6.3 Солнце - самая дорогая нам звезда

С олнцу обязана своим существованием жизнь на Земле. Все земные источники энергии (кроме ядерного распада, термоядерного синтеза и тепла недр) имеют в своей осно­ве солнечную энергию. Солнце — желтый карлик класса G2. Сравнительное изучение Солнца и звезд солнечного типа показало, что Солнце уникально. Не обнаружено ни одной звезды, основные физические характеристики ко­торой полностью бы совпадали с параметрами Солнца.

У дивительно положение Солнца в Галактике. На рисунке показана траектория движения Солнца в Галактике в иной проекции — сверху.

Спиральные рукава галактики и современное положение Солнечной системы между рукавами Стрельца и Персея. Сплошной окружностью показана траектория Солнца.

Солнце двигается по так называемой траектории коротации (англ. co-rotation, со­вращение). Это особая траек­тория радиусом около 8000 пс, в узкой окрестности которой (не более 10°/» радиуса) от­сутствует активное звездооб­разование, мала вероятность вспышек сверхновых звезд. На этой траектории скорость движения звезды (300 км/с) близка к скорости движения межзвездного вещества.

Воз­раст Земли (около 5 миллиардов лет) меньше времени нахождения Солнца между рукавами. Один галактический год — время полного оборота Солнца вокруг центра Галактики — близок к 250 миллионам лет. В табл.5 приведены основные характеристики Солнца.

Оценить массу Солнца достаточно просто. Так как нам известны расстояние до Солнца и время полного оборота Земли вокруг Солнца, мы можем рассчитать скорость, с которой Земля движется по орбите (около 30 км/с). То есть оценить ускорение, с которым Земля движется к Солнцу (в простейшем случае полагая орби­ту окружностью). Тогда из второго закона Ньютона и выражения для закона всемирного тяготения можно по­лучить значение массы Солнца.

Радиус Солнца измерить так же просто. Для этого надо просто измерить угол, под которым Солнце видно с Земли (0,5°). Так как расстояние до Солнца известно, то весьма просто рассчитать радиус — 696 000 км.

Если считать Солнце шаром, то средняя плотность солнечного вещества составляет 1,4 г/см³. Солнце содер­жит 71% водорода, 27% гелия и 2% иных химических элементов.

Таблица 5 Основные характеристики Солнца

Температура поверхности Солнца может быть оце­нена из зависимости интенсивности излучения от его длины волны (лекция 9, рис. 9.1). Максимум излучения приходится на длину волны 500 нм (желто-оранжевая часть видимого спектра). Температура поверхности в среднем не более 6000 К.

Мы знаем количество энергии, падающей на 1 квад­ратный метр поверхности Земли за 1 секунду (эта харак­теристика называется освещенностью). Освещенность, создаваемая Солнцем на поверхности Земли, солнечная постоянная, Е_о = 1370 Вт/м². Тогда легко узнать пол­ную мощность Солнца. Действительно, если 1 квадрат­ный метр поверхности, находящейся на расстоянии R = 150 миллионов км от Солнца, получает в секунду энергию Ео, то на всю поверхность сферы радиуса R за 1 секунду падает энергия

Е = Е_о- 4πR² (11.1).

Светимость Солнца Е = 4 • 10²⁶ Вт. На долю Земли приходится менее 10 ⁹ этой энергии. Каждый квадрат­ный метр поверхности Солнца в энергетическом отноше­нии можно сравнить с электростанцией мощностью 0,1 МВт.

Такое энерговыделение практически неизменно в те­чение 3—4 миллиардов лет. Откуда нам это известно? Если бы за время существования Земли светимость Солн­ца изменилась, то жизнь не смогла бы сформироваться. Жидкая вода, являющаяся, по современным представ­лениям, основой зарождения и существования жизни, превратилась бы в лед или, наоборот, испарилась. А ин­тервал температур, в котором вода существует в жидком состоянии, крайне узок. Поэтому, если даже Солнце и изменяло светимость, то это были крайне малые измене­ния (в пределах единиц процентов).

