Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах и улицах «Добрая дорога детства» 2
Скачать 121.08 Kb.
|
УРОК №29. Звезда по имени СОЛНЦЕ.
1. Общие сведения. Солнце – ближайшая к нам звезда. Расстояние до него по астрономическим меркам невелико: лишь 8 минут идет свет от Солнца до Земли. Но как повезло нам, жителям Земли! Солнце – это не заурядный желтый карлик, как раньше было принято говорить. Это звезда, которая образовалась после взрывов сверхновых, она богата железом и другими тяжелыми элементами. Около нее сформировалась планетная система, на третьей планете которой – Земле – возникла жизнь, а может быть и разумная цивилизация. Мы уже знаем, как проходила эволюция Солнца, и что нас ожидает в будущем. Знаем, что возраст Солнца пять миллиардов лет, и что оно находится на главной последовательности, и стабильно будет излучать энергию еще на протяжении нескольких миллиардов лет. Раскрыта тайна энергии Солнца. Понятна его роль в поддержании жизни на Земле. Эта роль Солнца была понята людьми еще в древности. В религиях всех народов мира, мифах и сказках Солнце занимало всегда главное место. У всех народов Солнце – главное божество, например лучезарный бог Гелиос у древних греков, Дажьбог и Ярило у древних славян. Тысячелетиями Солнце представлялось чем–то незыблемым, совершенным, могущественным и было скорее предметом поклонения, чем исследования. По сравнению с Землей размеры Солнца очень велики. Так, радиус Солнца в 109 раз, а масса – в 330 000 раз больше радиуса и массы Земли. А вот средняя плотность нашего светила невелика – всего в 1,4 раза больше плотности воды. Полное количество энергии, излучаемой Солнцем, составляет L = 4∙1026 Вт. Это соответствует 6,5 кВт с каждого квадратного сантиметра его поверхности, и лишь одну двухмиллиардную часть этой энергии получает Земля. Только с началом наблюдений в телескоп Галилей доказал, что на Солнце есть пятна, что Солнце вращается, установил период вращения нашей звезды. Различные зоны Солнца вращаются вокруг оси с различными периодами. Это установлено по движению солнечных пятен. Так точки на экваторе имеют период около 25 суток, на широте 40° период вращения равен 27 суток, а вблизи полюсов – 30 суток. Скорость вращения точек на поверхности Солнца уменьшается от экватора к полюсам. Это доказывает, что Солнце вращается не как твердое тело. 2. Солнечный спектр. На 1 квадратный метр обращенной к Солнцу поверхности площадки в окрестностях Земли ежесекундно поступает 1400 Дж энергии, переносимой солнечным электромагнитным излучением. Эта величина называется солнечной постоянной. Иными словами, плотность потока энергии солнечного излучения составляет 1,4 кВт/м2. Спектр Солнца непрерывный, в нем наблюдается множество темных фраунгоферовых линий. Эти линии в спектре Солнца образуются в результате поглощения квантов света в более холодных слоях солнечной атмосферы, и по ним мы можем судить о химическом составе нашего светила. Наибольшую интенсивность непрерывный спектр имеет в области длин волн 430–500 нм, поэтому мы видим солнце желтым. В видимой и инфракрасной областях спектр электромагнитного излучения Солнца близок к спектру излучения абсолютно черного тела с температурой 6000 К. Около 9 % энергии в солнечном спектре приходится на ультрафиолетовое излучение с длинами волн от 100 до 400 нм. Остальная энергия разделена приблизительно поровну между видимой (400–760 нм) и инфракрасной (760–1500 нм) областями спектра. Солнце – достаточно мощный источник радиоизлучения. В межпланетное пространство проникают радиоволны, которые излучает хромосфера (сантиметровые волны) и корона (дециметровые и метровые волны). Плотность потока излучения Солнца в рентгеновской области весьма мала.
С  олнце – раскаленный газовый шар, температура в центре которого очень высока, настолько, что там могут происходить термоядерные реакции. В центре Солнца температура достигает 15 миллионов градусов, а давление в 200 миллиардов раз выше, чем у поверхности Земли. Газ сжат здесь до плотности около 150 г/см3 . Солнце – сферически симметричное тело, находящееся в гидростатическом равновесии. Это означает, что давление на любом расстоянии от центра уравновешивается силами гравитации.В центральной области с радиусом примерно в треть солнечного – ядре – происходят ядерные реакции. Затем через зону лучистого переноса энергия излучением переносится из внутренних областей Солнца к поверхности. Ее переносят фотоны, и нейтрино, рождающиеся в зоне ядерных реакций в центре Солнца. Но если нейтрино практически не взаимодействуют с веществом и мгновенно свободно покидают Солнце, то фотоны многократно поглощаются и рассеиваются до тех пор, пока не достигнут внешних, более прозрачных слоев атмосферы Солнца. Пока температура высока – больше 2 миллионов градусов, – энергия переносится излучением, то есть фотонами, и диффузия фотонов к поверхности длится около миллиона лет. Примерно с расстоянии 2/3R находится конвективная зона. В этих слоях непрозрачность вещества становится настолько большой, что возникают крупномасштабные конвективные движения, то есть перемешивание горячих и холодных слоев вещества. Аналогичный процесс происходит в кипящей воде. Время подъема конвективной ячейки сравнительно невелико – несколько десятков лет.
