1. Общие сведения. Солнце занимает исключительное положение в жизни человека. Оно обеспечивает нас светом, теплом, является источником всех видов энергии, используемых людьми. Солнце влияет на магнитное поле и верхние слои атмосферы Земли, вызывая магнитные бури, ионизацию и циркуляцию атмосферы. Солнечная «погода» влияет на климат, биосферу и земную жизнь в целом.
Радиус Солнца в 109 раз больше радиуса Земли
Рисунок 109 — Соответствие между положением фраунгоферовых линий солнечного спектра и линиями химических элементов
Солнце — центральное тело Солнечной системы, типичная звезда, представляющая собой раскалённый плазменный шар. Солнце — одна из 200 млрд звёзд нашей Галактики. Детально изучая физическую природу Солнца, мы получаем важнейшие сведения о природе остальных звёзд. Диск Солнца, видимый с Земли, — ослепительно жёлтый круг со средним угловым диаметром 32′. Свет от него доходит до Земли за 8.33 мин.
Диаметр Солнца равен 1 млн 392 тыс. км (109 диаметров Земли). Объём Солнца, таким образом, более чем в миллион раз превосходит объём Земли, а его масса составляет М\( \bigodot \) = 1,99 • 1030 кг, что примерно равно 330 000 земных масс.
Измерения за пределами земной атмосферы показали, что на площадку 1 м2, расположенную перпендикулярно солнечным лучам, ежесекундно поступает энергия, практически не меняющаяся в течение длительного промежутка времени. Она получила название солнечной постоянной. Солнечная постоянная равна 1,37 кВт/м2.
Светимость Солнца, или полное количество энергии, излучаемое Солнцем по всем направлениям в единицу времени, определим следующим образом: величину солнечной постоянной умножим на площадь сферы с радиусом r в одну астрономическую единицу (1 а. е. = 149,6 • 109 м). Она получится равной: L\( \bigodot \)= 4∙π∙r2∙1370 Вт/м2 = 3.85∙1026 Вт.
На Землю попадает ничтожная часть солнечной энергии, составляющая около половины миллиардной доли указанного выше значения.
2. Спектр и химический состав. Почти все наши знания о Солнце основаны на изучении его спектра. Химические элементы, которые присутствуют в атмосфере Солнца, поглощают из непрерывного спектра, излучаемого фотосферой, свет определённой частоты. В результате в непрерывном спектре появляются тёмные линии. Как мы уже отмечали, Й. Фраунгофер впервые изучил и зарисовал 576 тёмных линий солнечного спектра. Учёный правильно указал, что источник тёмных спектральных линий — солнечная атмосфера. По положениям в спектре (т. е. длинам волн) и интенсивностям этих фраунгоферовых линий можно установить, какие химические элементы присутствуют в солнечной атмосфере (рис. 109).
Уже отождествлено в видимой области спектра свыше 30 тыс. линий для 70 химических элементов, присутствующих в атмосфере Солнца. Фраунгоферовы линии по интенсивности и ширине чрезвычайно разнообразны. Анализ спектральных линий показал, что преобладающим элементом на Солнце является водород — на его долю приходится примерно 74 % массы Солнца, около 24 % приходится на гелий и около 2 % — на другие элементы.
Гравитация = давление
3. Внутреннее строение. Основываясь на данных о радиусе, массе, светимости Солнца, на физических законах (которые в силу своей универсальности применимы и в условиях других небесных тел), можно получить данные о давлении, плотности, температуре и химическом составе на разных расстояниях от центра Солнца.
Внутреннее строение Солнца
При приближении к центру Солнца растут, достигая максимальных значений, температура, давление и плотность. Химический состав Солнца тоже различается: процентное содержание водорода меньше всего в центре.
Высокое давление внутри Солнца обусловлено действием вышележащих слоёв. Силы тяготения стремятся сжать Солнце. Им противодействуют упругость горячего газа и давление излучения, идущие из недр. Эти силы стремятся расширить Солнце. Тяготение, с одной стороны, упругость газов и давление излучения, с другой стороны, уравновешивают друг друга. Равновесие имеет место во всех слоях от поверхности до центра Солнца. Такое состояние Солнца и звёзд называется гидростатическим равновесием. Эта простая идея была выдвинута в 1924 г. английским астрофизиком Артуром Эддингтоном. Она позволила составить уравнения, по которым рассчитывают модели внутреннего строения Солнца, а также других звёзд. Такие модели представляют собой совокупность параметров звёздного вещества (температура, давление, плотность и т. д.) на разных глубинах. В таблице 13 приведена так называемая модель внутреннего строения Солнца, т. е. зависимость его физических свойств от глубины.
Таблица 13 — Модель внутреннего строения Солнца
| Расстояние от центра | Температура | Давление | Плотность |
| R/R\( \bigodot \) | T, K | Р, Па | r, х 103 кг/м3 |
| 0 | 1,5 · 107 | 2,2 · 1016 | 150 |
| 0,2 | 1,0 · 107 | 4,6 · 1015 | 36 |
| 0,5 | 3,4 · 106 | 6,1 · 1013 | 1,3 |
| 0,8 | 1,3 · 106 | 6,2 · 1011 | 0,035 |
| 0,98 | 1,0 · 106 | 1,0 · 109 | 0,001 |
Рисунок 110 — Внутреннее строение Солнца
Как видно из таблицы, температура в центре Солнца (R/R\( \bigodot \) = 0) достигает 15 млн градусов. Именно в этой области, зоне ядерных реакций, генерируется энергия Солнца.
