Почему светит солнце
Солнце является единственным источником энергии, которая поступает к нашей планете из космического пространства. Каждую секунду на поверхность Земли Солнце изливает энергию, для выработки которой потребовалось бы 150 миллионов мощных электростанций. Откуда берётся этот невообразимый океан солнечной энергии, который не иссякает сотни миллионов лет?
Гигантский шар Солнца состоит в основном из двух самых лёгких газов – водорода и гелия. Быть может, солнечная энергия возникает благодаря их горению? Гелий гореть не может. Он относится так называемым инертным газам, то есть не реагирует с большинством других веществ. Водород гореть может. Более того, в смеси с газом кислородом он образует гремучий газ, который сгорает так быстро, что получается настоящий взрыв! Однако на Солнце кислорода нет. К тому же температура горения смеси водорода и кислорода не превышает 2800 Со, поверхность же Солнца раскалена до 5800 Со. По оценкам учёных, температура в центре Солнца должна достигать 15 миллионов градусов. Такой жар не может обеспечить ни одно топливо на свете!
Солнечная энергия не является результатом горения. Она образуется в процессе термоядерного синтеза. Хорошо известно, что все вещества состоят из крошечных атомов. Их строение в чем-то похоже на устройство нашей Солнечной системы. В центре атома находится ядро, вокруг которого на большом расстоянии расположены орбиты заряженных частиц – электронов. Под воздействием чудовищного давления в центре Солнца атомы водорода настолько сближаются, что их ядра начинают соединяться друг с другом. В результате из четырех водородных ядер получается (синтезируется) одно ядро гелия. При этом выделяется огромное количество энергии! Иначе говоря, Солнце светит благодаря тому, что в его недрах каждую секунду 584 миллиона тонн водорода превращается в 560 миллионов тонн гелия.
Если людям на Земле удастся воспроизвести термоядерный синтез, в их руках зажжется маленькое солнце! Беда в том, что в земных условиях очень трудно создать давление и температуру, которые нужны для начала удивительного процесса превращения водорода в гелий. Пока термоядерный синтез удаётся осуществить только при взрыве водородной бомбы. Он происходит я в ядра как бы в два этапа. Сначала срабатывает обычный ядерный заряд. В результате на доли секунды температура и давление в очень маленьком объёме становятся такими же, как и в центре Солнца. Только тогда ядра водорода начинают превращаться в ядра гелия, и в результате выделяется чудовищная энергия, всё сметающая на своём пути. Впервые водородная бомба была взорвана 1 ноября 1952 года в Тихом океане. В этот момент на мгновение над затерявшимся в безбрежном океаническом просторе атоллом Эниветок вспыхнуло рукотворное светило. Однако его энергия несла с собой только уничтожение.
Наше Солнце – это термоядерный взрыв, который длится вот уже несколько миллиардов лет. Благодаря крохам его энергии, долетающей до Земли, на нашей планете существует жизнь.
Солнце – это гигантский газовый шар. Его масса в 330 тысяч раз больше массы Земли. Диаметр Солнца составляет почти 1,4 миллиона километров. Поэтому потоки энергии, образовавшейся в центре Солнца благодаря термоядерному синтезу, достигают его поверхности через миллионы лет. Поверхность нашего светила напоминает суп, кипящий в глубокой кастрюле. Из его недр постоянно поднимаются гигантские потоки газа, нагретого почти до 6 тысяч градусов. Диаметр таких «газовых столбов» достигает 20 – 50 тысяч километров. Между ними могут располагаться чуть менее нагретые области с температурой около 4300 Со. На более ярком фоне наблюдателю с Земли они кажутся тёмными пятнами. Внешняя излучающая поверхность Солнца называется хромосферой (греч.chroma – «цвет»). Её толщина составляет 7 – 8 тыс. км. Под ней находится фотосфера (греч. photos – «свет»). Поверхность Солнца можно увидеть, если посмотреть на него через закопчённое стекло (смотреть на Солнце без защиты нельзя – можно повредить зрение и обжечь глаза). Выше фотосферы и хромосферы располагается разряженная солнечная корона, которая видна только во время солнечных затмений. С помощью телескопов со специальными фильтрами на поверхности Солнца можно наблюдать огромные факелы раскалённого газа – протуберанцы. Высота некоторых из них достигает десятков и даже сотен тысяч километров.