Что является источником солнечной энергии? Какова природа процессов, в ходе которых производится огромное количество энергии? Сколько времени будет еще светить Солнце? Первые попытки ответить на эти вопросы были сделаны в середине ХIX века, после формулирования физиками закона сохранения энергии. Роберт Майер предположил, что Солнце светит за счет постоянной бомбардировки поверхности метеоритами и метеорными частицами. Эта гипотеза была отвергнута, так как простой расчет показывает, что для поддержания светимости Солнца на современном уровне необходимо, чтобы на него за каждую секунду выпадало 2∙1015 кг метеорного вещества, за год - 6∙1022 кг, а за время существования Солнца – 3∙1032 кг, что в 150 раз больше массы Солнца. Вторая гипотеза была высказана Гельмгольцем и Кельвином также в середине ХIX века. Они предположили, что Солнце излучает за счет сжатия на 60–70 метров ежегодно. Причина сжатия – взаимное притяжение частиц. Если сделать расчет по данной гипотезе, то возраст Солнца будет не больше 20 миллионов лет, что так же противоречило современным данным. Третью гипотезу о источниках энергии Солнца высказал Джеймс Джинс в начале ХХ века. Он предположил, что в недрах Солнца содержатся тяжелые радиоактивные элементы, которые самопроизвольно распадаются, при этом излучается энергия. Последующий анализ этой гипотезы также показал ее несостоятельность. В 1938 г. возник вопрос о природе получения энергии Солнцем и другими звездами. Ознакомившись с астрономическими данными и применив свои энциклопедические познания в области ядерной физики, молодой физик-теоретик Ханс Альбрехт Бете решил эту задачу за шесть недель. Остановившись на синтезе гелия из двух протонов и рассмотрев такие солнечные характеристики, как температура, плотность, состав, а также ожидаемые скорости реакции, он подсчитал, что реакция синтеза идет как раз при такой скорости, которая обеспечивает наблюдаемое выделение энергии Солнцем. В 1967 году за это открытие он получил “Нобеля”. Основной источник энергии – протон-протонный цикл – очень медленная реакция, так как обусловлена слабым взаимодействием. Ее суть состоит в том, что из четырех протонов получается ядро гелия. При этом выделяется пара позитронов и пара нейтрино, а также 26,7 МэВ энергии. Зная общую энергию, выделяемую Солнцем можно найти, сколько нейтрино рождается каждую секунду на Солнце. Получалось, что наша звезда должна рождать 1,8∙1038 нейтрино/с. Прямая проверка этой теории – наблюдение солнечных нейтрино, устойчиво показывало недостаток нейтрино по сравнению с теоретическим значением для стандартной модели Солнца, и это ставило под сомнение всю теорию. Для спасения теории была выдвинута гипотеза, что нейтрино имеют отличную от нуля массу покоя. В этом случае возможны осцилляции (превращения) различных сортов нейтрино друг в друга, что могло бы объяснить наблюдаемый дефицит этих частиц, не меняя модели Солнца. И это открытие было сделано в Японии в 1998 году, и считается одним из крупнейших в 20 веке. Химический состав Солнца примерно такой же, как и у большинства других звезд. Примерно 75 % – это водород, 25 % – гелий и менее 1 % – все другие химические элементы (в основном, углерод, кислород, азот и т.д.). Сразу после рождения Вселенной «тяжелых» элементов не было совсем. Все они, т.е. элементы тяжелее гелия, образовались в ходе «горения» водорода в звездах при термоядерном синтезе. Каждую секунду Солнце перерабатывает около 600 миллионов тонн водорода. Запасов ядерного топлива хватит еще на пять миллиардов лет, после чего оно постепенно превратится в белый карлик. Центральные части Солнца будут сжиматься, разогреваясь, а тепло, передаваемое при этом внешней оболочке, приведет к ее расширению до размеров, чудовищных по сравнению с современными: Солнце расширится настолько, что поглотит Меркурий, Венеру, Землю, Марс и будет тратить «горючее» в сто раз быстрее, чем в настоящее время. Наша звезда станет красным гигантом. Жизнь на Земле исчезнет или найдет пристанище на внешних планетах Солнечной системы. Мы, конечно, будем заранее поставлены в известность о таком событии, поскольку переход к новой стадии займет примерно 100–200 миллионов лет. Когда температура центральной части Солнца достигнет 100 000 000 К, начнет сгорать и гелий, превращаясь в более тяжелые элементы, и Солнце вступит в стадию сложных циклов сжатия и расширения. На последней стадии наша звезда потеряет внешнюю оболочку, центральное ядро будет иметь невероятно большую плотность, а размеры, как у Земли. Это и будет белый карлик. Пройдет еще несколько миллиардов лет, и Солнце остынет, превратившись в черный карлик.