Рисунок 111 — Схема протон-протонной реакции: р — протон; n — нейтрон; 2D — ядро дейтерия; 3He, 4He — ядра изотопов гелия; е+ — позитрон; ν — нейтрино; γ — гамма-квант
Мы уже знаем, что солнечное вещество в основном состоит из водорода. При огромных давлениях и температурах протоны (ядра водорода) движутся со скоростями в сотни километров в секунду. Внутри Солнца (на расстояниях до 0,3 радиуса от центра) создаются условия, благоприятные для протекания термоядерных реакций превращения атомов лёгких химических элементов в атомы более тяжёлые (рис. 110).
Из ядер водорода образуется гелий. Для образования одного ядра гелия требуется 4 ядра водорода. На промежуточных стадиях образуются ядра тяжёлого водорода (дейтерия) и ядра изотопа Не3. Эта реакция называется протон-протонной (рис. 111). При реакции небольшое количество массы реагирующих ядер водорода теряется, преобразуясь в огромное количество энергии. Выделившаяся энергия поддерживает излучение Солнца. Через слои, окружающие центральную часть звезды, эта энергия передаётся наружу. В области от 0,3 до 0,7 радиуса от центра Солнца находится зона лучистого равновесия энергии, где энергия распространяется через поглощение и излучение у квантов.
Рисунок 112 — Энергия передаётся излучением от ядра Солнца. Главным переносчиком энергии у поверхности становится конвекция
Рождающиеся в центре Солнца гамма кванты имеют энергию в миллионы раз большую, чем энергия квантов видимого света. Длина волны гамма квантов очень мала. В процессе поглощения квантов атомами и дальнейшего их переизлучения происходит постепенное уменьшение их энергии и увеличение длины волны. Количество квантов во время этого процесса возрастает. Мощные гамма кванты постепенно дробятся на обладающие меньшей энергией: возникают рентгеновские, ультрафиолетовые и, наконец, видимые и инфракрасные лучи.
В области последней трети радиуса Солнца находится конвективная зона. Здесь энергия передаётся не излучением, а посредством конвекции (перемешивания, рис. 112). Причина возникновения конвекции в наружных слоях Солнца та же, что и в сосуде с кипящей водой: количество энергии, поступающее от нагревателя, гораздо больше того, которое отводится теплопроводностью. Поэтому вещество приходит в движение и само начинает переносить тепло. Конвективная зона простирается практически до самой видимой поверхности Солнца (фотосферы).
4. Источники энергии. Анализ химического состава земных, лунных пород и метеоритов указывает на то, что Солнечная система образовалась около 4,7 млрд лет назад. Солнце, по современным данным, существует около 5 млрд лет. За последние 3 млрд лет его светимость почти не изменилась. Полная энергия Солнца, выделенная за это время, равна E\( \bigodot \)≈ L\( \bigodot \)t = 3,5 • 1043 Дж. Разделив эту величину на полную массу Солнца, получим, что каждый килограмм солнечного вещества выделил около 1,8 • 1013 Дж энергии. Реально эта величина ещё больше, так как мы не учли первые 2 млрд лет. Ни одно химическое горючее не может обеспечить такую величину внутренней энергии, которую может выделить 1 кг солнечного вещества.
В среднем Солнце теряет примерно 4 млн тонн водорода в секунду. На первый взгляд эта величина может показаться огромной. Однако она ничтожна по сравнению с полной массой Солнца. Расчёты показывают, что водорода в недрах достаточно для поддержания свечения Солнца на современном уровне ещё на протяжении 5 млрд лет.
Главные выводы 1. Солнце — единственная звезда в Солнечной системе, представляющая собой горячий плазменный шар, диаметр которой больше диаметра Земли в 109 раз и масса которой в 330 тыс. раз больше массы Земли. 2. Количество лучистой энергии, ежесекундно поступающей от Солнца на единицу площади земной поверхности, — солнечная постоянная — практически не меняется на протяжении миллиардов лет. 3. Преобладающими химическими элементами на Солнце являются водород и гелий. 4. Источником энергии Солнца являются реакции термоядерного синтеза, протекающие в его недрах.
Контрольные вопросы и задания
1. Что такое солнечная постоянная? Как ее определили?
2. Что понимают под светимостью Солнца? Чему она равна?
3. Какие химические элементы являются преобладающими для Солнца?
4. Опишите внутреннее строение Солнца.
5. На какие зоны условно подразделяются недра Солнца? Какие процессы происходят в каждой из этих зон?
6. Что является источником солнечной энергии?
7. Зная солнечную постоянную для Земли, вычислите величину солнечной постоянной для Марса, если расстояние от Солнца до Марса 1,524 а. е.
8. В спектре Солнца большая интенсивность излучения приходится на длину волны λ = 550 нм. Определите соответствующую температуру поверхности Солнца.