Феликс Зигель - Виновато Солнце
«Дефект массы», то есть избыток массы вещества, превратившийся в излучение, для каждой возникшей альфа-частицы, конечно, ничтожно мал. Но, во-первых, таких частиц неимоверно много, и, во-вторых, превращение вещества в излучение подчиняется знаменитой формуле Эйнштейна
Е = mс2.
Здесь m означает массу вещества, переходящего в излучение, с — скорость света (300 000 км/сек), Е — энергия возникшего излучения. Пусть те, кто не боится расчетов, вычислят, сколько энергии в эргах выделится при превращении в излучение 1 г вещества. Очевидно,
Е = 1021 эрг.
Не правда ли, это выглядит солидно? А ведь Солнце ежесекундно превращает в излучение четыре миллиона тонн своего вещества. Такой «груз» удалось бы разместить лишь в четырех тысячах поездов, по пятьдесят вагонов в каждом. И так — ежесекундно! Значит, пока вы дочитаете эту страницу, Солнце «похудеет» на сотни миллионов тонн!
Не пугайтесь! Запасы вещества в Солнце очень велики — Солнце весит примерно 2 * 1027 г. Так что при всей своей расточительности жизнь Солнца как самосветящегося тела обеспечена еще на многие, многие миллиарды лет.
Не подумайте, что, появившись в недрах Солнца, квант, эта элементарно малая порция излучения, быстро доберется до солнечной поверхности и отправится затем в странствие по Вселенной. Судьба возникшего кванта гораздо причудливее. Он по извилистым путям пробивается сквозь ядерную толчею к поверхности Солнца. Продираясь сквозь густую толпу, человек постепенно теряет силы. Так и солнечный квант — возникший очень энергичным гамма-квантом, не воспринимаемым человеческим глазом, он, странствуя тысячи лет внутри Солнца, в конце концов добирается до его поверхности сильно «измотанным», расточившим былую энергию, квантом видимого света. Иначе говоря, если недра Солyца создают невидимые, очень энергичные лучи, то солнечная поверхность воспринимается нами как самое яркое, что есть на небе.
Вот, в сущности, главные секреты Солнца. Остальное — детали. Пусть очень сложные для нас, но не меняющие общего представления о Солнце как принципиально весьма простом тепловом механизме, за счет своей массы непрерывно вырабатывающем энергию в течение миллиардов лет.
Магнитные острова
Если Солнце — газовый шар, почему его края так четки? Почему даже в очень большие телескопы Солнце выглядит диском с резко очерченным краем? Казалось бы, газовый шар должен иметь иной облик — туманная масса с размытыми, постепенно сходящими на нет краями?
Причина этого парадокса (необычного на первый взгляд явления) в том, что в солнечной массе есть сравнительно тонкий непрозрачный слой, отделяющий недра Солнца от его обширной разреженной и вполне прозрачной атмосферы. Толщина этого слоя 100–300 км, и так как именно он, этот слой, излучает мощнейшие потоки света, его называют фотосферой (буквально — светящейся оболочкой).
Фотосфера — видимая, несколько условная поверхность Солнца. Яркость ее настолько велика, что при наблюдении фотосферы всегда приходится прибегать к темным фильтрам, умеряющим солнечный свет. Но когда этим способом или с помощью экрана получают доступное глазу изображение Солнца, сразу бросается в глаза характерная деталь: к краям фотосфера темнее, чем в середине солнечного диска. За счет этого эффекта Солнце воспринимается не плоским диском, а объемным сферическим телом.
На рисунке дано объяснение этому «потемнению к краю». Глаз способен «пробиться» на некоторую глубину внутрь фотосферы — ведь она все-таки не абсолютно непрозрачна. Но тогда в центре диска глаз видит более глубокие, а значит, более горячие и яркие слои Солнца, чем на его краях. Отсюда и непосредственное восприятие сферичности Солнца.
В те редкие дни, когда на Солнце вовсе нет пятен, его поверхность даже в небольшие телескопы видна неоднородной, как бы сплошь состоящей из множества мелких зерен — гранул. Особенно хорошо видны гранулы на снимках, сделанных с аэростатов или самолетов, когда помехи земной атмосферы сильно ослаблены.
Причина потемнения фотосферы к краю Солнца.
В среднем поперечник обычной солнечной гранулы близок к 700 км. Образования эти весьма непостоянны.
Пройдет 4–5 мин, и гранула изменится до неузнаваемости, а то и вовсе исчезнет, уступив место темному промежутку.
Бывает и наоборот — там, где только что был темный промежуток, неожиданно возникает светлая гранула.
Впечатление чего-то бурлящего, крайне непостоянного и изменчивого остается от наблюдения солнечных гранул.
