Что мы можем наблюдать когда солнечный свет
Перейти к содержимому

Что мы можем наблюдать когда солнечный свет

Что мы знаем о Солнце

Самая детально изученная звезда – это наше Солнце. Оно весьма полезно для нас: без него не было бы жизни на Земле. Но что мы узнали про Солнце за всю историю его наблюдений?

Из предыдущей лекции мы знаем, что Солнце очень большое: по диаметру в 10 раз крупнее самой большой планеты нашей системы – Юпитера, и почти в 110 раз крупнее Земли. А по массе Солнце с Юпитером различаются почти в 10³ = 1000 раз, поскольку их плотность примерно одинаковая, около 1,5 г/см³ – это чуть больше, чем у морской воды, т. е. привычная для нас величина. Но надо понимать, что это среднее значение по всему объёму: на поверхности Солнца плотность газа намного меньше, а к центру она нарастает так, что становится в 20 раз больше, чем у железа.

Как смотреть на Солнце

Мы ощущаем Солнце благодаря его излучению. А какова его полная мощность? Если поместить Солнышко в точку фокуса гигантского космического рефлектора и тем самым сконцентрировать всю его световую мощь на Землю, то через 4 минуты все наши океаны не просто закипели бы, они бы полностью выкипели в космическое пространство. Представьте: всего 4 минуты – и нет больше воды на Земле, вот что такое солнечное излучение. А через 10 суток испарился бы весь земной шар.

Мощность энерговыделения Солнца

К счастью, на нас попадает не всё солнечное излучение, а его микроскопическая доля, поэтому Земля и жизнь на ней не сильно от него страдают. Но учтите: прямой солнечный свет очень опасен для зрения. Конечно, можно на мгновение глянуть – и сразу же отвести взгляд. Но лучше этого не делать. Даже если вы собираетесь наблюдать за солнечным затмением, то смотреть на него длительно без тёмных очков нельзя. И очки нужны не пляжные, а специальные, с очень плотной светозащитной плёнкой, которая примерно в тысячу раз ослабляет световой поток; в таком случае ваша сетчатка от наблюдения не пострадает.

Безопасное наблюдение Солнца сквозь специальные светозащитные очки. Волгоградский планетарий

А если вы решили наблюдать Солнце в телескоп, то запомните, что дело это крайне опасное. Телескоп собирает свет огромным объективом и весь его направляет в ваш глаз. Астрономы шутят, что на Солнце в телескоп можно посмотреть лишь дважды в жизни: один раз – правым глазом, а второй раз – левым. На мгновение глянул в окуляр – и всё, капут. Чтобы этого избежать, сделали специальный окуляр с зеркальцем, которое отбрасывает 99,99% света вбок, отводя его в ту часть обсерватории, где людей не должно быть. А в глаз попадает совсем чуть-чуть света, и тогда можно безопасно смотреть на солнечную поверхность.

Наблюдение в основной окуляр телескопа; справа от него расположен окуляр искателя

Но если вам когда-нибудь придётся подсесть к окуляру большого телескопа, учтите, что это не совсем безопасно: обратите внимание, что параллельно его оси имеется маленький телескопчик – своеобразный оптический прицел, называемый гидом или искателем, у которого свой окуляр. В школьные годы в такой телескоп я наблюдал Солнце в проекции на белом экране (это очень удобный и безопасный способ) и однажды забыл закрыть объектив искателя. Внезапно, почувствовав запах горелого, я догадался и моментально отпрыгнул от телескопа. А потом долго ходил в пальто с прожжённой на спине дырой. Так что даже небольшой телескоп, сфокусировав на вашей спине лучи Солнца, может сильно вам навредить.

Построение изображения Солнца

Проще всего наблюдать Солнце вообще без телескопа. Берёте маленький листочек бумаги или картонки, протыкаете в нём дырочку иголкой – и получившаяся камера-обскура даёт вам геометрически точный портрет Солнца. Люди таким способом наблюдают затмение, не рискуя.

Наблюдение солнечного затмения 20 марта 2015 г. на крыше ГАИШ МГУ с помощью небольшой зрительной трубы и проекционного экрана. Фото: В.Г. Сурдин

Если у вас есть небольшая подзорная труба без специальных светофильтров, то можно, удобно расположив у окуляра экран, спроецировать на него изображение. По мере того, как Луна «наползает» на Солнце, с экрана вы фотографируете фазы затмения безопасно для глаз.

Что видно на Солнце

Глядя на нашу родную звезду с Земли, мы видим хорошо оформленный круг фотосферы, можем измерить его диаметр. Присмотревшись, замечаем любопытный эффект потемнения к краю: в центре солнечный диск ярче, чем по краям. Это легко объяснимо: в середине наш взгляд протыкает солнечную атмосферу перпендикулярно и уходит вглубь, в горячие слои, вплоть до предела прозрачности, в то время как на видимом крае (его называют лимбом) луч зрения проходит только сквозь верхние слои атмосферы, а они более холодные и поэтому менее яркие.

Прошло всего пять дней – и тёмные пятна на диске Солнца заметно сдвинулись. 5 и 10 июня 1998 г. Credit: Big Bear Solar Observatory

Поверхность Солнца не столь однородна, как кажется на первый взгляд: на светлом фоне мы замечаем какие-то пятнышки. Причём если день ото дня фотографируем или зарисовываем Солнце, то отметим перемещение этих пятен. Делаем вывод, что, во-первых, Солнце вращается, а во-вторых, на Солнце не все области имеют одинаковую температуру: если обычная температура – около 6000 K, то пятна явно холоднее – до 4000 K, как показывают измерения. Вроде бы разница невелика, но вспомните, что лучеиспускательная способность пропорциональна 4-й степени температуры. Кроме того, спектр смещается из области видимого света в инфракрасный диапазон, а инфракрасные лучи хуже проходят сквозь земную атмосферу и хуже фиксируются фотоприемниками, поэтому пятна выглядят такими чёрными.

