35. Имеет ли Солнце поверхность?
Солнце это гигантский светящийся газовый шар, так что он не имеет твердой поверхности, как Земля. Но так, конечно, кажется на первый взгляд. Почему?
Солнечную «поверхность», или фотосферу, к которой солнечные лучи с большим трудом пробиваются из глубин Солнца, легко найти.
Представьте себе людную улицу. Движение медленное. Нужно зигзагообразно огибать препятствия (людей). Двигаться прямо не получается. То же самое происходит со светом, испускаемым Солнцем.
Фотон (частица света), выходящий из ядра Солнца, проходит только 1 см до рассеяния в другом направлении на препятствии (например, электроне).
При движении в прямом направлении путешествие фотона от центра до поверхности заняло бы только 2 секунды. Но зигзаги пути так извилисты, что путешествие занимает 30 000 лет!
Поэтому сегодняшнему солнечному свету около 30 000 лет. Он возник на пике последнего ледникового периода.
Если бы вызванный ядерными реакциями пожар произошел 29 000 лет назад, мы бы не знали о нем еще 1000 лет.
На самом деле Солнцу требуются миллионы лет, чтобы потерять все запасенное тепло. Благодаря его большой мощности нам некоторое время ничего не грозит.
В итоге, через 30 000 лет фотоны, испускаемые с поверхности Солнца, летят по прямой к Земле со скоростью 300 000 км/с.
При такой скорости необходимо всего 8,3 мин, чтобы покрыть 150 млн км до Земли, (поэтому, если бы Солнце внезапно исчезло,! мы бы не знали об этом 8,3 мин).
Фотосфера Солнца — это место, где фотоны переходят от движения по зигзагообразному пути к движению по прямой линии, или «прекращают ходить и начинают летать».
Хотя фотосфера не является твердой поверхностью, она достаточно резкая, из-за чего Солнце похоже на диск (если смотреть через безопасный фильтр).
36. Почему Солнце горячее?
Солнце жаркое по одной простой причине. Оно обладает большой массой. Огромное количество вещества прессуется в ядро под действием силы тяжести, сжимающей его.
Когда газ сжат, он становится горячим. Это известно любому, кто сжимал воздух в велосипедном насосе. В солнечном ядре газ сжат так, что его температура достигает -15 млн °С.
При такой высокой температуре вещество переходит в «плазму». Она ведет себя не как материя, которая материальна (каламбур получился случайно).
Солнце — это млрд млрд млрд тонн, в основном, водорода. Но, если положить млрд млрд млрд тонн бананов в одном месте, будет так же жарко.
Ключевой факт: температура Солнца зависит от КОЛИЧЕСТВА содержащегося в нем вещества, а не от его состава (хотя он и оказывает незначительное влияние на распределение тепла внутри).
Сжатая в ядре материя объясняет лишь, почему Солнце горячее в данный момент, но не объясняет, почему оно остается горячим. Это уже совершенно другой вопрос.
Солнце постоянно отдает тепло в космос, но никогда не остывает. Поэтому должно быть что-то, что восполняет тепло так же быстро, как оно теряется. Но что это?
Ответ: ядерная энергия. Солнце осуществляет синтез «остовов», или «ядер» легчайшего элемента — водорода, и превращает его в следующий легчайший элемент — гелий. Побочным продуктом является солнечный свет.
О наиболее маловероятной ядерной реакции, которую можно вообразить. В среднем каждым двум ядрам водорода в составе Солнца для того, чтобы встретиться и соединиться, необходимо 10 млрд лет.
Будем благодарны тому, что солнечный синтез такой медленный. Солнцу необходимо 10 млрд лет, чтобы сжечь все топливо. Этого вполне достаточно для эволюции разумной жизни (такой, как наша).
Чтобы получить представление о неэффективности Солнца, представьте ваш желудок и объем ядра Солнца размером с него. Ваш желудок генерирует больше тепла.
Вопрос. Если производство солнечного тепла является настолько J неэффективным, почему Солнце горячее? Ответ. Потому что оно состоит из множества областей размером с желудок, сложенных вместе!
37. Что там, внутри Солнца?
Солнце — огромный шар из газа, имеющий 1,4 млн км в поперечнике. В основном оно состоит из водорода (75 %) и гелия (24 %).
К центру плотность и температура значительно увеличиваются.
Солнце не имеет нейтральных атомов. Атомные ядра (положительный заряд) лишены электронов (отрицательный заряд). Этот газ заряженных частиц называется плазмой.
Температура в солнечном ядре 15,7 млн °С; плотность — в 160 раз больше, чем у воды. Ядро достаточно плотное, чтобы запустить ядерный синтез, генерирующий солнечный свет.