Все указанные характеристики получены из- наблю­дений и относятся к поверхности Солнца.

Но как оценить состояние внутренних областей Сол­нца? За счет чего энергия, выделяемая при термоядер­ной реакции в ядре Солнца, передается наружу?

Грубые оценки показывают, что на расстоянии, от­стоящем от поверхности на половину радиуса, темпера­тура составляет 10 миллионов Кельвинов, а давление превышает 500 миллионов атмосфер.

Ранее полагали, что Солнце находится в состоянии конвективного перемешивания (конвекция — процесс, при котором происходит перенос теплоты потоками ве­щества, интенсивность конвекции зависит от разности температур между слоями, теплопроводности и вязкос­ти среды): горячие потоки ионизированного газа подни­маются к поверхности звезды, а холодные опускаются к ее горячему ядру. Однако оказалось, что этот процесс не способен обеспечить наблюдаемую мощность излуче­ния Солнца. Только в самых верхних слоях атмосферы Солнца конвективные потоки играют, видимо, какую-то роль.

Перенос энергии от нагретых внутренних областей Солнца наружу происходит преимущественно за счет излучения. Нагретый слой передает энергию лежащему выше более холодному слою. Тот поглощает ее и вновь излучает при чуть более низкой температуре. И так слой за слоем.

Поскольку Солнце — довольно старая звезда и пере­мешивание вещества в нем происходит достаточно мед­ленно (нет конвективного ядра), то водорода в его цент­ральной части, по-видимому, меньше (примерно на 50%), чем в наружных областях. Температура в центре близка к 15 миллионам кельвин, а плотность вещества достига­ет 130 г/см³. Около поверхности Солнца есть конвектив­ная зона, занимающая около 15% радиуса. Именно в этой области энергия переносится не излучением, а ин­тенсивным перемешиванием всплывающих и опускаю­щихся масс ионизированного газа.

При наблюдении за Солнцем обнаружено, что поверх­ность имеет сложную структуру и состоит из несколь­ких слоев. Самый нижний, доступный для наблюдений и содержащий достаточно плотный газ — фотосфера. Фотосфера простирается примерно на 300-500 км выше наблюдаемого края Солнца. Газы фотосферы сливаются с газами хромосферы, нижняя хромосфера простирается до высоты порядка 4000 км. Здесь начинается верхняя хромосфера и корона. Фотосферу, хромосферу и особен­но корону достаточно просто наблюдать при солнечных затмениях.

Солнечная активность связана с множеством явле­ний, наблюдаемых на поверхности Солнца. Это и сол­нечные пятна, и хромосферные вспышки, и выбросы вещества — протуберанцы.

С 1750 г. ведутся систематические наблюдения за груп­пами темных образований на поверхности Солнца, пят­нами. Солнечные пятна кажутся темными, так как их температура меньше температуры фотосферы (табл. 5). Число и распределение пятен изменяются приблизитель­но периодически. Пятна появляются обязательно пара­ми, имеют разные размеры и длительность существова­ния. Типичный диаметр пятна около 2000 км, а время жизни — порядка суток. Однако наблюдали и пятна, живущие до 70 суток и превращающиеся в области, раз­мером превосходящие Землю.

Причина образования солнечных пятен — конвек­ция и магнитное поле Солнца. Можно предположить, что под поверхностными слоями Солнца существует не­однородное магнитное поле, мешающее нормальному кон­вективному теплообмену между поверхностью и нижни­ми слоями фотосферы. В результате в пятне температура падает, оно становится темным. Из-за магнитного поля пятна являются источниками заряженных частиц, вы­брасываемых на далекое расстояние от Солнца, — так называемого солнечного ветра.