Земля в одном масштабе с пятнами на Солнце

Размер солнечных пятен невероятен. Бывают пятна в несколько раз больше земного шара. Пятна окружены яркой поверхностью фотосферы, где постоянно всплывают горячие потоки газа. На их фоне явно выделяются более холодные пятна, причём с градацией яркости: астрономы говорят, что у солнечного пятна есть «тень» (амбра) и «полутень» (пенамбра). Пятно стабильно, потому что мощное магнитное поле препятствует горизонтальному перемешиванию в нём газа. Частицы горячего газа ионизованы, по существу это плазма, которая в магнитном поле движется своеобразно: вдоль силовых линий может, а поперёк – нет, поэтому циркуляция вещества в поперечных направлениях заторможена.

Чёрное пятно на поверхности Солнца окружено тёмной оболочкой

Когда мы изучаем фотосферу Солнца с сильным увеличением, то и помимо пятен обнаруживаем много чего любопытного. Сейчас появилось новое поколение телескопов, в том числе и на спутниках, летающих за пределами атмосферы Земли, так что теперь мы можем наблюдать структуру поверхности очень детально. Оказывается, что даже спокойная, невозмущённая фотосфера не однородна, она вся состоит как бы из зёрнышек, гранул. Размер этих гранул – порядка угловой секунды, что соответствует примерно тысяче километров. Это гигантские потоки плазмы, которые с околозвуковой скоростью выныривают из недр Солнца, остывают и уходят вниз. А в пятнах происходит «водопад»: охлаждаясь, вещество вдоль силовых магнитных линий устремляется вниз, но снизу поток тепла подходит не такой интенсивный. Поэтому вещество охлаждается всё сильнее и сильнее и на контрасте с яркой поверхностью становится для телескопа тёмным, практически чёрным.

Как работает Солнце

Внутреннее строение Солнца мы себе представляем так: есть центральная часть, или ядро, в котором температура выше 5 млн градусов, а в самом его центре – примерно 15 млн. Это источник энергии, там идут термоядерные реакции, а выделяющаяся при этом энергия переносится наружу. В звёздах эффективно работают два механизма переноса.

Из внутренней, высокотемпературной части перенос энергии осуществляется в основном квантами излучения, фотонами. Вещество лежит слоями, практически не перемешиваясь, а кванты из ядра сквозь него диффундируют к более холодной поверхности. Квантов там много, плотность их отнюдь не маленькая, и продвигаются они очень медленно. Дело в том, что плазма настолько непрозрачна для света, что родившемуся в ядре электромагнитному кванту, который движется со скоростью света, чтобы выбраться на поверхность и улететь в открытое пространство, требуется порядка ста тысяч лет.

Внутреннее строение Солнца и схема переноса энергии: фотоны, рождающиеся в ядре, петляя по очень запутанной траектории во внутренней части, постепенно выбираются наружу. Кипение солнечной поверхности, вызванное конвективными движениями: расчёт по трёхмерной гидродинамической модели (справа)

На какой-то глубине плотность и температура квантов уменьшаются настолько, что они становятся не в состоянии обеспечить перенос всей энергии, которая выделяется в ядре. И тут в дело переноса энергии вступает уже конвекция, перемешивание вещества: горячие потоки газа всплывают, охлаждаются, становятся менее тёплыми и тонут. Как в кастрюльке, если воду подогреваем на плитке, она бурлит.

В природе есть и третий механизм переноса энергии – теплопроводность: в твёрдом теле молекулы колеблются и друг друга толкают, происходит кинетическая передача тепла. Этот процесс внутри Солнца тоже имеет место, но роли практически не играет. Однако есть звёзды, в которых теплопроводность является основным способом переноса, это белые карлики.

Современным телескопам на космических аппаратах не мешает атмосфера Земли, они намного детальнее показывают нам структуру поверхности Солнца, и иногда мы видим странные вещи: яркие точки на границах отдельных конвективных ячеек. Космические снимки получаются очень качественные, с высоким угловым разрешением. Раньше, всего лишь лет десять тому назад, в наземные телескопы мы не могли этого явления заметить. Теперь же мы понимаем, что бурление газа выносит не только горячие слои вещества, но вместе с ними и магнитное поле, «вмороженное» в потоки плазмы. В соседних ячейках с обеих сторон выходящие на поверхность потоки несут свои магнитные поля друг к другу. Встречаются два потока газа, на линии их соприкосновения магнитные силовые линии уплотняются, и плотность энергии магнитного поля, пропорциональная квадрату его напряжённости, нарастает. На изображениях, полученных при моделировании, и на прямых снимках Солнца видно, что на границе конвективных ячеек температура выше. Этот локальный разогрев происходит потому, что часть магнитной энергии переходит в тепловую энергию газа. На этом принципе основаны многие наземные приборы. Так, в некоторых термоядерных реакторах, которые сейчас конструируют, способом нагрева плазменного потока служит его «обжимание» магнитным полем, так называемый пинч-эффект.

10_Slide069-compress.jpg

Хотя космические телескопы, например, американский спутник «Солнечная динамическая обсерватория» (Solar Dynamic Observatory), действительно показывают нам намного более детальные изображения, но не это главное. Важнее то, что с помощью заатмосферных обсерваторий мы регистрируем гораздо больший спектральный диапазон: можно получить отдельно рентгеновский, ультрафиолетовый, инфракрасный портреты Солнца. Рассматривая последовательную серию этих фотографий, мы прежде всего замечаем, что площадь, занятая на диске Солнца пятнами, их количество и плотность меняются. Иногда их нет совсем или мало, а иногда их много и они большого размера. Это регулярное явление, открытое ещё в XVII веке, называют солнечной активностью, по сути это и есть активность процессов во внешнем слое Солнца, а пятна – её индикатор. Активность Солнца проявляется не только зримо, но и в его радиоизлучении, и в корпускулярном излучении, и в рентгеновском, которые тоже меняются год от года.