Диаметр ядра 350 000 км (25 % поперечника Солнца; в 27 раз больше Земли). В пределах этой области производится 99 % солнечной энергии (275 Вт/м3 в самом центре).
Вокруг ядра находится «радиационная зона» 315 000 км толщиной. Перепад температуры составляет от 7 до 2 млн °С. Энергия выходит наружу за счет излучения (свет).
Ядро и радиационная зона вращаются как твердые тела — примерно с одинаковой угловой скоростью. Однако ядро, вероятно, вращается немного быстрее.
Внешняя область Солнца (210 000 км толщиной) известна как конвекционная зона. Она подобна кипящей кастрюле. Горячая плазма поднимается, излучая энергию. Холодная плазма опускается.
Скорость вращения конвекционной зоны изменяется с глубиной и широтой (быстрее на экваторе, медленнее на полюсах). Известно как дифференциальное вращение.
Существуют также подповерхностные меридиональные потоки («реки огня»), которые несут плазму от экватора к полюсам (ближе к поверхности), а затем обратно (на большую глубину).
Магнитные поля распространяются вперед, закручиваются, вытягиваются и искривляются движущейся плазмой. Такие ограниченные магнитные поля приводят к солнечным вспышкам и т. д.
38. Пятна на Солнце, что это такое?
Пятна на Солнце представляют собой короткоживущие темные области на светлой поверхности Солнца. Хотя они и горячие, но выглядят темными, так как намного холоднее, чем окружение.
Самое большое пятно может достигать 80 000 км в поперечнике, что больше чем в 6 раз превышает размер Земли. Они часто появляются группами и могут сохраняться несколько недель.
Крупнейшие пятна видны невооруженным глазом, когда Солнце тусклое на закате/восходе. Об этом сообщали китайские астрономы и европейские монахи.
В июне 1611 немецкий любитель Иоганн Фабрициус был первым, кто описал пятна, наблюдаемые в телескоп. Чуть раньше, чем Галилей.
Наблюдая солнечные пятна, можно вычислить, что Солнце делает оборот примерно за 25 дней. Но истинная природа пятен осталась загадкой.
Температура солнечных пятен 3000–4000 °C по сравнению с температурой в 5500 °C на поверхности Солнца. Солнечные пятна приблизительно на 1000 км глубже, чем их окружение.
Солнечные пятна возникают из-за локализованного сильного магнитного поля, которое останавливает конвекцию. Без горячей плазмы, поднимающейся снизу, поверхность охлаждается и тонет.
Большие солнечные пятна имеют темную центральную часть, называемую тенью, и более светлую окружающую область, называемую полутенью.
Число солнечных пятен (s) и групп пятен (д) входит в число Вольфа 10g + s (названо в честь исследователя Солнца), которое рассматривается как мера солнечной активности.
Часто вокруг групп пятен (активных областей) появляются яркие «факелы», солнечные вспышки и другие взрывоподобные события. Все это магнитные явления.
Другие вращающиеся звезды, подобные Солнцу, и особенно красные карлики обнаруживают периодические изменения яркости. Это свидетельствует о существовании «звездных пятен».
39. Что такое солнечный цикл?
Генрих Швабе, наблюдавший Солнце постоянно, искал гипотетическую планету внутри орбиты Меркурия. Он надеялся поймать пятнышко, пересекающее солнечную поверхность.
Вместо этого Швабе обнаружил медленное изменение числа солнечных пятен. Он замечал их каждый день в 1828/1829. Но 139 дней в 1833 было без пятен. Ту же картину он наблюдал в следующем десятилетии.
В 1843 Швабе опубликовал теорию о том, что солнечные пятна подвержены 10-летнему циклу. Теория подтверждается более ранними наблюдениями, относящимися к временам Галилея.
Более точный период солнечного цикла, найденный позже, оказался ближе к 11 годам. Циклы начали нумеровать начиная с 1755. Наш текущий цикл имеет номер 24.
Новый цикл начинается с нескольких небольших пятен, образующихся на высоких широтах. Позже ближе к экватору проявляются более активные области с пятнами и вспышками.
Во время «солнечного максимума» Солнце в целом выделяет чуть больше энергии (несмотря на большее количество темных пятен), особенно в виде УФ и рентгеновского излучений.
Природа солнечного цикла, вероятно, связана с подповерхностными потоками намагниченной плазмы и регулярным накоплением магнитной энергии. Но детали остаются неясными.
В 1893 шотландский астроном Эдвард Маундер обнаружил, что с 1645 по 1710 солнечная активность была необычайно низкой. Это явление было названо Минимумом Маундера.
