРЕДЕЛЕНИЕ. И ЦИРКУЛЯЦИЯ ВОЗДУХА

Все, что связано с погодой, имеет своим первоисточником солнце, так как явления, которые мы называем погодой, вызываются нагреванием океа­на, земли и воздуха солнечными лучами. Если бы интенсивность солнеч­ного тепла была одинаковой на всей земле и во всей окружающей ее атмо­сфере, «мы не имели бы метеорологических явлений, другими словами, у нас не было бы «погоды», и жизнь на земле почти прекратилась бы. К счастью, солнце нагревает землю и атмосферу неравномерно, вызывая этим ветры, облака, бури, гром, дождь и снег, и, таким образом, поддержи­вает на земле жизнь.

Другими словами, солнце является нашим постоянным слугой и стра­жем, вызывая непрерывное перемещение воды из океана на сушу и с суши в океан. Тепло солнца поднимает огромное количество воды с одной части земли и распределяет ее посредством облаков по другим частям нашего мира, нуждающимся в утолении своей жажды. Мы привыкли больше всего восхвалять землю, но мы не должны забывать, что нашими истинными спасителями являются облака, образующиеся под действием солнца.

Вы знаете по собственному опыту, что облака часто представляют опасность для летчика, особенно когда они уменьшают видимость вблизи поверхности земли. Но не забывайте, что полное отсутствие облаков в на­шей атмосфере означало бы также полное отсутствие летчиков, да и вообще всякой жизни на земле. Неудивительно, что древние поклонялись созда­телю облаков — солнцу!

Рис. 1. Тепло от солнца до­ходит до нас в виде лучистой энер­гии, проникающей через воздух. Часть этого тепла поглощается воз­духом, океаном, землей; остальное отражается обратно в пространство. F’°- Теплота может передаваться воз­духу посредством теплопроводности, конвекции и поглощения (абсорб­ции). Солнечное тепло, поступающее непосредственно в атмосферу, пред­ставляет меньшую долю всего атмос­ферного тепла по сравнению с теп­лом, отраженным от земли, хотя и отраженное тепло обязано своим про­исхождением также солнцу.

Воздух является очень плохим проводником теплоты, так что теп — р“с — лопроводность играет незначитель­ную роль при передаче тепла в атмос­феру. Главными же факторами пе­редачи тепла являются поглощение и конвекция (вертикальные потоки воздуха). Постоянные газы атмосфе­ры, как то: кислород, азот, аргон и др., поглощают очень мало тепла. Водяной пар, всегда имеющийся в атмосфере благодаря непрерывному испарению с поверхности воды и суши, поглощает значительную часть солнечного тепла либо непосред­ственно, либо в виде тепла, отра-

з — женного от земли.

Р и с. 2. Количество солнечного лучеиспускания (радиации), фактически достигающее поверхности земли, изменяется время от времени в широких пределах в зависимости от облач­ности. Облака, которые представляют собой не водяной пар, а жидкие ча­стицы воды, очень сильно отражают солнечные лучи. В облачный день (при небе, совершенно покрытом облаками) до поверхности земли доходит при-

мерно только 20% от всего напра­вленного на землю солнечного тепла, а остальные 80% отражаются от верхней поверхности облаков обрат­но в пространство. Среднее годовое распределение солнечного тепла при­мерно показано на круглой диаграм­ме. В дни несплошной облачности количество солнечного тепла, полу­чаемого землей, может достигать приблизительно 40% всего направ­ленного на землю солнечного тепла.

Рис. 3. Вследствие присутствия в атмосфере частиц пыли значитель­ное количество солнечного тепла рассеивается и теряется в простран­стве. Так как рассеивание проис­ходит во все стороны, то к земле направлено столько же рассеянной радиации, сколько и в пространство.

Р и с. 4. Количество солнечного тепла, поглощаемрго атмосферой, колеблется над различи ьщи. ч а с т я м и поверхности земноУоапара, каїрірка- зано на рисунке. В йкватарщалйщ^м, поясе землей поглщцаедся больше, солнечного тепла, чем бтрд’жртся обратно в прострачствв^ай.-средних широтах количество* тщгЯа, отражае­мого в пространство, примерно рав­но количеству, поглощаемому землей. По мере приближения к полюсу количество отражаемого тепла увеличивается по сравнению с поглощае­мым. Отсюда вы легко поймете, что раз имеется неравномерное распре­деление тепла, то атмосфера будет стремиться распределить ото тепло рав­номерно. В этом — секрет циркуляции воздуха.

