ЛЕКЦИЯ ТРИНАДЦАТАЯ

СОЛНЦЕ - САМАЯ ДОРОГАЯ
НАМ ЗВЕЗДА

Солнцу 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.

Удивительно положение Солнца в Галактике. На рис. 10.3 видно положение Солнца относительно ядра Галактики. На рис. 13.1 траектория движения Солнца в Галактике показана в иной проекции - сверху.

Солнце (см. табл. 13.1) двигается по так называемой траектории коротации (англ. co-rotation - со-вращение). 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

121

Таблица 13.1

Основные характеристики Солнца

Характеристика	Значение
Наименьшее расстояние от Земли, км	146 100 000
Наибольшее расстояние от Земли, км	152 100 000
Радиус Солнца, км	696 000
Масса Солнца, кг	2 · 1030
Температура в центре, К	16 000 000
Температура поверхности, К	5800
Температура в солнечных пятнах, К	4500
Температура короны, К	1 000 000
Типичный размер солнечного пятна, км	2000
Поток энергии, Дж/сек	4 · 1026

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.

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 также просто. Для этого надо просто измерить угол, под которым Солнце видно с Земли (0,5°). Так как расстояние до Солнца известно, очень 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.

122

Температура поверхности Солнца может быть оценена из зависимости интенсивности излучения от его длины волны (лекция 11, рис. 11.1). 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 м² поверхности Земли за 1 с (эта характеристика называется освещенностью). Освещенность, создаваемая Солнцем на поверхности Земли, солнечная постоянная, E₀ = 1370 Вт/м². Тогда легко узнать полную мощность Солнца. Действительно, если 1 м² поверхности, находящейся на расстоянии R = 150 миллионов км от Солнца, получает в секунду энергию Е₀, то на всю поверхность сферы радиуса R за 1 с падает энергия

Е = Е₀ × 4рR².(13.1)

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

Такое энерговыделение остается практически неизменным 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

123

составляет 10 миллионов градусов, а давление превышает 500 миллионов атмосфер.

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.

В самых верхних слоях атмосферы Солнца играет определенную роль теплообмен за счет перемешивания горячих и холодных слоев. 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.

Поскольку Солнце довольно старая звезда и перемешивание вещества в нем происходит достаточно медленно, 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.

Поверхность Солнца 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 со множеством явлений, наблюдаемых на поверхности Солнца. Это и солнечные пятна, и хромосферные вспышки, и выбросы вещества - протуберанцы.

С 1750 года ведутся систематические наблюдения за группами темных образований на поверхности Солнца - пятнами. Солнечные пятна кажутся темными, так как их температура меньше температуры фотосферы (табл. 13.1). Число и распределение пятен изменяются

124

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 планет.

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 - протуберанцы. 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

125

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 (рис. 13.2). 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(13.2)

носит название числа Вольфа (по имени швейцарского астронома, предложившего такую меру в середине XIX века). Числа Вольфа подсчитывают ежедневно, затем усредняют за месяц или год (рис. 13.3).

126

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 века период цикла был ближе к 10 годам. На протяжении 70 лет с 1645 по 1715 год солнечных пятен практически не наблюдали (рис. 13.2). Подобный продолжительный минимум был, по-видимому, в XV веке. Отметим, что однозначного объяснения этим эффектам сегодня нет.

Солнечно-земные связи. Почти все виды энергии, используемой человеком, можно свести к солнечной энергии. Исключение составляют лишь радиоактивный распад и тепло недр Земли. 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 воздействия 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 11-летнего 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.

127

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 (лекции 13, 19-21). 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. Д.И. Менделеева, в частности, привлекала идея извлечения информации, накапливаемой деревьями, с целью обобщения "...бесценного клада, ускользающего от научного сознания...". Позже, при исследовании тысяч деревьев, главным образом в юго-западных штатах США, астроном А.Е. Дуглас обнаружил чередование узких и широких колец, указывающих на замедленный или ускоренный рост деревьев. По годичным кольцам секвойи он датировал древние постройки индейцев племени пуэбло, сравнивая кривые роста деревьев с известной датой вырубки с теми, из которых были построены жилища.

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 года. В 1878 году 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 году опубликовал итоги статистического анализа истории более чем 50 государств и народов всех континентов с 500 года до нашей эры до 1914 года. Исследование выявило цикличные колебания числа массовых событий со средним периодом 11 лет. Чижевский однозначно

128

связывал эти циклы с циклами солнечной активности, объясняя ими рост интенсивности психической деятельности людей, степень их возбудимости, агрессивности, готовность 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 11-летние циклы накладываются циклы большей длительности. Корреляции между социальными потрясениями и солнечным циклом, скорее всего, случайны.

Влияет ли Солнце на живые организмы? Безусловно. Искажают ли потоки заряженных частиц магнитное поле Земли? Конечно (лекция 16). 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.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Каков источник энергии Солнца?
2. Чем замечательно положение Солнца в Галактике?
3. Опишите современные представления о структуре Солнца.
4. Что такое "солнечное пятно"?
5. В чем состоит сущность современных представлений о солнечно-земных связях?

129