Астрономия Diablo

Предисловие .:.

Мы живем в непосредственной близости от настоящей звезды, Солнца, которое находится в центре нашей Солнечной системы. Оно дает Земле тепло и свет, поддерживающие жизнь на нашей планете. Для растений солнечный свет является источником энергии, необходимой для роста. Ископаемое горючее, например уголь, представляет собой разновидность солнечной энергии, отложенной в запас, так как содержащийся углерод был когда-то накоплен растениями. Для астрономов Солнце - звезда особая, поскольку оно находится так близко - всего лишь в 150 млн. км. Однако чтобы преодолеть такое расстояние на автомобиле, потребовалось бы почти 200 лет, так что и до нашей домашней звезды путь весьма неблизкий. Космический аппарат, летящий но прямой, - и тот провел бы в путешествии до Солнца многие месяцы. Свет, перемещающийся в пространстве быстрее всего остального, преодолевает путь от Солнца до Земли за восемь минут с небольшим. Проксима Кентавра, следующая ближайшая к нам звезда, дальше от нас в четверть миллиона раз. О Солнце мы знаем гораздо больше, чем о любой другой звезде - просто-напросто потому, что оно находится так близко. В некоторых больших обсерваториях имеются телескопы, специально предназначенные для изучения Солнца, Астрономы хотят знать, какие процессы происходят на Солнце и каким образом оно воздействует на Землю. Это дает нам представление и о большинстве других обычных звезд. Некоторые ученые полагают, что любое изменение в выработке солнечной энергии неизбежно повлечет за собой изменение климата здесь, на Земле. Следовательно, солнечная астрономия важна как для изучения звезд, так и для предвидения того, каким образом Солнце будет влиять в будущем на среду нашего обитания.

Информация в солнечном свете .:.

Спектр света, идущего от фотосферы, несет в себе очень много информации. В 1814 г. немецкий физик Йозсф Фраунгофср (1787-1826) обнаружил сотни темных линий, пересекающих спектр. Он составил перечень и описал 700 таких линий. Теперь мы знаем, что причиной появления этих спектральных линий, количество которых исчисляется многими тысячами, является наличие разнообразных химических элементов в относительно холодном слое солнечной атмосферы, расположенном поверх фотосферы. Железо, например, даст множество таких линий, а вклад натрия - пара темных линий в желтой части спектра. Изучая спектральные линии, астрономы могут узнать, какие элементы и в каких пропорциях содержатся на Солнце.

Поверхность .:.

Солнце - это огненный газовый шар, диаметр которого примерно в 109 раз превосходит диаметр Земли. Внутри Солнца могло бы поместиться более миллиона небесных тел размером с Землю. Желтый свет Солнца приходит к нам из слоя солнечной атмосферы, который имеет толщину 500 км и называется фотосферой. Под ним лежат внутренние области Солнца, а выше - прозрачные части наружной атмосферы. Практически вся солнечная энергия, включая тепло и свет, падающие на Землю, приходит к нам от фотосферы, но первоначально производится в глубине Солнца. Температура фотосферы равна приблизительно 5500°С. Одним из способов вычисления этой температуры является оценка того, насколько горячим должно быть Солнце, чтобы излучать всю ту энергию, которую оно отдает фактически. Поверхность Солнца - пузырчатая. Эти пузыри, или пена, называются солнечной зернистостью, и разглядеть ее можно только через солнечные телескопы. Эта пузырчатость подобна той, что возникает на закипевшем молоке или мясном соусе. Благодаря конвекции в солнечной атмосфере, тепловая энергия из нижних слоев переносится в фотосферу, придавая ей пенистое строение. В 1960-х гг. астрономы обнаружили, что верхний слой атмосферы примерно один раз в пять минут поднимается и опускается. Так что Солнце как бы вибрирует, подобно звенящему колоколу. Изучая эти вибрации, астрономы надеются узнать, что представляет собой внутренность солнечного шара.

Пятна на Солнце .:.