Строение солнца
Учёные, исследовав излучение Солнца, выяснили, что у нашего светила можно условно – в зависимости от изменения физических условий: давления и температуры, – выделить несколько концентрических слоёв, которые постепенно переходят друг в друга.
Ядро солнца
В центре Солнца темпера тура 15 млн. градусов, давление – 220 млрд атмосфер, а плотность в 150 раз выше плотности воды. Здесь наиболее интенсивно происходит выделение энергии в результате ядерной реакции превращения водорода в гелий. По мере удаления от центра звезды температура и давление уменьшаются. На расстоянии 0,3 радиуса Солнца от его центра температура становится меньше 5 млн градусов, а давление снижается до 10 млрд атмосфер. В этих условиях ядерные реакции уже не могут происходить. Центральную часть Солнца – его «ядерную топку» – называют ядром Солнца. Выделяющаяся при этом энергия медленно – сотни тысяч лет – «добирается» до поверхности нашей звезды и затем излучается в космическое пространство.
На расстоянии примерно 0,3 радиуса Солнца от его поверхности находится так называемая конвективная зона (конвекция – «перемещение», «перемешивание»): солнечное вещество «кипит», как вода в чайнике. Тепло, увлекаемое движущимся потоком вещества, переносится к следующим слоям Солнца. Конвективные потоки устремляются к солнечной атмосфере. Условно в атмосфере Солнца выделяют три основных слоя: фотосферу, хромосферу и корону.
Фотосфера
Фотосфера (в переводе с греческого – «сфера света») – это слой Солнца, который излучает в виде света и тепла практически всю приходящую к нам энергию. Эта доступная непосредственному наблюдению поверхность Солнца (хотя никакой «поверхности» в обычном понимании этого слова наше светило не имеет) является нижним слоем солнечной атмосферы, толщина которого равна примерно 300 – 400 км. Температура в фотосфере растет с глубиной и в среднем близка к 6000 градусов.
Фотосфера Солнца неоднородна, она имеет зернистое строение. Эти «зёрна» – гранулы, размерами около 1000 км – постоянно возникают и распадаются, время их жизни всего несколько минут. Так что поверхность Солнца похожа, к примеру, на кипящую рисовую кашу 7 (только «кипение» происходит гораздо медленнее). Учёные считают, что «кипение» поверхности нашей звезды – результат конвекции: гранулы являются вершинами конвективных потоков. Раскалённый газ, поднявшись из глубины Солнца, охлаждается и вновь опускается.
На поверхности фотосферы, помимо гранул, заметна более крупная сетка – так называемая супергрануляция. Её ячейки, напоминающие пчелиные соты, имеют размеры в многие тысячи километров. Супер-
гранулы существуют в вечно кипящей фотосфере гораздо дольше гранул – примерно сутки. Такую устойчивость им придаёт связанное с каждой ячейкой магнитное поле. Гранулы и супергранулы наблюдаются на поверхности Солнца постоянно, а другие детали фотосферы: пятна, факелы – появляются лишь время от времени
Хромосфера
Хромосфера (в переводе с греческого – «цветная сфера»), слой разреженного газа, простирается над фотосферой на высоту 10 – 14 тыс. км. Своё название эта часть атмосферы Солнца получила за присущий ей красный цвет. Хромосферу можно наблюдать в начале и в конце полного солнечного затмения: тёмный лунный диск на мгновение обрамляется сияющим красно-розовым кольцом. При помощи современных приборов астрономы наблюдают и изучают хромосферу на всём диске Солнца и вне фазы затмения.
Солнечная хромосфера всё время находится в движении. В ней непрерывно видны струи выбрасываемых газов – хромосфера напоминает множество мелких фонтанов. Отдельные струи раскалённого газа – их называют спикулы – поднимаются выше других (до 10 тыс. км.), изгибаются, наклоняются, как языки пламени над костром. Поперечник спикул достигает 1 тыс. км.
Корона
Во время полных солнечных затмений астрономы наблюдают не только красноватую хромосферу. Становится заметной также самая внешняя оболочка Солнца, светящаяся слабым серебристым светом. Это солнечная корона – наиболее протяженный слой атмосферы нашего светила.