Слева: схема формирования конвективных ячеек Бенара. В поверхностных слоях Солнца энергия передаётся наружу благодаря перемешиванию вещества (внизу). При этом формируются конвективные ячейки подобно тем, что образуются в подогреваемой снизу вязкой жидкости (вверху слева). Циркуляцию вещества в этих ячейках наглядно демонстрирует численный расчёт по 3D гидродинамической модели конвекции Рэлея–Бенара (вверху справа)

Рядом с пятном можно различить светлые прожилки, их обычно называют факелами. Физикам это явление тоже должно быть понятно: горячая плазма не смогла прорваться в область пятна, магнитное поле её туда не пустило, но ей надо куда-то деваться – и она прорывается рядом. Такими факелами окружено каждое пятно, но по краям Солнца они выглядят более контрастно.

Справа: солнце в белом свете 5 июня 2012 г. Фото: Solar Dynamics Observatory, NASA. Слева: вокруг пятен на Солнце имеются светлые прожилки, особенно заметные ближе к лимбу. Фото сделано в видимом диапазоне 28 октября 2003 г. Credit: SOHO (ESA, NASA)

С начала XVII века, когда Галилей начал наблюдать Солнце, ведётся хронология солнечной активности. На графике, демонстрирующем изменение во времени числа пятен или их общей площади, довольно чётко соблюдается периодичность: примерно 11,5 лет отделяет каждый максимум солнечной активности от последующего, т.е. периоды активности можно прогнозировать. Это важно, потому что в эпоху высокой активности Солнце представляет опасность, особенно для космической техники: чаще возникают неполадки, плотнее становятся верхние слои земной атмосферы, и т.п.

Так менялось количество пятен на Солнце за последние 400 лет наблюдений. Кривая линия построена усреднением годовых данных за период солнечной активности

С середины XVII по начало XVIII века (в так называемый минимум Маундера) на Солнце вообще не отмечалось пятен, вспышек, мощных потоков газа, а на Земле это отозвалось малым ледниковым периодом. На старых голландских картинах изображали, что люди катались по каналам на коньках, в то время это было распространённой забавой. А попробуйте сейчас зимой поехать в Голландию: каналы не замерзают, а если иной раз и замерзнут на неделю, то никто на такой лёд не решится выйти.

Слева: солнце в линии H⍺ 8 декабря 2002 г. Фото: Big Bear Solar Observatory. Справа: солнце в линиях He II и Si XI (30,4 нм) 27 июня 2005 г. Фото: SOHO (ESA, NASA)

Когда мы фотографируем не в широком диапазоне излучения, а выделяем из всего спектра одну узкую спектральную линию, получаются довольно интересные портреты. Например, если наблюдать Солнце сквозь интерференционно-поляризационный фильтр, который пропускает свет только в окрестности линии Hα (соответствующей переходу электрона в атоме водорода со 3-го на 2-й энергетический уровень), то на фоне однородной поверхности солнечного диска видны яркие области, в которых водород интенсивно излучает, и тёмные – в которых он поглощает. Понятно, что яркие области более горячие. Но откуда берутся тёмные? Это взвиваются фонтаны газа, которые висят некоторое время над поверхностью Солнца, поддерживаемые магнитным полем. Их называют протуберанцами, это относительно холодные и плотные водородные облака, плавающие в разреженной и горячей солнечной атмосфере, и они частично поглощают свет, идущий с поверхности.

Эруптивный протуберанец на Солнце 29 сентября 2008 г. в линии ионизованного гелия. Фото: STEREO Project, NASA

И совсем фантастическим Солнце выглядит в отдельных линиях ультрафиолетового диапазона, но такие портреты получаются только со спутников: до поверхности Земли излучение длиной волны менее 300 нанометров не доходит. В белом свете Солнце кажется спокойным, но в линии излучения ионизованного железа та же самая поверхность выглядит совсем по-другому.

Слева: солнце в линии восьмикратно ионизованного железа Fe IX (17,1 нм) 9 апреля 2013 г. Справа: солнце в линиях He II (30,4 нм) и высокоионизованного железа. 30 марта 2010 г. Фото: Solar Dynamics Observatory, NASA

На синтетическом портрете, сложенном из нескольких спектральных линий, многое можно увидеть одновременно: тут и активные области, и выбросы-протуберанцы, и потоки газа в солнечной короне, и отдельные яркие точки, которых раньше не замечали вообще. Такие снимки рассказывают нам о том, как функционирует эта звезда на поверхности.

Особенно интересно получается, если делать снимки непрерывно и потом складывать из отдельных кадров «мувики». Так, один из старейших орбитальных телескопов, SOHO, уже 20 лет летает в космосе и несколько раз в час фотографирует Солнце через фильтр, пропускающий линии излучения водорода. Просматривая серии таких снимков, мы видим вспышки и протуберанцы в развитии, а также вращение звезды.

Структура магнитного поля в области солнечного пятна хорошо видна на снимке в линии H⍺. Фото: Solar-B (Hinode, JAXA/NASA/PPARC

Солнце вращается не особенно быстро: примерно за 27 суток оно делает один оборот вокруг своей оси. Но есть звёзды, которые оборачиваются за несколько часов. Причина медленного вращения Солнца в том, что в процессе формирования нашей Солнечной системы планеты «отобрали» у своей звезды момент импульса, так что полный момент Солнечной системы в основном принадлежит планетам и складывается из их орбитального движения, прежде всего – движения массивного Юпитера. Поэтому, если мы видим, что какая-то звезда быстро вращается, то планет у неё, скорее всего, нет.