Причина Минимума Маундера неизвестна. Анализ колец деревьев показывает наличие подобного длинного минимума между 1420 и 1550. Он может повториться в любое время.
На протяжении XX в. Солнце было необычайно активным, с большими максимумами. Однако солнечный минимум последнего цикла, номер 23, был очень глубоким и долгим.
Солнечная активность в текущем цикле, номер 24, по прогнозам, достигнет своего пика в летний период 2013. Учитывая прошлое и медленный рост нового цикла, максимум, вероятно, будет слабым.
40. Что такое солнечный ветер?
Солнце выбрасывает заряженные частицы в космос, в основном протоны (+) и электроны (-). Этот ураган в миллион-миль-в-час называют солнечным ветром.
Солнечный ветер впервые обнаружил Ричард Каррингтон (1859). Теорию опубликовал в 1958 Евгений Паркер. Подтверждена она была советским кораблем Луна 1 (1959).
Из-за солнечного ветра Солнце теряет массу: 1,8 млн тонн в секунду, или 1 массу Земли за 150 млн лет. Это небольшое количество по сравнению с массой Солнца.
Солнечный ветер возникает в солнечной короне (от лат. corona) — в очень горячей (1–3 млн ° С) разреженной внешней «атмосфере» Солнца.
Корона в миллион раз тусклее, чем поверхность Солнца. Она видна только при наличии специального инструмента (коронографа) или во время полного солнечного затмения.
Корона имеет высокую температуру, вероятно, из-за ударной волны, но механизм точно неизвестен. В результате частицы движутся так быстро, что они ускользают от гравитации Солнца.
Ветер имеет 2 составляющих: медленный солнечный ветер (400 км/с, 1,5 млн°С, из короны) и быстрый солнечный ветер (750 км/с, 0,8 млн°С, с поверхности Солнца).
Большая часть быстрого солнечного ветра уходит, ускоряясь магнитной энергией, через «корональные дыры» — области, где линии магнитного поля открыты в космос.
Кроме того, взрывы на Солнце производят миллиарды тонн «выбросов корональной массы» (ВКМ): огромные облака плазмы уносятся в космос в виде солнечных бурь.
Недалеко от Земли солнечный ветер и солнечные бури сталкиваются с магнитным полем Земли. Возникают впечатляющие полярные сияния, и возможно даже разрушение электросетей.
Солнечный ветер выдувает пузырь ~3 млрд км в поперечнике в межзвездном пространстве. Это «гелиосфера» — область, где магнитное поле Солнца преобладает.
Граница — гелиосфера/переход в межзвездное пространство — была зарегистрирована космическим кораблем Вояджер, который запустили в 1977 к звездам.
41. Насколько опасны солнечные вспышки?
Мощная солнечная вспышка может разрушить электрическую инфраструктуру, возвращая нас к эпохе использования пара. К счастью, такие супервспышки очень редки.
Первая из когда-либо наблюдаемых и самая мощная из зарегистрированных вспышек произошла 1 сентября 1859 (Ричард Каррингтон, Лондон). Операторы телеграфа получили электрические удары!
Солнечные вспышки — энергетические взрывы на поверхности Солнца, производимые магнитной энергией. Они учащаются в период солнечных максимумов.
Общая энергия, высвобождающаяся в мощной солнечной вспышке, может быть в миллион раз больше годового потребления электроэнергии в мире.
Солнечные вспышки производят высокоэнергетичные рентгеновские лучи, которые могут выводить из строя электронику космических аппаратов и причинять вред космонавтам на орбите вне защиты атмосферой.
Солнечные вспышки уменьшают сроки эксплуатации искусственных спутников, вызывая перегрев/расширение в верхних слоях атмосферы, что приводит к смещению тел на орбите.
Космонавты за пределами магнитного щита Земли также подвергаются опасности от потоков протонов с высокой энергией, движущихся со скоростями, близкими к скорости света.
Вспышки часто сопровождаются более медленным выбросом корональной массы, хотя никто не знает почему. Частицы ВКМ могут достичь Земли через несколько дней.
Заряженные частицы, пронизывающие магнитное поле Земли, могут быть причиной «магнитных бурь». Визуальными проявлениями являются потрясающие полярные «сияния».
Гораздо хуже то, что вспышки нарушают сигналы навигаторов GPS и радиосвязь; токи, индуцированные в проводах, могут вышибать электрические и компьютерные сети.
Технология уязвима: если вспышка, подобная произошедшей в 1859, встретится нам на пути, она может ввергнуть планет в ночную тьму на несколько недель/месяцев.