Корону можно наблюдать и вне затмений при помощи специального телескопа – коронографа, в фокусе объектива которого ставится зачернённый диск («искусственная луна»). Коронографы устанавливают высоко в горах, где значительно меньше рассеивание света в земной атмосфере.
Астрономы заметили, что в разные годы вид солнечной короны не одинаков. Оказалось, он зависит от солнечной активности. В период её максимума крона широко раскинута вокруг Солнца (иногда на несколько солнечных радиусов), а в периоды минимума она, как правило, вытягивается вдоль солнечного экватора.
Корона Солнца излучает радиоволны, которые принимают на Земле при помощи радиотелескопов.
Корона не однородна – в ней наблюдаются лучи, дуги, отдельные сгущения вещества. Возникновение деталей короны неразрывно связано с пятнами и факелами, а также с явлениями, происходящими в хромосфере.
Как далеко простирается солнечная корона? Астрономы определили по фотографиям, полученным во время затмений, что корона «раскинута» на расстоянии нескольких солнечных радиусов от края Солнца. Самые внешние и наиболее горячи её слои – так называемая «сверхкорона» – как бы испаряется в межпланетном пространстве. Таким образом, солнечная корона является источником плазменного (солнечного) ветра – потока вещества, текущего от нашего светила.
Солнечная активность
Временами в атмосфере Солнца появляются образования, резко отличающиеся от остальной поверхности нашей звезды. Иногда в некоторых областях напряженность магнитного поля во много раз возрастает. Этот процесс сопровождается возникновением целого комплекса явлений солнечной активности в различных слоях солнечной атмосферы. К ним относятся пятнами и факелы в фотосфере, протуберанцы в короне. Наиболее замечательным явлением, охватывающим все слои атмосферы Солнца и зарождающимся в хромосфере, являются солнечные вспышки.
Пятна на солнце
Ещё задолго до изобретения телескопа люди заметили, что иногда на неярком заходящем или видимом сквозь лёгкие облака Солнце видны тёмные пятна. Их наблюдали, например, 2000 лет назад китайские астрономы, изучая наше светило в моменты, когда оно опускается за горизонт. Упоминания о пятнах на Солнце содержатся и в хрониках Древнего Рима, и в летописях времён Киевской Руси.
Солнечные пятна имеют размеры в несколько десятков тысяч километров, диаметры же наибольших 200 тысяч километров. Важнейшая особенность пятен – наличие в них сильных магнитных полей. Время существования этих образований в фотосфере – от нескольких дней до нескольких месяцев. Иногда на Солнце совсем не бывает пятен, а иногда одновременно заметны сразу несколько десятков.
Центральная часть ядра – ядро (или тень) – окружена волокнистой полутенью. Пятна выглядят как конические воронки, глубина которых около 300–400 километров. Но это только видимость углубления. Вещество Солнца в пятне более прозрачно, чем на остальной поверхности, и становятся видны более глубокие слои звезды. Пятна кажутся тёмными лишь по контрасту с сияющей фотосферой. На самом деле температура ядра (самой холодной его части) равна приблизительно 4300 градусов.
Многолетние наблюдения учёных показали, что увеличение и уменьшение количества пятен имеет циклический характер, причём продолжительность цикла составляет примерно 11 лет.
Активность солнечных пятен, по-видимому, имеет отношение и климату на Земле. В 1650–1715 гг. пятна на Солнце практически не наблюдались, наша звезда была на удивление спокойной. Это соответствовало периоду исключительно холодной погоды в Европе.
Факелы – постоянные спутники пятен – образования более светлые, чем фотосфера, а значит, и более горячи. Если группа пятен находится вблизи края солнечного диска, то вокруг неё обычно видно множество факелов – так называемое факельное поле. Астрономы полагают, что в местах, где возникают факелы, на поверхность Солнца выносится более горячее вещество, чем в других участках фотосферы. Факелы обычно появляются чуть раньше пятен и существуют в среднем в три раза дольше, чем они.
