Сергей Язев - Лекции о Солнце

Получаемая величина называется солнечной постоянной . Как мы видим, ее определение отличается от первоначального, введенного в XIX веке, хотя близко к нему по сути. Солнечная постоянная равна 1366 ± 4 ватта на квадратный метр. Современная погрешность измерений – не более 0,3 %.

Теперь мы уже знаем из прямых измерений, что до поверхности Земли доходит примерно 800–900 ватт солнечной энергии на квадратный метр. Остальное частично отражается обратно в космос от атмосферных образований (облаков), частично рассеивается и поглощается в атмосфере.

Зная, сколько энергии падает на квадратный метр за секунду вблизи Земли, нетрудно вычислить, сколько всего энергии расходится за секунду от Солнца во все стороны (определить общую светимость). Она оказывается чудовищно большой: примерно 3,84 × 10 26ватт! Каждый квадратный метр огромной поверхности Солнца излучает 63,1 миллионов ватт электромагнитной энергии!

Чтобы наглядно представить себе мощность солнечного энерговыделения, можно вспомнить следующий пример, предложенный в свое время известным советским астрономом и популяризатором астрономии Борисом Александровичем Воронцовым-Вельяминовым (1904–1994). Ледяной мост в виде длинного цилиндра диаметром три километра, проброшенный от Солнца до Земли, за секунду растаял бы, а через восемь секунд испарился бы, если бы всю мощность солнечного излучения удалось сконцентрировать на нем.

Вопрос, насколько стабильно светит Солнце, оказывается важным не только с точки зрения фундаментальной науки. Понятно, что температура на Земле, параметры климата и многие другие характеристики нашей планеты напрямую зависят от того, сколько энергии в виде света и тепла падает на поверхность нашей планеты. Другими словами, действительно ли постоянна солнечная постоянная?

С одной стороны, понятно, что если солнечная постоянная и менялась в прошлом, то вряд ли существенно, иначе Земля бы претерпевала значительные скачки температуры с тяжелыми последствиями – от замерзания водоемов и гибели теплолюбивой части биосферы до массового таяния снегов, повышения уровня океана, усиленного парообразования и формирования мощной, влажной и раскаленной атмосферы.

Тем не менее, есть явные свидетельства, что климат в прошлом ощутимо менялся. Во времена динозавров (65–100 миллионов лет назад), на всей Земле было гораздо теплее (считается, что на 15–20 градусов!), и неопровержимые свидетельства этому находят геологи и палеонтологи. Хорошо известны и оледенения, когда граница вечных снегов опускалась на низкие широты. Причины этих изменений достоверно неизвестны, но вариации солнечной постоянной (изменения режима солнечного энерговыделения), безусловно, фигурируют в списке возможных причин.

Непрерывные измерения солнечной постоянной в течение последних десятилетий показали, что она слабо меняется с характерным временем порядка нескольких суток. Выяснилось, что небольшие (от +0,2 до –0,4 %) вариации солнечной постоянной связаны с появлением и исчезновением на Солнце пятен и факелов. В то же время обнаружены и более долговременные циклические изменения (с амплитудой порядка 0,1 %), с периодичностью около 11 лет. Таким образом, Солнце можно отнести к разряду слабопеременных звезд, светимость которых слабо и периодически меняется.

Есть ли у Солнца более длительные периоды изменения солнечной постоянной? Если есть, то каков размах этих изменений? Прямые измерения пока осуществляются слишком непродолжительное время, чтобы достоверно обнаружить долговременные вариации солнечной постоянной. Косвенные же данные говорят, что такие циклы, судя по всему, есть: порядка 100 или даже 2400 лет. Амплитуда этих изменений, похоже, невелика, и для выявления таких периодов требуются сложные и тонкие математические процедуры обработки долговременных рядов различных данных.

Таким образом, в первом приближении Солнце можно считать стабильным (с точностью до 0,5 %) источником энергии. С этой точки зрения термин «солнечная постоянная» во многом адекватно отражает собственный смысл. Разбираться же в тонких деталях сложного механизма незначительных колебаний светимости звезды еще предстоит.

При огромном энерговыделении Солнца его температура должна быть чрезвычайно высока. Спектральный анализ предлагает сегодня целый набор независимых (что очень важно!) способов определения температуры поверхности Солнца. Здесь могут быть использованы, например, упоминавшийся выше закон смещения Вина либо закон Стефана – Больцмана. Есть и другие способы. Все они дают немного различающиеся значения от 4200 до 5800 градусов.

Расчеты показывают, что температура Солнца должна увеличиваться по мере погружения в его недра под фотосферу. Так называемая стандартная модель внутреннего строения Солнца может быть проверена по следствиям, которые ею предсказываются для наблюдаемого фотосферного уровня. Эта модель дает с трудом представляемую величину около 15,7 миллионов градусов в центре солнечного шара! Ясно, что даже при значительно меньших температурах атомы вещества уже не могут существовать: они ионизуются (электроны, двигающиеся вокруг ядер атомов, отрываются). Таким образом, Солнце состоит не из атомов, а из гигантского количества атомных ядер, потерявших свои внешние электроны. Электроны там, конечно, тоже присутствуют, но они свободно перемещаются между ядрами. Это значит, правильнее сказать, что Солнце состоит не из газа, а из плазмы.

Но почему Солнце горячее? Изначально огромный газовый шар нагрелся из-за аккреции падающего на него вещества. Но с тех пор прошло около пяти миллиардов лет, и если бы в центре светила не «работала» таинственная «печка», скорее всего, оно бы уже остыло, и светимость нашей звезды постепенно уменьшалась бы. Тем не менее, согласно всем имеющимся данным, светимость Солнца за указанное время увеличилась примерно на треть – «печка» медленно, но верно «раскочегаривается». Что же это за «печка»? Кто подбрасывает в нее дровишки?

Как мы уже упоминали, вопрос об источниках энергии Солнца был поставлен давно. На роль «дров» для солнечной топки последовательно выдвигались трение об эфир, энергия от ударов падающих метеоритов, гипотетический солнечный уголь, гравитационное сжатие Солнца, а также аннигиляция частиц и античастиц.

В середине ХХ века пулковский астроном Николай Александрович Козырев предлагал в качестве топлива даже потоки времени, которые в недрах звезд (включая Солнце) трансформировались, согласно его идее, в энергию (электромагнитное излучение). Все указанные концепции были либо опровергнуты, либо (в последнем случае) остались недоказанными.

В предыдущей лекции было сказано, что исследования в области атомной физики позволили выдвинуть версию термоядерного синтеза в недрах Солнца. Рассмотрим эту теорию подробнее.