ФОТОСФЕРА. Наблюдаемое излучение Солнца возникает в его тонком внешнем слое, который называется фотосферой. Толщина этого слоя 0,001R = 700 км. В фотосфере образуется видимое излучение Солнца, имеющее непрерывный спектр. Плотность вещества на нижней границе фотосферы 5∙10–7 г/см3, тогда как на верхней границе она в тысячу раз меньше (атмосфера Земли у поверхности более плотна). «Видимая» поверхность Солнца определяется той глубиной в атмосфере, ниже которой атмосфера практически непрозрачна. Видимый нами свет излучается ионами водорода. Они же его и поглощают, поэтому с глубиной фотосфера быстро теряет прозрачность. Вот почему видимый край Солнца кажется нам очень резким. На поверхности Солнца можно разглядеть много деталей. Вся фотосфера Солнца состоит из светлых зернышек. Эти зернышки называются гранулами. Размеры гранул невелики, 1000–2000 км, расстояние между ними – 300–600 км. На Солнце наблюдается одновременно около миллиона гранул. Каждая гранула существует несколько минут. Гранулы окружены темными промежутками, как бы сотами. В гранулах вещество поднимается, а вокруг них – опускается. Грануляция – проявление конвекции в более глубоких слоях Солнца. Гранулы создают общий фон, на котором можно наблюдать несравненно более масштабные образования, такие, как протуберанцы, факелы, солнечные пятна и др. ХРОМОСФЕРА Солнца видна только в моменты полных солнечных затмений. Луна полностью закрывает фотосферу, и хромосфера вспыхивает, как небольшое кольцо ярко-красного цвета, окруженное жемчужно-белой короной. Размеры хромосферы 10–15 тысяч километров, а плотность вещества в сотни тысяч раз меньше, чем в фотосфере. Температура в хромосфере быстро растет, достигая в верхних ее слоях десятков тысяч градусов. Рост температуры объясняется воздействием магнитных полей и волн, проникающих в хромосферу из зоны конвективных движений. Здесь нагрев происходит, как в микроволновой печи, только гигантских размеров. На краю хромосферы наблюдаются выступающие язычки пламени – хромосферные спикулы, представляющие собою вытянутые столбики из уплотненного газа. Температура этих струй выше, чем температура фотосферы. СОЛНЕЧНАЯ КОРОНА. Самая внешняя, самая разреженная и самая горячая часть солнечной атмосферы – корона. Она прослеживается от солнечного лимба до расстояний в десятки солнечных радиусов. Несмотря на сильное гравитационное поле Солнца, это возможно благодаря огромным скоростям движения частиц, составляющих корону. Корона имеет температуру около миллиона градусов и состоит из высокоионизированного газа. Возможно, причиной такой высокой температуры являются поверхностные выбросы солнечного вещества в виде петель и арок. Миллионы колоссальных фонтанов переносят в корону вещество, нагретое в глубинных слоях Солнца. Яркость короны в миллионы раз меньше, чем фотосферы, поэтому корону можно видеть только во время полного солнечного затмения, либо с помощью коронографа. Важной особенностью короны является ее лучистая структура. Корональные лучи имеют самую разнообразную форму. С одиннадцатилетним циклом активности Солнца меняется общий вид солнечной короны. В эпоху минимума корона имеет округлую форму, она как бы «причесана». В эпоху максимума корональные лучи раскинуты во все стороны.