В поверхностном слое Солнца, где его энергия, в конце концов, вырывается в виде света, астрономы наблюдают большое разнообразие солнечной активности. Пятна на Солнце являются очевидным ее признаком. Это более холодные и менее светлые области солнечного диска по сравнению с общей яркостью фотосферы. Самые большие пятна можно иногда увидеть в тот момент, когда Солнце опускается за горизонт, и именно таким образом проводили свои наблюдения китайские астрономы 2000 лет тому назад. Древние астрономы считали, что эти пятна являются эффектом нашей, земной атмосферы, но в XVII в. Галилеи опроверг эту идею. Он использовал свой телескоп для исследования солнечных пятен в 1610 г. и сделал много важных открытий. Например, Галилеи обнаружил, что пятна могут появляться и исчезать и что они меняются в размере. Проследив за перемещением пятен по солнечному диску, он доказал, что Солнце вращается. Он наблюдал также изменение формы пятен при их приближении к краям видимого диска. Солнечные пятна имеют более темную центральную часть, называемую тенью. Она окружена менее темной полутенью. Солнечные гигантские пятна - это те области, где мощные магнитные силы пробиваются изнутри Солнца сквозь поверхностные слои. Большие пятна по величине превосходят Землю и могут сохраняться до двух месяцев.

Как смотреть на солнечные пятна .:.

Солнечные пятна можно увидеть с помощью маленького телескопа, приспособив его для получения проекции солнечного изображения. Чтобы случайно не взглянуть на Солнце непосредственно, что очень опасно, окуляр выдвигается немного сильнее, чем обычно. Путем проб и ошибок телескоп направляется на Солнце. После некоторой практики можно получить "четкое изображение на куске картона, который следует держать на расстоянии 10-20 см от окуляра. К картону, на который проектируется изображение, прикрепи лист бумаги и отметь карандашом расположение пятен на Солнце. Повторяя это в течение нескольких дней, ты заметишь, что пятна перемещаются с востока на запад по мере вращения Солнца.

Солнечная активность .:.

Солнце вращается не как твердое небесное тело вроде Земли. В отличие от Земли различные части Солнца вращаются с разными скоростями. Быстрее всего крутится экватор, делая один оборот за 25 дней. При удалении от экватора скорость вращения снижается, и в полярных областях один оборот занимает уже 35 дней. Различные скорости вращения возможны только потому, что Солнце - это газовый шар. Одно из следствий состоит в закручивании магнитного поля Солнца, что увеличивает солнечную активность. Пятна на Солнце - это лишь один пример солнечной активности. "Погодные явления" в солнечной атмосфере совершенно отличны от земных. Магнитные бури и взрывы, называемые вспышками, внезапно вздымаются над поверхностью Солнца, В некотором отношении они напоминают земные грозы, поскольку высвобождают электрическую энергию. Однако на Солнце энергия гигантских электрических разрядов намного превосходит энергию земных молний. Солнечные бури оказывают влияние на Землю, поэтому астрономы держат Солнце под постоянным наблюдением. Солнечные вспышки взметают электрически заряженные частицы в космос, что удивительным образом воздействует на нашу атмосферу.

Полярное сияние .:.

Когда потоки электрически заряженных частиц, порожденных солнечными вспышками, достигают Земли, они создают в нашем небе изумительные "занавеси" мерцающего света, которые видны в приполярных областях и называются полярными сияниями. Пляшущие всполохи полярных сияний очень красивы, однако мощные взрывы на Солнце таят в себе и некую опасность. В течение нескольких секунд они выбрасывают больше энергии, чем произвели все земные электростанции за все время своего существования. Гигантская солнечная буря 1987 г. обошлась американцам в 100 миллионов долларов, повредив систему электроснабжения в Северной Америке. Потоки электрически заряженных частиц, летящих от Солнца, выводят из строя электростанции, разрушая их оборудование. Солнечные вспышки опасны и для космонавтов не следует выходить в открытый космос, когда они происходят. Частицы, выбрасываемые вспышкой и несущие большую энергию, могут нанести вред организму человека. Возникновение полярного сияния непредсказуемо и, следовательно, наблюдать его довольно трудно. Оно может иметь форму дуг, лучей и занавесей света в темним небе, и никогда эти картины не повторяются. Очень важно, чтобы ночь была безлунной; кроме того, полярное сияние гораздо чаще можно увидеть на крайних северных или южных широтах - например, в Шотландии, Новой Шотландии (провинция Канады) и на Аляске - в северном полушарии, либо на Южном острове Новой Зеландии - в южном полушарии. Полярные сияния вряд ли можно увидеть, когда на Солнце мало пятен.

