Излучение энергии солнцем и периодичность солнечной деятельности
1. Излучение Солнца и солнечная постоянная. Земной шар перехватывает ничтожную часть всей энергии, излучаемой Солнцем. Зная размер Земли и ее расстояние от Солнца, можно подсчитать, какова ее доля. Она составляет 1 : 2 000 000 000. Измерив же количество солнечной энергии, падающей на Землю, можно подсчитать и полную энергию излучения Солнца.
Солнечной постоянной называется количество солнечной энергии, падающей за одну минуту на 1 (кв см) земной поверхности, перпендикулярной к солнечным лучам при среднем расстоянии от Земли до Солнца. При измерении солнечной постоянной учитывается частичное поглощение солнечного излучения в земной атмосфере. Солнечная постоянная составляет 1,94 калории в минуту на 1 (кв см) и устанавливается измерением нагревания воды за определенное время в особом зачерненном сосуде, подвергнутом нагреванию солнечными лучами.
Зная величину солнечной постоянной, расстояние до Солнца и его размер, можно подсчитать температуру поверхности Солнца. Результат находится в согласии с другими способами ее определения. Эти данные показывают, что энергия Солнца так велика, что если Солнце окружить слоем льда толщиной 14 ж, то излучаемое им тепло могло бы растопить всю эту ледяную кору за одну минуту.
2. Солнечная деятельность и пятна. Темные пятна чаще всего наблюдаются к северу и к югу от солнечного экватора. Они появляются и через несколько дней или недель, реже — через несколько месяцев, распадаются. Пятна — это участки фотосферы, где газы охлаждены до 4500° и кажутся темными лишь по контрасту с более горячей и оттого более яркой окружающей поверхностью. Здесь газы совершают медленное и сложное движение, находясь в сильном магнитном поле, которое временами возникает в областях, где появляются пятна.
Пятна часто встречаются парами. Оказывается, в таких парах в одном полушарии Солнца переднее (по вращению Солнца) пятно имеет магнетизм одной полярности (например, южной), а другое — противоположной полярности. В другом полушарии Солнца распределение полярности магнетизма во всех парах пятен противоположное. Так длится около 11 лет, после чего полярность в парах пятен двух полушарий Солнца меняется.
С 11-летним периодом меняется также число пятен и величина площади, занятой ими, а также число наблюдаемых протуберанцев и многие другие явления на Солнце, например форма солнечной короны. В среднем через каждые 11 лет число пятен, площадь, занятая пятнами, и число протуберанцев достигают максимума, и так же чередуются их минимумы. Полярность пятен меняется в год минимума.
Солнечные пятна, часто появляющиеся группами, по площади нередко гораздо больше, чем площадь сечения земного шара. Вблизи пятен чаще всего появляются истечения горячих газов из более глубоких слоев Солнца. В таких активных областях — областях сильных горизонтальных и вертикальных течений газов в магнитном поле — время от времени возникают так называемые хромосферные вспышки. Это небольшие области, в которых под действием магнитных сил быстро возникает огромное сжатие газов. Вследствие этого температура газа быстро повышается, и он временно излучает гораздо больше энергии, в том числе света. При этом возникает и усиленный поток невидимых глазом ультрафиолетовых лучей, а также потоки мельчайших частиц, с большой скоростью покидающих Солнце.
Испускаемые Солнцем лучи и покинувшие его быстро летящие частицы оказывают заметное влияние на некоторые явления в земной атмосфере. Так, с усилением солнечной деятельности увеличивается на Земле число магнитных бурь (довольно быстрых и значительных колебаний стрелки компаса), число полярных сияний, ухудшается прием радиопередач!
3. Полярные сияния. Полярные сияния в виде колеблющихся светлых, часто цветных лучей или полос в северном полушарии бывают видны ночью в северной стороне неба тем лучше и чаще, чем дальше от экватора Земли находится наблюдатель. Но иногда они бывают видны даже на широте Северной Африки. В южном полушарии Земли такие же полярные сияния видны в южной стороне неба.
Наука выяснила, что в соответствии с гениальным предвидением М. В. Ломоносова полярные сияния представляют собой холодное электрическое свечение земной атмосферы на высотах в сотни километров над Землей.