ВСПЫШКИ И ПРОТУБЕРАНЦЫ. Часто, особенно когда на Солнце имеются большие группы пятен, в хромосфере возникают вспышки. Они похожи на огромные взрывы, длящиеся всего лишь несколько минут. За несколько минут в маленькой области высвобождается энергия порядка 100 000 миллиардов кВт/час: столько же тепла поступает от Солнца на Землю в год! Причины вспышек пока еще плохо изучены; по-видимому, они вызываются резким изменением магнитного поля в хромосфере. При этом излучение резко возрастает не только в видимой области спектра, но и в ультрафиолете, и в рентгеновской области спектра, увеличивается поток космических лучей. Вспышки вызывают изменения в магнитном поле Земли и могут даже повредить системы электроснабжения. Другим проявлением солнечной активности является появление плазменных образований в магнитном поле солнечной атмосферы – волокон протуберанцев. Протуберанцами называются огромные плазменные образования в короне Солнца. Плотность и температура протуберанцев такая же, как и вещества хромосферы 20000 К, но на фоне горячей короны протуберанцы – холодные и плотные образования. Некоторые из них существуют в короне несколько месяцев, другие, появляющиеся рядом с пятнами, быстро движутся со скоростями около 100 км/с и существуют несколько недель. Отдельные протуберанцы движутся с еще большими скоростями и внезапно взрываются; они называются эруптивными. Размеры протуберанцев могут быть разными. Типичный протуберанец имеет высоту около 40 000 км и ширину около 200 000 км. К  орональные петли и арки высотой в сотни тысяч километров состоят из отдельных тонких петелек, скрученных друг с другом, как нити в веревке. Выбросы плазмы из глубинных слоев Солнца, согласно последним исследованиям, являются основной причиной разогрева солнечной короны.СОЛНЕЧНЫЕ ПЯТНА. Пятна на Солнце – очевидный признак его активности. Это более холодные области фотосферы. Температура пятен около 3500 К, поэтому на ярком фоне фотосферы они кажутся темнее. Образование пятен связано с магнитным полем Солнца. Небольшие пятна имеют в поперечнике несколько тысяч километров. Размеры крупных пятен достигают 100 000 км; такие пятна существуют около месяца. Солнечные пятна имеют внутреннюю структуру: более темную центральную часть – ядро – и окружающую ее полутень. Солнечные пятна часто образуют группы, которые могут занимать значительную площадь на солнечном диске. Установлено, что пятна – места выхода в атмосферу сильных магнитных полей. Поля уменьшают поток энергии, исходящий из ядра, поэтому в месте их выхода на поверхность температура падает. Образуются пятна на месте факелов - выходов вещества из глубоких слоев Солнца. Факелы существуют недели и месяцы. В некоторых факелах между гранулами появляется черная точка, которая начинает быстро расти и, на следующий день, превращается в пятно. К десятому дню площадь пятна достигает максимума, после этого оно начинает уменьшаться и, наконец, исчезает. Солнечные пятна можно увидеть с помощью небольшого телескопа. После семнадцатилетних наблюдений Генрих Швабе установил, что количество пятен на Солнце с течением времени меняется. В годы минимума пятен на поверхности Солнца может не быть совсем, в годы максимума их число измеряется десятками. Максимумы и минимумы чередуются в среднем каждые 11 лет, последний максимум солнечной активности был в 2000 году. Ц  икл активности солнечных пятен имеет прямое отношение к земному климату. У некоторых деревьев толщина колец имеет одиннадцатилетний цикл. В начале XX века Александр Чижевский после многолетних статистических исследований доказал зависимость количества событий в общественной жизни на Земле от активности Солнца. Выяснилось, что в годы максимумов солнечной активности на Земле увеличивается количество революций и войн, усиливается политическая активность населения. Максимумы солнечной активности также провоцируют развитие многих болезней: в частности, усиливается вероятность эпидемий. СОЛНЕЧНЫЙ ВЕТЕР. Солнце является источником постоянного потока частиц. Нейтрино, электроны, протоны, альфа-частицы, а также более тяжелые атомные ядра все вместе составляют корпускулярное излучение Солнца. Значительная часть этого излучения представляет собой более или менее непрерывное истечение плазмы, так называемый солнечный ветер, являющийся продолжением внешних слоев солнечной атмосферы – солнечной короны. Вблизи Земли его скорость составляет обычно 400–500 км/с. В дни солнечных бурь солнечный ветер резко усиливается. Он вызывает полярные сияния и магнитные бури на Земле. Под воздействием солнечного ветра хвосты комет всегда направлены в сторону от Солнца. Космический аппарат «Вояджер» обнаружил солнечный ветер даже за орбитой Плутона. Фактически, мы живем в образованной солнечным ветром гигантской гелиосфере, хоть и защищены от нее магнитным полем Земли. Д.З. §§21,22,23. Экспресс опрос. 1. Что такое солнечная постоянная? 2. Каков возраст нашего Солнца? 3. На какие части делится внутреннее строение Солнца? 4. Какой процесс является источником энергии Солнца? 5. Из каких слоев состоит атмосфера Солнца? 6. Что такое грануляция? 7. Что такое хромосферные спикулы? 8. Каковы температура поверхности Солнца и температура солнечной короны? 9. Что такое протуберанец? 10. Что мы называем солнечным ветром? 11. Что такое солнечное пятно? |
Добавить документ в свой блог или на сайт