Наблюдения за солнечными пятнами позволили оце­нить период вращения Солнца. Группа пятен существу­ет относительно долго. Поэтому, наблюдая за ее переме­щением по диску Солнца, можно оценить период его вращения. На экваторе период вращения равен 24,96 су­ток, а на широте 35" — 26,83 суток. Вращение соверша­ется в том же направлении, что и орбитальное движе­ние, и вращение вокруг осей планет (за исключением Урана).

Часто рядом с солнечными пятнами возникают осле­пительно белые вспышки (не более часа), видимые нево­оруженным глазом, — хромосферные вспышки. Наблю­дения показывают, что при вспышке область, излучающая энергию, выбрасывается с поверхности фотосферы со скоростью до 700 км/с и достигает высот до 60 000 км. Хромосферные вспышки оказывают влияние на ионо­сферу и магнитное поле Земли.

Над краем Солнца всегда можно наблюдать выбросы раскаленной разреженной плазмы — п ротуберанцы. Тем­пература протуберанца при увеличении расстояния от Солнца падает, то есть уменьшается и его светимость. Тем не менее, известны наблюдения протуберанцев до расстояний порядка 1 500 000 км над фотосферой. Об­лака ионизированных разреженных газов, движущихся под давлением солнечного излучения, приводят к возму­щениям магнитного поля Земли, полярным сияниям. Выброс длится несколько минут, свет от него достигает Земли через 8 минут, потоки ионизированных частиц за 1-2 суток.

Бывают периоды, когда вспышки следуют одна за другой: периоды повышенной солнечной активности.

Мерой активности Солнца можно считать количество вспышек за месяц или год. Удобнее изме­рять активность Солнца по числу солнечных пятен (f) и числу групп пятен (g), наблюдающихся в данный мо­мент на Солнце. Комбинация этих чисел

W = f+ 10g (11.2)

носит название числа Вольфа (по имени швейцарского астронома, предложившего такую меру в середине XIX в.)

Числа Вольфа подсчитывают ежедневно, затем усредня­ют за месяц или год .

Длительные наблюдения за пятнами позволили выя­вить два цикла максимальной активности Солнца — 11-летний и, вероятно, 90-летний. Амплитуда 11-летне­го цикла меняется от цикла к циклу: 3-4 сильных мак­симума, затем примерно столько же слабых. В течение XX в. период цикла был ближе к 10 годам. На протяже­нии 70 лет, с 1645 по 1715 г., солнечных пятен практи­чески не наблюдали . Подобный продолжи­тельный минимум был, по-видимому, в XV в. Отметим, что однозначного объяснения этим эффектам сегодня нет.

Солнечно-земные связи. Почти все виды энергии, используемой человеком, можно свести к солнечной энер­гии. Пища, по существу, является солнечным светом, собранным, накопленным и преобразованным в углево­ды посредством фотосинтеза в листьях зеленых расте­ний. Уголь, нефть, газ — солнечный свет, накопленный и законсервированный миллионы лет тому назад. Энер­гия воды и ветра — результат действия солнечного из­лучения на атмосферу и гидросферу.

При изменении активности Солнца солнечная посто­янная на орбите Земли не испытывает изменений, пре­вышающих, вероятно, 1%. В то же время есть данные о заметном (до 6%) изменении прозрачности атмосферы в ходе солнечного одиннадцатилетнего цикла. Эти явле­ния могут быть связаны с изменением плотности потока космических частиц.

При этом возрастает доля ультрафиолетового излуче­ния в общем потоке излучения. Ионизация верхних сло­ев атмосферы связана с интенсивностью ультрафиолето­вого излучения. Поэтому можно ожидать, что именно увеличение количества ультрафиолета в излучении Сол­нца вызывает изменения свойств ионосферы.

Действие солнечных пятен и других солнечных яв­лений на Землю является по своему характеру электри­ческим или магнитным и достоверно определено. На Земле наблюдаются замирание радиоволн, всплески шумового радиоизлучения, магнитные бури, полярные сияния и т. п.