Детальный снимок окрестности солнечного пятна, сделанный в области одной спектральной линии ионизованного железа, хорошо показывает структуру магнитного поля. Подобно тому, как насыпанные на картонку железные опилки при поднесении снизу магнита выстраиваются вдоль силовых линий магнитного поля, так же точно ориентируются и потоки плазмы вокруг пятен, представляющих собой магнитные полюса. Таким образом, мы можем непосредственно изучать магнитные поля и поведение газа в этих магнитных полях. Поля там неслабые, порядка тысячи гауссов. В принципе, можно и на Земле такую напряжённость получить, но это нелегко. А тут у нас, можно сказать, бесплатная физическая лаборатория, в которой можно наблюдать и изучать магнитную газодинамику.

Как правило, протуберанцы спокойные. Они приподнимаются магнитным полем, ещё немножко свет на них снизу давит, т.е. получается магнитная ловушка, в которой висит плазменное облако, остывает – и тогда мы его видим. Иногда газ всё-таки покидает поверхность Солнца, и его потоки устремляются из фотосферы в более высокие слои атмосферы – хромосферу и корону. Корону мы видим редко, потому что она хоть и очень горячая, более миллиона градусов, но очень разрежена и поэтому света даёт мало. Только во время солнечного затмения, когда солнечный диск закрыт Луной, мы замечаем, что у Солнца атмосфера очень протяжённая и динамично меняющаяся: потоки газа вырываются из неё довольно интенсивно. На хороших снимках солнечного затмения мы прослеживаем корону очень далеко. И она каждый раз разная, потому что меняется активность в разных областях Солнца.

Слева: солнечная корона во время затмения 2015 г. © M. Druckmüller et al., 2015

А теперь сопоставьте известные вам данные: поверхность Солнца нагрета всего до 5—6 тысяч градусов, но отходим дальше в холодный космос – и вдруг миллионы градусов. Странная картина, правда? Вроде бы тепло течёт от нагревателя к холодильнику, а поверхность Солнца – это и есть холодильник по сравнению с ядром. Что туда приносит энергию, что нагревает корону?

В фотосфере Солнца постоянно возникают "нановспышки" с энергией около 240 Мт ТНТ, подогревающие солнечную корону. 18 мая 1995 г. Фото: SOHO EIT. He II line (30,4 нм). Справа: солнечная вспышка вызвала волны цунами, расходящиеся кольцами по поверхности Солнца

До сих пор выдвигали разные гипотезы необычно высокой температуры газа в короне – и звуковые волны, и магнитные. Лишь недавно астрофизики поняли причину этого явления: микровспышки на поверхности Солнца, малюсенькие яркие точки в области контакта между всплывающими в виде гранул потоками газа. Но «микро» такая вспышка лишь в масштабе всего Солнца, а абсолютная величина энергии каждой такой вспышки – порядка сотни мегатонн тринитротолуола (ТНТ). Для сравнения: энергия взрыва самой мощной бомбы (водородной) за всю историю человечества – 50 мегатонн (это была наша бомба, отечественная). А тут – сотни мегатонн, но тем не менее мы их называем «нановспышками», потому что на Солнце они почти не заметны.

Корональный выброс массы Солнцем. 8 января 2002 г. Область короны сфотографирована внезатменным коронографом, затем на снимок наложено изображение диска Солнца в линии He II (30,4 нм). Фото: SOHO (ESA, NASA)

Вспышка – это, по сути, взрыв магнитной бомбы: магнитные поля сжимают поток плазмы, от этого она за короткое время сильно разогревается. В этом месте на поверхности Солнца возникает возмущение, от которого расходятся тяжёлые (физики говорят — гравитационные) волны, подобные волнам на поверхности воды. Т.е. вспышка как бы стукнула по поверхности – и пошла волна, типичное цунами. В каждой такой вспышке энергии выделяется достаточно, чтобы большой кусок плазмы нагреть и выбросить с поверхности. Не обязательно насовсем; он может взлететь и потом упасть – ведь от Солнца оторваться нелегко.

Активный протуберанец на Солнце 30 марта 2010 г. Фото: Solar Dynamics Observatory, NASA

Бывает, что облако выбрасывается со второй космической скоростью, это называют «корональные выбросы массы», которые летят в разные стороны. Если комета сталкивается с таким выбросом, у неё хвост может оторвать. Правда, тут же новый, как у ящерицы, вырастет, потому что она постоянно испаряется. Налетают солнечные выбросы и на Землю. Когда такое плазменное облако на нашу атмосферу обрушивается, мы наблюдаем полярное сияние. Для нас эти события важны, поэтому за солнечными чудесами сегодня следит множество спутников. Полярное сияние также возникает и на Юпитере, и на Сатурне.

Взаимодействие солнечного выброса с магнитосферой Земли

Солнце, как и всё в этом мире, не вечное. О том, сколько ему (и Земле) осталось существовать, – на следующей лекции.

Что можно наблюдать на Солнце?

На первый взгляд кажется, что наблюдать Солнце куда менее интересно, чем объекты ночного неба. И действительно, даже средней руки любительский телескоп открывает наблюдателю сотни тысяч звёзд, а ещё – туманности, галактики, кометы, планеты и малые тела Солнечной системы. В то же время, Солнце, что освещает поверхность нашей планеты на протяжении миллиардов лет, представляется постоянным и однообразным объектом наблюдений. Однако наличие специализированного оборудования позволяет показать множество масштабных, удивительных и интересных явлений на нашем светиле. В распоряжении Астрономического сообщества БФУ им. И. Канта находится как раз такие приборы – расположенные в лаборатории астрономии и астрофизики, мощный солнечный телескоп, созданный путём комбинации телескопа-рефрактора ТАЛ-100 и Coronado-PST , а также телескоп-рефлектор ТАЛ-200 с солнечным фильтром .