Природа этого свечения сходна с природой свечения разреженного газа в газосветных трубках под действием электрического тока в газе. В высоких слоях земной атмосферы разреженный воздух светится от бомбардировки его мельчайшими частицами, которые выбрасываются из активных областей Солнца. Магнитное поле земного шара отклоняет эти частицы, когда они приближаются к Земле, так что эти частицы попадают в нашу атмосферу преимущественно вблизи магнитных полюсов Земли. Вот почему полярные сияния происходят чаще всего именно там. Частицы, выбрасываемые Солнцем и бомбардирующие нашу атмосферу, меняют ее электропроводность и другие свойства, от которых зависят сила и частота радиоприема.
Само Солнце и его корона испускают радиоволны. Мощность этого излучения сильно колеблется.
Влияние изменений солнечного излучения на ряд явлений на Земле весьма многосторонне, но изучено пока недостаточно.
4. Значение излучения Солнца и источники его энергии. Все сказанное выше подтверждает взаимосвязь явлений во Вселенной. Изучение Солнца необходимо и для практических целей — для более точного предсказания погоды, влияющей на все народное хозяйство, для борьбы с помехами при радиопередачах и т. д. Поэтому в СССР широко поставлено изучение солнечных явлений и их воздействия на Землю. Такова одна из практических сторон астрономии.
К сожалению, мы не знаем причин еще многих явлений на Солнце, в частности причин периодичности в его деятельности. Но человек научился предвидеть наступление некоторых явлений. Теперь уже даются полезные указания о необходимых изменениях в радиопередаче на коротких волнах для улучшения радиосвязи.
Источником энергии Солнца и звезд являются так называемые ядерные реакции в недрах Солнца и звезд. Эти реакции возможны лишь при температурах в десятки миллионов градусов. Они приводят к тому, что водород постепенно превращается в гелий, причем выделяется огромное количество энергии. Запасов водорода на Солнце хватит еще на много миллиардов лет. С тех пор как на Земле возникла жизнь, излучение энергии Солнца заметно не изменилось. Поэтому вопрос об исчерпании источников солнечной энергии не имеет для человечества ни малейшего практического значения.
Большое практическое значение имеет другое — более полное использование солнечной энергии, получаемой Землей. В этом направлении достигнуто еще очень мало, хотя за последние годы построен ряд установок с большими зеркалами, концентрирующими солнечное тепло для нагревания воды, например для паровых машин и даже для плавильных печей, в которых достигается температура до 3000°. Построены также опреснители, сушилки и тому подобные установки, использующие солнечную энергию.
Аккумулировать солнечную энергию можно и другими путями, превращая ее в энергию электрохимическую. Такого рода использование солнечной энергии применяется на советских искусственных спутниках Земли и на космических ракетах.
Источник
Почему Солнце до сих пор не сгорело?
Персональный обогреватель нашей планеты невероятно эффективен.
Наше Солнце — довольно средняя звезда в галактике Млечный путь — не самая яркая, не самая большая и существует всего 4,5 миллиарда лет. Она уникальна только тем, что её свет и тепло поддерживают жизнь на единственной обитаемой планете, которую мы знаем во Вселенной. К счастью для нас, людей, Солнце не сгорело с тех пор, как мы появились несколько сотен тысяч лет назад. Но откуда у него могло быть столько топлива? Почему оно не погасло, как свеча или костер? И когда оно наконец сгорит?
Это был насущный вопрос в XIX веке. В 1848 году немецкий естествоиспытатель Роберт фон Майер ( Robert von Mayer) выдвинул гипотезу, согласно которой Солнце нагревается благодаря бомбардировке его метеоритами. Разумеется, эта теория даже в то время не выдерживала критики. Поэтому, во второй половине XIX века наиболее правдоподобной считалась теория, выдвинутая немецким и британским физиками Германом Гельмгольцем ( Hermann von Helmholtz) и Уильямом Томсоном (лордом Кельвином), согласно которой Солнце нагревается за счёт медленного гравитационного сжатия. Этот процесс известен, как механизм Кельвина — Гельмгольца — остывание поверхности небесного тела приводит к падению внутреннего давления, из-за чего звезда сжимается, что в свою очередь приводит к разогреванию её ядра.
Однако, основанные на этом механизме расчёты оценивали максимальный возраст Солнца в 20 млн лет, что значительно меньше его действительного возраста.