Солнечный цикл .:.

Количество солнечных пятен, которые можно увидеть, с течением времени меняется. В 1989-1990 гг. их было очень много, поскольку на этот период пришелся пик цикла солнечной активности. В среднем количество солнечных пятен достигает своего максимума каждые 11 лет. В следующий раз плотность пятен будет наибольшей примерно в 2000 или 2001 г. В середине 1990-х гг. солнечных пятен будет относительно немного. Цикл активности солнечных пятен, по всей видимости, имеет прямое отношение к климату на Земле. У некоторых деревьев, например, толщина годовых колец тоже имеет 11-летний цикл. Между 1650-1715 гг. пятен на Солнце практически не было, солнечный цикл как будто совсем исчез. Это соответствует периоду исключительно холодной погоды в Европе. Чтобы проверить воздействие 11-летнего солнечного цикла на наш климат, на спутнике был установлен специальный прибор, который измерял количество энергии, произведенной Солнцем за период 1980-1989 гг. Каждый раз, когда на Солнце появлялось большое пятно, количество энергии, излучаемое Солнцем, падало. В 1990-х гг. проводятся новые серии наблюдений с космических кораблей. Ученые надеются, что эти измерения позволят ответить на вопрос, оказывают ли изменения солнечной активности долгосрочное воздействие на Землю - скажем, содействуют ли они глобальному потеплению на нашей планете.

Наружные слои Солнца .:.

Солнечные затмения позволяют увидеть те слои атмосферы Солнца, что лежат над фотосферой. Кольцо розоватого света исходит из хромосферы, температура которой около 15000С. Во время полного затмения вокруг Солнца можно видеть слабый белый ореол, солнечную корону. В действительности она простирается на расстояние нескольких радиусов Солнца. Вблизи Солнца ее температура достигает 2 млн. градусов. Горячая корона излучает совсем мало света, зато от нее идет очень мощное рентгеновское излучение. Для его исследования на околоземных спутниках устанавливаются рентгеновские телескопы. При помощи компьютеров строятся цветные изображения областей, которые излучают рентгеновские лучи. Вот почему мы знаем, что светлые участки короны имеют температуру свыше 1 млн. градусов. Более холодные участки короны выглядят как черные дыры, сквозь которые частицы, например электроны, могут улетать в космос.

Солнечный ветер .:.

Наружные слои короны постоянно выдуваются в Солнечную систему, образуя солнечный ветер. Его частицам требуется 10 дней, чтобы долететь до Земли. Космические корабли "Вояджер" обнаружили солнечный ветер даже за орбитой Плутона. Под воздействием солнечного ветра газовые хвосты комет всегда направлены в сторону от Солнца.

Магнитная оболочка Земли .:.

Магнитное поле Земли отклоняет большую часть солнечного ветра, препятствуя прямой бомбардировке нашей планеты его частицами. Фактически магнитные силы Земли создают невидимую защитную оболочку, которую солнечный ветер обтекает подобно тому, как река обтекает остров. У других планет, имеющих магнитное поле, например у Меркурия и Юпитера, тоже есть невидимые барьеры для солнечного ветра. Если говорить о Земле, то здесь некоторые электрически заряженные частицы все же могут проникнуть сквозь магнитную оболочку.

В глубине Солнца .:.