Так что же можно наблюдать на поверхности Солнца? Несмотря на то, что для наблюдателя доступен только очень тонкий поверхностный слой огромной звезды, на нём происходит много всего интересного. Казалось бы, раскалённая до немыслимых температур, поверхность Солнца должна видеться нам просто как сияющий диск. Повседневная жизнь только подтверждает такую гипотезу – обычно мы видим Солнце как светящийся объект на небосводе, не различая на нём каких-либо деталей из-за нестерпимо яркого света. По этой причине нельзя смотреть на Солнце в телескоп или бинокль – собранный этими приборами, солнечный свет запросто сожжёт сетчатку глаза неосторожному наблюдателю. Однако используя специальные очень тёмные светофильтры, или просто проецируя изображение из телескопа на экран, даже при помощи самых простых оптических инструментов можно разглядеть сложную структуру поверхности Солнца. Именно так используется рефлектор ТАЛ-200 – в сочетании с плёночным солнечным фильтром, он позволяет проводить качественные наблюдения за поверхностью светила.

Первое, что бросается в глаза даже при беглом наблюдении – очень резкий край солнечного диска . Для огромного горячего газового шара, не имеющего чёткой границы, подобная ярко выраженная поверхность кажется неуместной. Однако всё дело в том, что почти весь видимый глазу солнечный свет исходит из тонкого слоя вещества, называемого фотосферой, чья толщина меньше трёхсот километров. Таким образом, несмотря на то, что Солнце простирается далеко за фотосферу, мы попросту не увидим слабо светящихся частей звезды.

Если мы взглянем на поверхность Солнца, то сможем увидеть на ней тёмные пятна , неравномерно распределённые по диску. Их размеры невелики, но лишь относительно масштабов самого светила – самые крупные из них в несколько раз превосходят Землю. Пятна группируются в скопления, а всего на диске их можно наблюдать несколько десятков. Учёными было установлено, что пятна причудливым образом связаны с активностью магнитного поля Солнца. В результате прохождения сверхсильных магнитных полей через фотосферу, возникают участки, чуть более холодные, чем температуры поверхности Солнца. Их-то и можно наблюдать в виде тёмных пятен. Пятна могут существовать до нескольких месяцев, совершая за это время несколько оборотов вместе со своим светилом.

При детальном наблюдении окрестностей пятен, можно заметить более яркие (и, соответственно, более горячие) области поверхности Солнца, называемые факелами . Их температура на две тысячи градусов выше, чем у солнечного диска и зачастую они окружают относительно холодные пятна. Однако факелы могут существовать и отдельно от пятен, образуя целые факельные поля – области, содержащие десятки факелов, в которых никогда не появляется пятен. Судя по всему, своему появлению факелы тоже обязаны выходам магнитных полей.

Давайте на время отвлечёмся от пятен на Солнце и обратимся к остальной части солнечного диска. На первый взгляд, поверхность кажется однородной, однако даже с помощью не очень мощного телескопа (не забывая про тёмный светофильтр!) можно разглядеть ячеистую структуру поверхности Солнца. Отдельные яркие ячейки (получившие название гранулы) чередуются с чуть более тёмными прожилками. Стоит отметить, что вся эта структура динамично меняется – отдельные гранулы постоянно то исчезают, то появляются, живя на поверхности звезды несколько минут. Всё это напоминает огромный кипящий котёл, где в роли пузырьков выступают тысячекилометровые гранулы. Однако размеры самого Солнца столь велики, что на его поверхности умещается до миллиона таких гранул.

Пятна и гранулярная структура поверхности солнечного диска не только интересны для наблюдения за ними, но и позволяют учёным многое выяснить о Солнце. Так, первые попытки оценить активность Солнца были предприняты в XIX веке, и были связаны как раз-таки с изучением пятен на Солнце. Несмотря на то, что тогда учёные ещё не знали о физической природе пятен, они заметили наличие некоторой закономерности в количестве и расположении пятен. Как было установлено швейцарским астрономом Рудольфом Вольфом и его немецким коллегой Генрихом Швабе, максимумы и минимумы числа пятен на Солнце повторяются каждые одиннадцать лет. Это явление получило название одиннадцатилетних циклов активности. На пике каждого цикла на поверхности светила можно наблюдать до сотни пятен, в то время как в минимуме их бывает всего несколько штук. Больше того, бывали периоды, когда на Солнце не было ни одного тёмного пятна! Сейчас понятно, что количество пятен прямо указывает на магнитную активность Солнца, а потому наблюдения за пятнами – одна из важнейших частей мониторинга солнечной активности. По мере дальнейшего развития солнечной астрономии, а также накопления материалов, учёными было установлено, что кроме самого очевидного – одиннадцатилетнего – цикла (его ещё называют циклом Швабе, по имени одного из первооткрывателей) существуют и более продолжительные периодические колебания солнечной активности, накладывающиеся на циклы Швабе. Современные астрономы выделяют вековой и тысячелетний циклы, не исключая возможности существования и более продолжительных цикличных процессов на Солнце.

Однако пятнами и гранулами дело не ограничивается. Правда для наблюдения новых, ещё более интересных объектов на поверхности Солнца, потребуется принципиально новое оборудование, такое как специальные солнечные телескопы. Эти достаточно дорогостоящие приборы позволяют рассмотреть куда более «тонкие» структуры на Солнце, недоступные даже весьма внушительным телескопам с фильтрами. Они делают доступными наблюдения за такими интересными событиями, как протуберанцы и корональные выбросы.

Протуберанцы – пожалуй, самые зрелищные процессы на поверхности Солнца. Огромные сгустки вещества, превосходящие по массе Землю, вырываются сверхмощными магнитными полями на высоту до двух миллионов километров от Солнца. В ходе этого процесса вещество протуберанцев разгоняется до скоростей в сотни километров в секунду – в десятки раз быстрее космических ракет. Протуберанцы бывают настолько огромны, что их можно увидеть с Земли даже без сверхсовременных приборов. Однако такое возможно только очень редко – во время непродолжительных полных солнечных затмений. Дело в том, что чрезвычайно яркий свет фотосферы в обычных условиях затмевает свет пусть и раскалённых, но достаточно рассеянных протуберанцев. Фильтрацией этого света и занимаются солнечные телескопы, позволяя наблюдать протуберанцы на постоянной основе.