Согласно другой гипотезе, популярной в XIX веке, Солнце буквально горит, т.е. происходит химическая реакция, которую мы видим, когда зажигаем спичку или разводим костер. Но и расчеты возраста Солнца по это гипотезе давали результат, который не соответствовал тому, что мы знали о возрасте Солнечной системы — 4,5 миллиарда лет. Если бы Солнце сжималось или горело, у него бы закончилось топливо задолго до того, как мы появились в этом мире. Очевидно, что-то происходило ещё, помимо сжатия и горения.
Спустя несколько десятилетий, в 1920-х годах, было найдено правильное объяснение механизмов «горения» Солнца. Сначала «отец» ядерной физики и лауреат Нобелевской премии по химии 1908 года Эрнест Резерфорд ( Ernest Rutherford) предположил, что источником энергии Солнца является радиоактивный распад .
Позднее, вооружившись знаменитым уравнением Эйнштейна E=mc², которое утверждает, что всё, что имеет массу, должно иметь эквивалентное количество энергии, британский астрофизик Артур Стэнли Эддингтон ( Arthur Stanley Eddington) предположил, что Солнце фактически преобразует свою массу в энергию. Вместо печи, которая превращает древесину и уголь в золу (попутно испуская свет и тепло), центр Солнца больше похож на гигантскую атомную электростанцию.
Солнце содержит огромное количество атомов водорода. Как правило, нейтральный атом водорода содержит положительно заряженный протон и отрицательно заряженный электрон, который вращается вокруг него. Когда этот атом встречает один из других атомов водорода, их соответствующие внешние электроны магнитно отталкиваются друг друга. Это предотвращает столкновение и слияние протонов друг с другом. Но ядро Солнца настолько горячее и сжатое, что атомы носятся с такой громадной кинетической энергией, что они преодолевают силу, связывающую их частицы вместе, и электроны отделяются от своих протонов. Это означает, что протоны, обычно защищенные электронами внутри ядра атома водорода, могут соприкасаться друг с другом и соединяются вместе в процессе, называемом термоядерным синтезом.
Так же, как внутри ядерного реактора, атомы внутри ядра Солнца постоянно врезаются друг в друга. Чаще всего четыре протона водорода сливаются друг с другом, чтобы создать один атом гелия. Попутно в этом процессе крошечная часть массы в этих четырех микроскопических протонах «теряется», но поскольку Вселенная сохраняет материю, она не может просто так исчезнуть. Эта «потерянная» масса ежесекундно трансформируется в огромное количество энергии, которую и излучает Солнце. Мощность этого излучения составляет 3,9×10²⁶ Вт. Это настолько огромное количество энергии, оно больше, чем всё электричество на Земле, которое будет использоваться свыше нескольких сотен тысяч столетий.
Эффективность термоядерного синтеза является основной причиной того, что Солнце так долго излучает тепло. Энергия, выделяемая при превращении всего одного килограмма водорода в гелий, такая же, как при сжигании 20 000 тонн угля. Поскольку Солнце очень массивное и относительно молодое, ученые считают, что оно использовало только около половины своего производящего энергию водорода.
В конце концов, ядро Солнца преобразует весь внутренний водород в гелий, и наша звезда умрет. Но, это произойдет только через около пяти миллиардов лет.
Источник
Почему звезды светятся и откуда берется их энергия?
За счет чего Солнце получает энергию для горения и насколько её хватит?
Где звезды берут энергию и чем “питается” Солнце?
За счет чего звезды расходуют такие чудовищные количества энергии? Чем “питается” само Солнце? Не смотря на гигантские размеры звезд, их энергия должна пополняться, ибо «вечного двигателя» в природе не существует.
Какой мощи должна быть эта энергия, что её хватает на миллиарды лет? Хороший вопрос, учитывая, что подсчитано: если бы Солнце состояло из лучшего угля, то, получай оно для этого в достаточном количестве кислород, полностью сгорело бы примерно за 1500 лет.
Некогда существовало мнение, что энергия Солнца поддерживается падением на него метеоритов. Их энергия превращается при падении в теплоту, поддерживающую излучение Солнца. Такой способ питания помог бы Солнцу не больше, чем нам, если бы мы вздумали вскипятить бочку воды, ставя на ее крышку горячие утюги.
Кроме того, метеоритов должно было бы сыпаться на Солнце невероятно много, и они так быстро увеличивали бы массу Солнца, что это было бы заметно.