Р и с. 5. Кривые одинаковых температур (изотермьі) летом изогнуты по направлению к полюсу, а зимой — к экватору. Если бы вся поверх­ность земли была одинакова, — всюду однородная суша или всюду во­да, — изотермы были бы параллельны географическим параллелям и отме — 2 Полсти и (ju. iyji&X
чали непрерывное равномерное изменение температуры между эквато­ром и полюсами. Однако на одной и той же широте наблюдаются разные температуры, так как поверхность земли представляет собой то сушу, то воду, причем температура воды гораздо более постоянна, чем темпера­тура суши. Летом суша теплее воды, что заставляет изотермы прогибаться к полюсу. Зимой суша холоднее воды, что вызывает противоположное явление.

Рис. 6. Рассматривая вертикальное распределение тепла в атмосфере, вы заметите два основных слоя: нижний, или тропосферу, в котором’всегда происходят вертикальные перемещения воздуха, и верхний слой, или стратосферу, в котором происходят преимущественно горизонтальные перемещения воздуха. В тропосфере температура непрерывно падает с увеличением высоты примерно на 0,6° С (Цельсия) на каждые 100 м подъе­ма. В стратосфере температура остается почти постоянной независимо от высоты. Зона, отделяющая тропосферу от стратосферы, называется тропо­паузой. Высота тропопаузы над землей меняется. Летом она больше, так как одна и та же масса воздуха, будучи летом теплее, чем зимой, рас­ширяется и поднимает область тропосферы на большую высоту. Кроме того, летом вертикальные потоки воздуха распространяются выше. По той же причине высота тропосферы над экватором больше, чем над полюсами.

Рис. 7. Нормально разница в давлении между двумя точками на поверхности земли, например Л и В на рисунке, в горизонтальном направ­лении чрезвычайно незначительна по сравнению с изменением давления по вертикали — при изменении высоты. Например, разница в барометрических давлениях в точках Аж В (отстоящих одна от другой на 100 км) в среднем будет 2—3 мм ртутного столба. Если же вы подниметесь вертикально над А или В на высоту примерно 300 м, ба­рометрическое давление упадет на 25 мм. Мерой разницы давления в двух точках, лежащих на поверхности земли на одном уровне, служит «барометрический градиент», и чем больше изменение давления, т. е. чем выше градиент, тем сильнее будет поток воздуха из области с более высоким давлением в область с более низким давлением.

Рис. 8. Циркуляция земной атмосферы совершается по некоторым достаточно определенным направлениям, которые вы могли бы логически предугадать, принимая во внимание неравномерность распределения сол­нечного тепла по земной поверхности. Принцип циркуляции показан на рисунке применительно к сравнительно небольшому району. Однако с не­которыми изменениями он приложим вообще к движениям атмосферы в боль­шом масштабе. . — . .

Изобарами называются линии равного барометрического давления. Это значит, что изобарические линии проходят через точки, имеющие оди­наковое барометрическое давление. Изобары, которые вы видите на метео­рологической карте, указывают только края «изобарических поверхностей», которые в виде куполов поднимаются в атмосферу. Представим себе чай­ную чашку, поставленную вверх донышком на ровную поверхность. Края чашки, непосредственно соприкасающиеся с поверхностью, аналогичны линейной (поверхностной) изобаре, тогда как выпуклая поверхность чашки аналогична изобарической поверхности. Таким образом, край изо­барической поверхности может быть указан в одном месте карты погоды; для того же, чтобы получить тот же отсчет барометрического давления в другом месте, придется подняться в воздух.

Холодный воздух тяжелее теплого; поэтому, если вы поднимаетесь в холодном воздухе, понижение давления на каждые, скажем, 300 м подъема будет происходить быстрее, чем при подъеме в теплом воздухе. Объем, заключающий в себе определенный вес называется удельным объе­мом. При том же весе объем теплого воздуха больше, чем объем холод­ного воздуха. Вы легко поймете, что кубический метр холодного воздуха весит больше, чем кубический метр теплого воздуха.