Корональные выбросы – время от времени происходящие на поверхности Солнца мощные выбросы вещества, сопровождающиеся всплесками активности магнитного поля светила. В отличие от протуберанцев, большая часть вещества которых возвращается на Солнце, содержимое выбросов ускоряется магнитным полем до таких скоростей, что буквально выстреливает в открытый космос. Такие выбросы могут достигать Земли, вызывая в магнитосфере нашей планеты мощные магнитные бури, опасные для чувствительной электроники и сказывающиеся на самочувствие людей. Регистрировать их намного сложнее, чем протуберанцы, ведь выбрасываемое вещество очень разряжено, и его сложно заметить на фоне короны и солнечного ветра. Лишь прибегнув к помощи космических обсерваторий, астрофизикам удалось измерить параметры этого явления.

Нельзя обойти вниманием и ещё одну форму проявления активности Солнца – так называемые солнечные вспышки . В отличие от всех предыдущих явлений, они не сопряжены с выбросами массы, однако тоже вносят существенный вклад в солнечную активность. Эти мощнейшие процессы охватывают все части атмосферы Солнца – от фотосферы до короны и длятся всего несколько минут. Но за это время выделяется колоссальная энергия, в миллионы раз большая, чем взрывы самых мощных термоядерных бомб, созданных человеком. К счастью, большая часть этой колоссальной энергии излучается в рентгеновском диапазоне и полностью поглощается атмосферой нашей планеты. Учёные изучают периодичность вспышек и пытаются построить, на основании данных о магнитной активности Солнца, прогноз появления вспышек. Пока что приемлемую точность имеют лишь краткосрочные прогнозы, что является следствием сложности процессов, протекающих на поверхности Солнца. Однако уже сегодня ясно – солнечные вспышки каким-то образом связаны с корональными выбросами – зачастую, эти явления происходят одновременно на одном и том же участке Солнца. Пока что учёные не могут внятно ответить на вопрос – являются ли они порождение друг друга или всего лишь сопровождают какой-то более сложный процесс солнечной активности.

Источники света: какие бывают, явление тени и полутени, распространение света

В жизни вы сталкиваетесь с различными источниками света – солнцем, лампами накаливания и флуоресцентными лампами, иногда свечами и костром. Эти источники, которые вы видите – мы говорим, что они излучают свет. Как вы видите разные предметы? Люди, машины, здания? Как распространяется свет? Везде ли он проходит?

Почему мы видим?

Когда темно, мы не можем различать цвета и формы предметов. Чтобы увидеть мир красивым и красочным, нужен свет.

Чтобы мы могли что-либо увидеть, свет должен попасть в наш глаз и создать визуальное впечатление. Этот свет может исходить непосредственно от источника света. Мы также можем видеть объекты, от которых свет отразился.

Действия света.

Самое известное действие света — это освещение.

Когда мы подносим руку к лампочке, мы чувствуем ее тепло, и точно так же в прекрасный солнечный день, если мы слишком долго загораем на пляже, мы можем обгореть. Это доказывает, что свет передает энергию (это ничто иное как тепловое действие света).

Интересный факт! Тёмная поверхность лучше поглощает свет, чем светлая. Поэтому в жаркую погоду лучше носить светлую одежду [2].

Свет может производить также химическое действие, то есть вызывать химические реакции. Например, свет используется в том числе и растениями в процессе фотосинтеза.

Под действием света из вещества могут вылетать электроны, в результате чего возникает электрический ток. Это — электрическое действие света. Его используют, например, в цифровых фотоаппаратах [2].

Какие бывают источники света?

Мы говорим, что некоторые тела излучают (испускают) радиацию. Что это такое? Это может быть посланная волна или поток частиц. О природе радиации, ее свойствах и о том, вредна ли она, вы можете узнать из соответствующих статей на нашем сайте.

Свет – это определенный тип излучения, который мы можем воспринимать с помощью зрения. Все тела, являющиеся источником светового излучения, будем называть источниками света.

Помните! Источник света – это любое тело, которое испускает световое излучение.

Известные нам источники света можно разделить на две группы:

  1. Естественные источники света (созданы самой природой);
  2. Искусственные источники света (созданы человеком).

Источники естественного освещения включают:

  • звезды, в том числе Солнце;
  • атмосферные разряды;
  • некоторые живые организмы (светлячки, гнилушки).

Примеры искусственных источников света включают:

  • электрические лампочки;
  • нагретая сталь;
  • костер;
  • свеча;
  • светодиоды.

Любопытно знать.

Первичным источником света, связанным с открытием человеком способа добывания огня, было горение дерева (костер). Очень скоро наши предки научились сжигать растительные и животные жиры, благодаря чему были изобретены лампы на оливковом масле (масляные лампы).

Масляная лампа

Рис. 1. Масляная лампа (источник: wikipedia.org)

Спустя какое-то время человек научился делать свечи. Прорывом в технике искусственного освещения стала конструкция керосиновой лампы. Это сделал в 1853 году поляк Игнаций Лукасевич.

Его изобретение произвело революцию в технологии освещения. Игнатий Лукасевич руководил работой первых в мире нефтеперерабатывающих заводов, которые были созданы в Подкарпатском регионе недалеко от Кросно. Со временем керосиновую лампу начали постепенно заменять электрическим освещением. Появилась первая электрическая лампочка.

Современным источником света являются органические светодиоды (OLED), которые в настоящее время используются в производстве телевизионных матриц. В отличие от телевизоров на основе жидкокристаллической технологии (LCD), OLED-телевизоры не требуют подсветки матрицы, поскольку органические диоды сами излучают разноцветный свет. Кроме того, эти диоды очень гибкие, что, помимо прочего, позволяет скрыть выдвижной мини-экран, например, в шариковой ручке!

Что не является источником света?

Не все предметы и объекты, которые кажутся светящимися, являются источниками света.