Такое отключение энергии нарушило бы связь, поставки топлива и продовольствия, здравоохранение и глобальную экономику. Это привело бы к огромному количеству погибших от голода и эпидемий.
Средством защиты служат системы оповещения о вспышках в космосе. Электрические и коммуникационные сети могут быть выключены намеренно для их защиты.
42. Зависит ли климат Земли от Солнца?
Климат Земли управляется Солнечной энергией. Крошечные изменения в излучении солнечной энергии оказали бы драматическое влияние на погоду и климат.
В течение своей жизни Солнце, как и все звезды, стало ярче и жарче. В далеком будущем Земля тоже станет слишком горячей для жизни.
В более коротких временных пределах эффект не столь очевиден. Тем не менее измерения показывают, что Солнце производит чуть больше энергии во время солнечного максимума (на 0,1 %).
Ответ климата Земли на эти изменения, вероятно, слишком медленный, чтобы иметь хоть какое-то значение, так как Солнечный цикл длится в среднем лишь 11 лет.
Но Минимум Маундера — период низкой солнечной активности между 1645 и 1715 — совпал с Малым ледниковым периодом. В Европе было на 1 °C холоднее, чем обычно.
Кроме того, более высокая, чем в среднем, солнечная активность в XX в., возможно, внесла свой вклад в глобальное потепление. Но существует много разных мнений об этом.
Не говоря уже о прямом воздействии Солнца (излучение), низкая солнечная активность может охладить планету, приводя к образованию отражающих солнечный свет облаков.
Теория: во время солнечного минимума солнечный ветер менее мощный, так что более высокоэнергетические космические лучи из космоса могут достичь атмосферы Земли.
Космические лучи выбивают электроны из атомов в воздухе; в результате заряженные ионы действуют как крошечные «зародыши», вокруг которых конденсируются капли воды (облака).
Научный консенсус: глобальное потепление в основном обусловлено сжиганием ископаемого топлива. Солнце может играть второстепенную роль, но его точный вклад неясен.
Длительные периоды высокой/низкой солнечной активности почти наверняка влияют на климат. Так, новый Минимум Маундера привел бы на некоторое время к компенсации глобального потепления.
В очень долгосрочной перспективе Земля будет испытывать стремительный рост парникового эффекта, как Венера. Океаны выкипят; планета превратится в жаркое.
43. Будет ли Солнце существовать вечно?
Ничто, как говорят, не существует вечно. И это настолько же верно для Солнца, насколько и для всего остального в мире.
Каждую секунду Солнце превращает около 400 млн тонн водорода в гелий, побочным продуктом этой реакции является солнечный свет. Когда-нибудь запасы водорода иссякнут.
Когда водород «сгорает» в гелий, гелиевая «зола» опускается к центру Солнца. Приблизительно через 5 млрд лет в солнечном ядре не останется водорода.
Солнце имеет возраст 4,55 млрд лет. Это значит, что оно на полпути до полного сгорания водорода, т. е. на середине своего жизненного цикла.
Накопленная гелиевая зола делает солнечное ядро плотнее и теплее, поскольку гелий тяжелее водорода. Таким образом, Солнце становится горячее, когда теряет тепло!
Сегодня Солнце на 30 % ярче, чем в то время, когда родилось. Вопрос: так почему новорожденная Земля не замерзла? Ответ: парниковые газы помогли сохранить тепло планеты.
В будущем солнечное ядро будет продолжать становиться плотнее/горячее. Дополнительное хлынувшее тепло будет раздувать оболочку до огромных размеров, создавая «красный гигант».
Красный гигант прохладен, как тлеющие угли, но благодаря огромной площади поверхности может излучить в 10 000 раз больше тепла, чем Солнце.
Земля зажарится, превратившись в почерневшую золу. Но будет ли она на самом деле поглощена раздувшимся Солнцем? Никто этого не знает.
Внешние слои красных гигантов пробиваются в космос. Таким образом, Солнце будет терять массу и ослаблять свое гравитационное воздействие. Земля отдалится.
Так, хотя Солнце раздуется, чтобы заключить в себя орбиту Земли, ко времени, когда это произойдет, Земли там не окажется!
Во время фазы красного гиганта Солнце будет расточать свое тепло. В конечном счете оно охладится и сожмется до суперплотного «белого карлика».
Белый карлик станет размером с Землю (кусочек сахара его вещества тяжелее семейного автомобиля). Это звездный тлеющий уголек, охлаждающийся и затухающий до невидимости.
Солнце, словами поэта Т. С. Элиота, закончится «не взрывом, а всхлипом».