Солнечные вспышки
Одно из интереснейших и самых мощных проявлений солнечной активности – вспышки. Они наблюдаются в относительно небольших участков хромосферы и короны, которые расположены над группами солнечных пятен. Сначала небольшой участок хромосферы становит-ся очень ярким, а затем область вспышки охватывает всё большее пространство – десятки миллионов квадратных километров. Самые слабые вспышки исчезают через 5 – 10 минут, а самые мощные бушуют в течение нескольких часов. Не очень сильные вспышки происходят по нескольку раз в сутки. По своему характеру – стремительному развитию – вспышки представляют собой колоссаль-ные взрывы, причиной которых является внезапное сжатие солнечной плазмы. Оно происходит под влиянием магнитного поля и приводит к образованию длинного плазменного жгута (или ленты). Длина его может равняться десяткам и даже сотням километров.
Солнечные вспышки напоминают в некотором отношении земные грозы. Однако на Солнце энергия гигантских электрических разрядов намного превосходит энергию земных молний. В течение нескольких секунд вырабатывается больше энергии, чем произвели за всё время своего существования все земные электростанции!
Протуберанцы
На краю солнечного диска в специальный телескоп можно увидеть протуберанцы (от лат.protubero – «вздуваюсь») – гигантские огненные струи, возникающие в солнечной короне или выбрасываемые в неё из хромосферы.
Особенно эффектны протуберанцы, видимые во время полных затмений Солнца. Они похожи на языки пламени или огромные облака и образуют характерные арки и петли. Вещество протуберанцев поглощает и рассеивает идущее снизу излучение, поэтому на ярком диске Солнца они видны как тёмные волокна.
Астрономы определили, что не все протуберанцы изменяются одинаково. Спокойные существуют по нескольку недель или даже месяцев, активные – гораздо меньше. Иногда они разрушаются медленно, и вещество, выброшенное в пространство, постепенно «тает», подобно земным облакам. А иногда вздымаются и быстро оседают, опускаясь вниз из солнечной короны.
Жизнь и смерть звезды
Наше Солнце светит вот уже более 4,5 миллиардов лет, постоянно расходуя своё «ядерное топливо» – водород. Очевидно, что как бы ни были велики его запасы, рано или поздно этот ресурс будет исчерпан. Когда же это произойдёт, и что тогда случится с нашим светилом? Астрономы, изучающие звёзды, могут ответить на эти вопросы. Ведь в космосе существуют звёзды патриархи, которые на 8–10 миллиарды лет старше нашего Солнца. Встречаются и совсем юные звёздочки, которым от роду не более нескольких миллионов лет. Следовательно, наблюдая за состоянием различных звёзд во Вселенной, можно понять, как они ведут себя с течением времени.
Когда запасы водорода в центральной части Солнца будут исчерпаны, термоядерная реакция не прекратится. Зона, где будет происходить этот процесс, начнёт двигаться по направлению к поверхности светила. Так огонь от потухшего костра перекидывается на окружающую его сухую траву. Силы гравитации уже не смогут сдерживать давление, возникающее в результате термоядерной реакции. Так наше Солнце начнёт медленно распухать, постепенно становясь красным гигантом. Его размеры возрастут на столько, что поглотят ближайшие к светилу планеты – Меркурий, Венеру и нашу Землю. К счастью, процесс «умирания» Солнца будет не скоро. По расчётам учёных, оно будет светить по-прежнему ещё несколько миллиардов лет.
Трудно сказать, что произойдет с человечеством за такой невообразимо долгий период времени. Все люди на нашей планете составляют единый биологический вид, а виды не живут так долго. Быть может, к тому времени на Земле будут существовать люди совсем иного вида. Вполне возможно также, что развитие техники приведёт к ситуации, когда разум на Земле примет какие-то иные формы, которые и представить сейчас трудно. В любом случае, Солнце будет оставаться старым добрым светилом на протяжении жизни сотни и тысяч поколений людей.
Превращение Солнца в красного гиганта ещё не будет концом нашего светила. В конце концов энергия термоядерной реакции отбросит в космос внешние оболочки Солнца, а силы тяготения сожмут его «выгоревшее» и лишенное ядерной энергии гелиевое ядро в невероятно плотное и массивное образование. Учёные называют такие остатки потухших и постепенно остывающих звёзд белыми карликами.В космосе они составляют около одной десятой всех звёзд.
Комментарии