Планета Венера часто видна на небе перед восходом или сразу после захода солнца. Это третий по яркости объект на небе (после Солнца и Луны). Свет Венеры иногда настолько силен, что освещенные ею объекты отбрасывают тень. Однако этот объект вовсе не является источником света! Венера отражает солнечный свет настолько сильно, что кажется звездой. На самом деле, каждая планета, которую мы можем наблюдать в небе, кажется, сияет своим собственным светом – но это отраженный солнечный свет. Мы не можем считать планеты источниками света, потому что они не излучают свет, а только отражают его.

То же самое можно сказать и о Луне, которая в полнолуние очень хорошо освещает окружающий ландшафт и предметы. Луна также не излучает свет, а только отражает солнечный свет.

Помните! Не все объекты, которые излучают свет, являются источниками света. Объекты такого типа светятся отраженным светом. К ним относятся Луна и планеты, которые не излучают свет, а только отражают солнечный свет.

Распространение света

Давайте теперь рассмотрим, как свет распространяется в пространстве. Свет – это излучение, которое распространяется в вакууме с максимально возможной в природе скоростью (скоростью света), которая составляет c ≈ 300 000 км/c.

Основные свойства света были известны еще в древности. Ещё Древние греки на основании своих наблюдений пришли к выводу, что при распространении света возникают явления тени и полутени – оба явления являются доказательством того, что свет в однородной среде распространяется по прямой линии (прямолинейно). Тени людей, деревьев, зданий и других предметов хорошо наблюдаются на Земле в солнечный день.

Эксперимент

Попробуйте провести эксперимент для подтверждения этого наблюдения.

Опыт. Доказательство прямолинейного распространение света.

Что вам понадобится?

  • коробка для копировальной бумаги A4;
  • калька или бумага для завтрака (тонкая) формата A4;
  • чёрная самоклеящаяся плёнка или краска;
  • ножницы или нож для резки обоев;
  • толстая игла.
  1. Вырежьте прямоугольник в крышке коробки, оставив около 1,5 см с каждой стороны.
  2. Приклейте лист кальки на внутреннюю сторону.
  3. Покройте внутреннюю часть второй части коробки черной матовой клейкой фольгой или покрасьте ее в черный цвет.
  4. Проделайте отверстие в центре дна коробки толстой иглой.
  5. Установите подготовленную крышку на коробку и плотно запечатайте ее по всему периметру.
  6. Поверните коробку с отверстием к какому-либо источнику света – что вы наблюдаете?

Опыт для подтверждения прямолинейного распространения света

Рис. 2. Распространение света в камере-обскуре

То, что мы построили, является прототипом камеры. Это устройство для проецирования трехмерного изображения на плоскую поверхность, с помощью которого можно наблюдать за миром. Если на место черной поверхности поместить фотопластинку или светочувствительную матрицу от цифровой камеры, то такое изображение можно было бы даже записать. Наш прибор, который носит латинское название “camera obscura” (камера-обскура), работает по принципу прямолинейного распространения света (см. рисунок 2 ниже).

Луч, выходящий из верхней части лампы, идет по прямой линии к отверстию в коробке. Он проходит через отверстие внутрь и попадает на экран, создавая изображение верхней части лампочки на нижней части экрана. Аналогично, луч, выходящий из нижней части лампы, направляется к отверстию в коробке, а затем в верхнюю часть экрана. Это создает перевернутое изображение лампы или других объектов.

Интересный факт! Древние египтяне использовали закон прямолинейного распространения света для установления колонн по прямой линии. Колонны располагались так, чтобы из-за ближайшей к глазу колонны не были видны все остальные.

[1]

Явление тени и полутени

Там, где есть непрозрачное препятствие, световые лучи останавливаются, и создается область тени, то есть область, куда световые лучи не могут достичь. Другими словами, тень – это область, до которой не доходят лучи света.

Как создается тень

Рис. 3. Образование тени

Посмотрите на свою тень, когда вас освещает солнечный свет. Имеет ли она резкие края, или вы видите область, где тень “слабее”, а края тени размыты?

Эффект «более светлой» тени называется полутенью. Как это проявляется?

Образование полутеней

Рис. 4. Образование полутеней

Полутень создается, когда есть непрозрачный объект, освещенный протяжённым источником света (то есть источником света который относительно велик по сравнению с расстоянием между этим источником и освещаемым объектом). Другими словами, полутень – это та область, в которую попадает свет от части источника света. Тень без полутени создается только при освещении непрозрачного объекта точечным источником света.

Если непрозрачный объект освещается протяженным источником света или если объект освещается несколькими точечными источниками, то в дополнение к тени создается область полутени, которая получает свет только от части источника света.

Когда мы говорим о протяженных источниках света, мы имеем в виду источники света, размер которых относительно велик по сравнению с расстоянием до освещаемого объекта. Например, Солнце достаточно велико по сравнению с расстоянием между ним и Землей, чтобы мы могли рассматривать его как протяженный источник света.

Светящаяся электрическая лампочка является примером источника света, который, в зависимости от расстояния до освещаемого объекта, может рассматриваться как протяженный источник – если он находится близко – или как точечный источник – если расстояние, отделяющее его от освещаемого объекта, достаточно велико.

Точечный источник света – это источник, размер которого значительно меньше расстояния до освещаемого объекта. Например, звезда, удаленная от нас на тысячи световых лет, несмотря на свои огромные размеры, может рассматриваться как точечный источник света, поскольку ее диаметр по сравнению с расстоянием до Земли очень мал.

За освещенным объектом создается тень. Поскольку протяжённый источник света освещает объект под разными углами, часть лучей может освещать область позади объекта и таким образом создавать тень, которая немного светлее той, что создается непосредственно за объектом. Эта чуть более светлая тень называется полутенью. Когда мы находимся в зоне полутени, мы видим часть поверхности источника света.

Явления полного или частичного затмения

При движении вокруг Земли Луна может оказаться между Землёй и Солнцем или Земля – между Луной и Солнцем. В этих случаях наблюдаются солнечные или лунные затмения.