До XX в. ученые представляли себе Солнце в виде пылающего огненного шара. В 1892 г. в одной книге утверждалось, что Солнце - это мощная печь из жара и огня. По другой теории, существовавшей в XIX в., Солнце горит благодаря падающим на него метеоритам. Обе эти идеи неверны. Наши сегодняшние знания позволяют утверждать, что солнечная печь - это огромный ядерный реактор. Чтобы лучше понять устройство солнечной печи, представь себе для начала желтый поверхностный слой, где температура в четыре раза выше точки плавления железа. При такой температуре любое вещество испаряется, так что вес Солнце - это огромный шар раскаленного газа. Теперь будем продвигаться в глубь Солнца. По мере углубления, как температура, так и давление будут постоянно возрастать. На всех уровнях внутри Солнца давление горячего газа, выталкивающего вещество наружу, в точности уравновешивается огромной силой тяготения, действующей в направлении центра. Ближе к ядру Солнца температура в 25 000 раз выше, чем на поверхности. Совершенно невозможно себе представить, насколько это горячо, но написать нетрудно: 14-15 млн. градусов.

Выработка солнечной энергии .:.

Солнце состоит главным образом из водорода и гелия, самых легких химических элементов. Высокая температура в глубинах Солнца препятствует образованию обычных атомов. Вместо этого перемешанные между собой атомные ядра и электроны находятся там, в полном беспорядке. Ядра водорода представляют собой просто единичные протоны. Ядра гелия - это соединенные вместе два протона и два нейтрона. В условиях невероятно высокой температуры в центре Солнца атомные частицы движутся там с очень высокими скоростями и часто сталкиваются. Обычно при этом ничего не происходит. Но иногда два протона ударяются друг о друга с такой силой, что слипаются вместе и превращаются в протонно-нейтронную пару (1). После этого они выделяют две частицы: крошечный нейтрино, не имеющий ни массы, ни электрического заряда, но несущий энергию, и позитрон - частицу, подобную электрону, но с положительным электрическим зарядом. Протонно-нейтронная пара может затем соединиться еще с одним протоном и образовать ядро легкого гелия, имеющее только один нейтрон вместо обычных двух (2). И, наконец, при столкновении двух ядер легкого гелия образуется устойчивое ядро гелия (3). При этом высвобождаются два лишних протона. Иначе говоря, Солнце может склеивать вместе четыре протона, образуя ядро гелия и одновременно выделяя огромное количество энергии. Масса четырех протонов немного - на 0,5 процента - меньше, чем масса ядра гелия. При исчезновении этой недостающей массы взамен создается энергия. Такие же или похожие реакции ядерного синтеза происходят во всех нормальных звездах. Ученые надеются когда-нибудь овладеть ядерным синтезом, чтобы сделать производство ядерной энергии на Земле более безопасным и дешевым. В ходе экспериментов в Европейской лаборатории ядерного синтеза, расположенной вблизи Оксфорда, в Великобритании, а также в других научных центрах ядерная энергия высвобождается в результате процессов, подобных тем, что происходят на Солнце. Целью ученых является использование этих знаний для того, чтобы спроектировать безопасный ядерный реактор, вырабатывающий электроэнергию. По сравнению с теми ядерными электростанциями, что мы имеем теперь, реактор, использующий те же реакции, что и на Солнце, будет давать гораздо меньше ядерных отходов.

Как долго будет существовать Солнце? .:.

Каждую секунду Солнце перерабатывает около 600 млн. т. водорода, производя при этом примерно 4 млн. т. гелия. Сопоставляя такую скорость с массой Солнца, возникает вопрос: как долго просуществует наше светило? Совершенно ясно, что Солнце не будет существовать вечно, хотя впереди у него невероятно долгая жизнь. Сейчас оно находится в среднем возрасте. На переработку половины своего водородного топлива у него ушло 5 млрд. лет. В грядущие годы Солнце будет медленно разогреваться и немного увеличиваться в размере. В течение следующих 5 млрд. лет его температура и объем будут постепенно возрастать по мере того, как водород будет сгорать. Когда весь водород в центральном ядре израсходуется, Солнце будет в три раза больше, чем теперь. Все океаны на Земле выкипят. Умирающее Солнце поглотит Землю и превратит твердую породу в расплавленную лаву. В глубине Солнца ядра гелия будут комбинироваться, образуя ядра углерода и более тяжелых веществ. В конечном счете, Солнце остынет, превратившись в шар ядерных отходов, так называемый белый карлик.