На рис. 8, иллюстрирующем принцип циркуляции атмосферы, пока­зан вертикальный разрез атмосферы между источниками холодного и теп­лого воздуха с пересекающимися линиями равного давления и равного удельного объема. Воздух у теплого источника теплее, чем окружающий его воздух, который, будучи холодным, конечно, имеет большую плот­ность. Поэтому теплый воздух поднимается в слои атмосферы, где баромет­рический градиент направлен из района над теплым источником в район над холодным источником. Как только теплый воздух, перемещаясь в сто­рону холодного источника, оказывается над ним, он охлаждается, стано­вится тяжелее и начинает опускаться. Подъем воздуха над теплым источ­ником вызывает падение атмосферного давления; поэтому барометриче­ский градиент внизу будет направлен от холодного источника к теплому, что вызовет циркуляцию воздуха, как это показано на рисунке стрелками.

Если мы будем рассматривать экваториальный пояс как теплый источ­ник, а полярную область как холодный источник, то рис. 8 покажет нам циркуляцию между экватором и полюсом в том виде, в каком она соверша­лась бы, если бы земля была правильным шаром с гладкой поверхностью однородного строения и не вращалась.

Рис. 9 и 10. На этих рисунках показана местная циркуляция воздуха, а именно морской и береговой бризы, возникающие: первый—днем, вто­рой — ночью. Днем суша становится теплее океана; прилегающий к суше воздух нагревается, что вызывает вертикальные потоки; подымающийся воздух в свою очередь замещается прохладным морским воздухом, пере­двигающимся горизонтально к суше; в результате получается нечто броде карусели. Ночью происходит обратное явление: циркуляция совершается в направлении, противоположном тому, в котором она происходит днем.

Рис. 11. Как сказано выше, если предположить, что земля имеет од­нородно гладкук? поверхность и не вращается, то поток воздуха примет примерно такой вид, как на рис. 8. Но в действительности циркуляция происходит примерно так, как показано здесь. Вращение земли изменяет направление циркуляции воздуха и в северном полушарии постоянно отклоняет воздух вправо. На экваторе поверхность земли отстоит дальше от оси вращения, чем, например, на 30° северной широты; поэтому линей­ная скорость имеет наибольшее значение в точке, расположенной на эква­торе, и уменьшается с увеличением широты. Другим фактором, влияющим на направление циркуляции воздуха, является трение о земную поверх­ность, оказывающее значительное влияние на нижние слои воздуха. Грубо говоря, циркуляция воздуха становится параллельной изобарам на высо­те 500 м или больше над поверхностью земли. Ниже этой высоты трение о поверхность земли сильно дает себя чувствовать, и воздух имеет тенден­цию течь поперек изобар, причем угол потока зависит от степени трения и разности давлений в источниках высо­кого и низкого давления.

Для простоты мы будем сперва рас­сматривать только северное полушарие.

Помимо всех прочих факторов, влияю­щих на циркуляцию воздуха между экватором и полюсом, наблюдается на­копление воздуха примерно на 30° се­верной широты; этот воздушный барьер создает цояс областей высокого давле­
ния, окружающий земной шар. От этого пояса высокого давления происхо­дит циркуляция воздуха, направленная у поверхности земли к эква­тору, известная под названием северо-восточных пассатов, — поток воз­духа от пояса высокого давления к областям низкого давления в эква­ториальном поясе.

К северу от пояса высокого давления примерно до 60° северной широ­ты господствуют западные ветры. Эти ветры дуют преимущественно с юго — запада. Экваториальный воздух перемещается к северу на большой высоте. Часть его из-за отклоняющей силы вращения земли накапливается на 30° северной широты, как показано на рисунке, а другая часть продолжает перемещаться по направлению к полюсу, создавая накопление воздуха в полярном районе. Это создает здесь область высокого давления с постоян­ным потоком воздуха от полюса на юг в нижних слоях в виде северо-восточ­ных ветров. Сочетание господствующих западных ветров в нижних слоях атмосферы от 30° примерно до 60° северной широты с потоком воздуха от экватора к полюсу в верхних слоях создает в полярном районе скопление воздуха, не затрагиваемое замкнутой полярной циркуляцией. Этот накоп­ленный воздух вторгается в средние широты в виде спорадических глубо­ких прорывов холодного воздуха, часто распространяющихся в область пассатов. Эти прорывы воздуха из полярной области представляют собой последнюю попытку земной атмосферы приспособиться к неравномерному распределению тепла над земной поверхностью.

Разница между искусным и неискусным
летчиком та, что первый всегда
учитывает погоду.

Источник