Это обосновывается тем фактом, что из области тени мы вообще не можем наблюдать источник света. Такая ситуация возникает, как раз, во время солнечных затмений. Если вы находитесь в конусе тени Луны, вы будете наблюдать закрытый диск Солнца. То есть, во время солнечного затмения тень от Луны падает на Землю.

Если вы находитесь в области полутеневого конуса Луны, вы увидите так называемое частичное затмение – часть диска Солнца будет заслонена диском Луны. То есть, во время лунного затмения Луна попадает в тень, отбрасываемую Землёй.

На той части Земли, там, где падает тень, будет видно полное солнечное затмение. Там, где полутень, только часть Солнца будет заслонена Луной, т.е. произойдет частичное солнечное затмение. На остальной части Земли затмения не будет.

[1]

Поскольку движения Земли и Луны неплохо изучены, затмения предсказываются на годы вперед. Исследователи используют каждое затмение для различных научных наблюдений и измерений. Полное солнечное затмение дает возможность наблюдать внешнюю часть атмосферы Солнца (солнечную корону). В обычных условиях солнечная корона невидима из-за слепящего блеска поверхности Солнца.

# физика | Видимая и невидимая энергия Солнца

Солнечная инженерия является одним из направлений, над которым работают ученые. Состоит она в создании структур и процессов, позволяющих улавливать солнечную энергию, а затем использовать ее для нужд человеческой цивилизации. Солнечная энергия — это энергия, излучаемая светилом, вокруг которого вращается наша Земля. Сегодня мы узнаем о свойствах видимой и невидимой солнечной радиации и даже научимся «заваривать» чай с ее помощью.

Зримый и незримый свет

Пейзаж в инфракрасном диапазоне

Поверхности Земли достигает преимущественно инфракрасная и ультрафиолетовая радиация, а также видимый свет. Инфракрасная радиация является невидимой для человека энергией излучения, которую кожа человека ощущает как тепло. Ее часто называют тепловыми волнами. Ультрафиолетовая радиация тоже невидима человеку. Кожа загорает под воздействием этой энергии, но ее излишек может быть вреден.

Видимый свет — это единственный тип энергии излучения, который способен различить человеческий глаз. Разные типы видимого света располагаются в порядке, определяемом своим энергетическим уровнем, формируют видимый спектр. Цвета видимого спектра располагаются в порядке от самого слабого до самого сильного: красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, индиго и фиолетовый.

Энергия излучения может впитываться материалами, отражаться от них или проходить через них в зависимости от того, является ли материал прозрачным, полупрозрачным или непрозрачным.

Сквозь прозрачный материал, например, сквозь стекла очков, видимый свет проходит легко. Материал, позволяющий энергии излучения проходить через него, но рассеивающий его в разных направлениях, называют полупрозрачным. Примером такого материала может служить покрытое изморозью стекло. Если смотреть сквозь него, то все предметы будут размытыми.

Через непрозрачные материалы энергия излучения проходить не может. Впрочем, тот или иной материал является «непрозрачным» лишь для определенного типа энергии излучения, поэтому данное определение довольно относительно. К примеру, вы не можете видеть сквозь книгу. Это значит, что книга непрозрачна для видимого света.

Предметы могут быть прозрачными для одного типа энергии излучения и непрозрачными для другого. Например, стекло прозрачно для видимого и ультрафиолетового света, но непрозрачно для инфракрасной радиации.

В повседневной речи категория прозрачности применяется исключительно к видимому свету. Непрозрачные материалы могут либо впитывать, либо отражать энергию излучения, либо частично делать и то и другое. Это зависит от покрытия материала и нанесенной на него краски. Материалы с темным, тусклым и неровным покрытием впитывают больше энергии. Светлые, яркие и ровные предметы в большей степени отражают энергию.

Через чистое оконное стекло поступает больше света. Впитанный в материал видимый свет заставляет частицы двигаться быстрее и тем самым повышает температуру материала. Работающие над солнечными технологиями инженеры изучают особенности реакции тех или иных материалов на солнечную радиацию, чтобы затем использовать соответствующие задачам материалы в структурах, улавливающих солнечную энергию и позволяющих ее в дальнейшем использовать для обогрева и выработки электричества.

Банка с чаем

Оборудование и материалы

1 мерный 250-миллилитровый стакан; холодная вода из-под крана; 2 одинаковые стеклянные литровые банки с крышками; 2 чайных пакетика; алюминиевая фольга.

Ход эксперимента

Влейте по 250 миллилитров холодной воды в каждую из банок. Поместите в каждую из них по чайному пакетику. Закройте обе банки крышками. Оберните одну из банок алюминиевой фольгой, оставив необернутой только крышку. Обе банки поставьте под прямой солнечный свет. Спустя 15 минут осторожно встряхните каждую банку для того, чтобы сделать их содержимое однородным. Снимите с банок крышки. Освободите обернутую банку от алюминиевой фольги. А теперь сравните цвет «заварки».

«Чай» в обернутой фольгой банке будет лишь слегка коричневатым. В банке, которая оставалась прозрачной и открытой солнечным лучам, цвет «заварки» будет значительно темнее.

Почему так произошло?

В пакетиках содержатся небольшие кусочки чайных листов, содержащих коричневые частицы, которые быстрее растворяются в теплой воде, чем в холодной. Чем больше этих частиц растворилось, тем темнее «заварка».

Стекло непрозрачно для инфракрасной радиации (тепловых волн), но прозрачно для видимого света. Вода нагревается, впитывая проходящий через нее видимый свет. Чем теплее вода, тем быстрее коричневые частицы растворятся в ней. Алюминиевая фольга непрозрачна для видимого света и, следовательно, он не проникает в обернутую ею банку. Вода в этой банке холоднее и частицы растворяются в ней медленно. В итоге цвет «заварки» светлее.

Чай особенно актуален в свете того, что кофе, любимый напиток миллионов, может стать редкостью.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.