Известен ряд явлений, связанных с изменениями погоды, скоростью роста растений и животных, само­чувствием человека и имеющих косвенное отношение к циклу солнечных пятен.

Ясно, что погода в широком смысле этого слова свя­зана с Солнцем и вращением Земли вокруг оси. Однако проследить за изменениями по­годы в связи с изменениями солнечной активности чрезвычайно трудно — дополнительные влияния так переплетаются между собой, что однозначных выводов сделать нельзя.

Это утверждение применимо и к попыткам связать рост растений и животных с солнечным циклом. Извес­тно явление изменения ширины древесных колец. При исследовании тысяч деревьев, главным образом в юго-западных штатах США, Дуглас обнаружил чередование узких и широких колец, указывающих на замедленный или ускоренный рост деревьев. Позже было показано, что в любом районе Земли система расположения колец одинакова. Поэтому удалось сопоставить данные для молодых и старых деревьев, а также для ископаемых древесных останков. В итоге — продолжить древесный календарь на 3000 лет назад. На основе этого обильного материала получены четко выраженные циклы роста — 7, 11 лет и 23 г. В 1878 г. было замечено, что количе­ство и качество производимого в Германии вина таин­ственным образом связано с пятнами на Солнце.

Выдающийся русский ученый А. Л. Чижевский в 1924 г. опубликовал итоги статистического анализа ис­тории более чем 50 государств и народов всех континен­тов с 500 г. до н. э. до 1914 г. Исследование выявило цикличные колебания числа массовых событий со сред­ним периодом 11 лет. Чижевский однозначно связывал эти циклы с циклами солнечной активности, объясняя ростом интенсивности психической деятельности людей, степени их возбудимости, агрессивности, готовности сле­довать за вождями.

Вряд ли можно столь прямолинейно объяснять исто­рический процесс активностью Солнца. Это было бы упрощением. Слишком сложны экономические и соци­ально-политические факторы, роль которых постоянно нарастает и реализуется через динамику цивилизаций. Да и на одиннадцатилетние циклы накладываются цик­лы большей длительности. Корреляции между соци­альными потрясениями и солнечным циклом, скорее все­го, случайны.

Озоновый слой и Солнце. Проблема «озоновой дыры» — уменьшения концентрации озона О₃ в атмосфере — яв­ляется одной из наиболее обсуждаемых сегодня. Озон верхних слоев атмосферы поглощает большую часть уль­трафиолетовой части солнечной радиации. Основная масса озона сосредоточена на высотах от 20 до 30 км. Общее количество озона в атмосфере мало, при нормаль­ном давлении и температуре 0°С он распределился бы по земной поверхности слоем 2-3 мм. Наблюдения за озо­новым слоем началось не более 30 лет назад.

Как показали измерения, содержание озона в атмос­фере зависит от времени года и от широты местности. Самое низкое содержание озона в экваториальном слое, от 28° северной широты до 28 южной широты (почти половина поверхности земного шара). В поясе умерен­ных широт (35-70° северной широты), количество озона самое большое. Сезонные колебания совпадают с сезон­ными колебаниями солнечной энергии. В арктическом поясе озона сравнительно мало. Тщательными измере­ниями показано, что содержание озона в атмосфере тес­но связано с солнечной активностью. В поясе умерен­ных широт в годы максимальной активности Солнца содержание озона повышается. В тропических областях в годы активного Солнца количество озона уменьшается по сравнению со спокойными годами.

Влияет ли Солнце на живые организмы? Безусловно. Искажают ли потоки заряженных частиц магнитное поле Земли? Конечно (лекция 13). Но можем ли мы предсказывать на несколько дней или даже месяцев возмуще­ния магнитного поля Земли, особенности атмосферного давления и т. п.? Вряд ли. Ведь солнечные вспышки — явление случайное, их невозможно предсказать (хотя можно оценить вероятность их появления). «Эффектив­ность» газетных предсказаний имеет, скорее, психоло­гическую природу.