Температура солнечной поверхности близка к 6000°.
В сущности, такова и температура гранул. Промежутки между ними на 350–400° холоднее. Разница в температуре и создает впечатление «ячеистости». А еще иногда сравнивают грануляцию фотосферы с густо насыпанными рисовыми зернами. Но это все — внешняя сторона дела. В чем же сущность явления?
Есть три типа передачи энергии — теплопроводность, конвекция и лучеиспускание. Вы кладете руку на теплый чайник, и ваша рука нагревается. Причина в том, что быстро колеблющиеся молекулы металла, из которого сделай чайник, передали часть своей энергии молекулам вашей руки, и они стали колебаться быстрее, чем раньше. А это и выражается в повышении температуры руки. Такова суть теплопроводности, характерной для твердых тел.
В газах энергия передается иначе. От включенной отопительной батареи тепло быстро распространяется по всей комнате. Получается так за счет перемешивания воздуха, при конвекции. Нагретый батареей воздух теряет прежний удельный вес и потому уходит вверх, уступая место более тяжелому холодному слою воздуха. Нагревшись, он также уходит вверх, и в конце концов, непрерывно перемешиваясь, воздух становится равномерно нагретым.
Теперь представьте себе жарко натопленную печь.
Чтобы подбросить новую порцию дров, вы открываете дверцу печки, и на вас сразу, как говорят, «пахнуло жаром».
Конвекция тут ни при чем — так быстро воздух не перемешивается. Нет тут и непосредственного соприкосновения твердых тел, а значит, и теплопроводности. Действует иная причина—лучеиспускание. Раскаленные дрова послали лучи света, и их энергия растормошила молекулы вашего лица — вот почему и «пахнуло жаром».
Земля получает от Солнца энергию лишь этим, третьим, способом. Оно и понятно — нас отделяет от Солнца почти пустое межпланетное пространство, в котором теплопроводность и конвекция невозможны.
А вот на Солнце, в его не слишком глубоких слоях, непрерывно происходит конвекция, перемешивание солнечного вещества. Горячие струи солнечного газа поднимаются вверх, и верхушки их мы называем гранулами. Рядом же охладившиеся газы опускаются вниз — это темные промежутки между гранулами. В целом все это сильно напоминает кипение жидкости в кастрюле — ведь там тоже совершается непрерывное перемешивание, то есть конвекция.
Конвективный слой на Солнце примерно в тысячу раз толще фотосферы. Он начинается с глубины около 100 тысяч километров, и за счет этого слоя совершается переход от сверхгорячих солнечных недр к его сравнительно умеренно нагретой поверхности.
На краях солнечного диска почти всегда видны светлые, неправильной формы пятнышки. Они напоминают яркие облачка, в которых различимы прожилки, яркие точки и какие-то узелки. Их называют факелами, и они равномерно усеивают фотосферу, хотя хорошо различимы лишь у краев Солнца. В отличие от гранул, факелы относительно устойчивы. Иногда, почти не меняясь, они существуют недели и даже месяцы.
Рисунок крупного солнечного пятна. Справа вверху показаны сравнительные размеры Земли
Факелы расположены несколько выше общего уровня фотосферы и горячее ее на 200–300°. Они образуются в тех местах фотосферы, где возникают слабые магнитные поля.
Солнечные газы ионизированы, иначе говоря, они обладают определенным электрическим зарядом. На такие газы магнитное поле действует как некая регулирующая сила. Она упорядочивает конвекцию, а это позволяет горячим газам подняться на большую высоту и перенести больший запас энергии. Так объясняется повышенная яркость факелов и их приподнятость над фотосферой.
Самая замечательная деталь фотосферы — солнечные пятна, кажущиеся с расстояния 150 миллионов километров очень маленькими. Солнечные пятна на самом деле колоссальны. В среднем рядовое солнечное пятно имеет в поперечнике 10–15 тысяч километров, что сравнимо с поперечником Земли. Однако нередко появляются гиганты, достигающие в диаметре 200 тысяч и более километров.
Пятно обычно возникает там, где до этого наблюдались факелы. Вначале солнечное пятно — это крошечная пора, маленькая черненькая точка, лишь чуть большая, чем темные промежутки между гранулами. Примерно через день пора увеличивается и превращается в резко очерченное пятно. Еще спустя день в средней части пятна возникает светлая перемычка, и пятно делится на два. Проходят еще один-два дня, и вокруг пятен образуется более светлая, с прожилками, кайма — так называемая полутень. Пятна медленно продолжают расти, а рядом с ними возникает множество мелких пятен, нередко связанных общей полутенью. Образуется группа солнечных пятен, по размерам в огромное число раз превосходящая диаметр земного шара.