Может быть, тогда, энергия Солнца пополняется за счет его сжатия, то есть постоянного уменьшения в размерах? Звучит логично, ведь при сжатии, энергия тяготения к центру переходила бы в энергию тепловую. Но и эта теория разбилась о математику.
Было вычислено, что даже если бы Солнце было некогда бесконечно большим, чем сейчас, то и в этом случае его сжатия до современного размера хватило бы на поддержание энергии всего лишь в течение 20 миллионов лет. Между тем доказано, что земная кора существует и освещается Солнцем гораздо дольше – как минимум 4,5 миллиарда лет. Сжатие может иметь и наверное имеет место, но не оно служит главным источником солнечной энергии.
Наше Солнце – громадный ядерный реактор и его топлива хватит ещё на 10 миллиардов лет
Тогда, возможно, недра звезд состоят из радиоактивных элементов, таких, как торий, уран и радий? Распадаясь, эти элементы выделяют теплоту.
Но, если бы Солнце целиком состояло из радия, то оно излучало бы… больше энергии, чем действительное Солнце! Тем более, что при большой начальной расточительности, неизбежной при радиоактивном распаде, интенсивность его излучения спадала бы слишком быстро. Радий не мог бы поддерживать наше Солнце так долго, как это необходимо. Допустить же существование тяжелых, сверх-радиоактивных элементов (неизвестных на Земле), да еще сгустившихся в недрах Солнца, современная физика и теория внутреннего строения звезд не позволяют.
Вас может заинтересовать
Ответ на этот вопрос дала людям ядерная физика.
Ядерные реакции в недрах звезд
Как известно, большую часть любой звезды составляет водород, а как известно из школьного курса химии, этот газ очень хорошо горит. Правда “звездное горение” водорода отличается от привычного нам, ведь кислорода там очень мало.
Горение — это химический процесс, то есть перетасовка атомов между молекулами. Но энергии химических реакций недостаточно для поддержания солнечного тепла. С другой стороны, при чудовищном жаре в недрах звезд существование молекул невозможно, они там распадаются. Там возможны только перетасовки тех составных частей, из которых образованы сложные системы, называемые ядрами атомов.
При температурах в миллионы градусов происходит распад не только атомов, но и их ядер и перетасовка продуктов распада, отчего образуются новые химические атомы с иными химическими свойствами. Такие перетасовки называются ядерными реакциями.
Физика ядерных реакций установила, что источником энергии в звездах, в том числе и в Солнце, является непрерывное образование атомов гелия за счет атомов водорода.
Известно, что атом гелия весит приблизительно в четыре раза больше, чем атом водорода. Однако мы не получим атом гелия, сложив попросту четыре атома водорода. Прежде чем материал четырех водородных атомов создаст атом гелия, должен произойти целый ряд чудесных превращений, напоминающих сказочные превращения оборотней, и непременными помощниками и толкачами в этих превращениях оказываются атомы углерода.
Но такие превращения не проходят безнаказанно: при этом выделяется и теряется энергия, а она имеет массу. Оттого-то масса атома гелия получается несколько меньше массы четырех атомов водорода. Так работает фабрика гелия в недрах гигантских звезд.
Как бы не были велики запасы солнечного водорода, они все-таки не бесконечны. Тревожиться на этот счет не стоит – при современной мощности излучения Солнцу хватит “топливо” ещё минимум на 10 миллиардов лет (при том, что само Солнце появилось примерно 5 миллиардов лет назад).
Что же происходит когда звезда начинает “стареть” и “выгорать”? Водород превращается в гелий, а гелий, вероятно, превращается в более тяжелые элементы; следовательно, химический состав Вселенной подвержен непрерывному изменению. Отсюда напрашивается и вывод – на заре зарождения нашей Вселенной, большая её часть состояла из водорода.
С течением времени доля тяжелых элементов по отношению к водороду увеличивается. Часть звездного вещества, обогащенная тяжелыми элементами, возвращается обратно в межзвездную газовую среду, может быть, в форме протуберанцев или более грандиозных взрывов, и поэтому сам межзвездный газ обогащается тяжелыми элементами. Однако даже в настоящее время атомов водорода в 2000 раз больше, чем атомов тяжелых элементов.
Это, как минимум, свидетельствует о том, что наша Вселенная ещё сравнительно молода и до её “старости” осталось не так уж мало времени.
Источник