Вселенная полна загадок
Шрифт:
Превосходя Землю по объему в миллион триста тысяч раз, Солнце, в отличие от нашей планеты, целиком состоит из газов. Причина этого давно известна — температура Солнца очень высока. Его поверхность нагрета до 6 тысяч градусов, а в центральных областях Солнца температура должна быть близкой к 15 миллионам градусов. В этом интервале температур все известные нам вещества могут находиться только в газообразном состоянии.
Казалось бы, газовый шар должен выглядеть размытым, с нечеткими, туманными очертаниями. Между тем края Солнца удивительно резки. Такими они кажутся и невооруженному глазу, и при наблюдении в телескоп.
Причина
Вот этот поверхностный газовый слой Солнца, отделяющий его непрозрачные недра от разреженной атмосферы, называется фотосферой (то есть светящейся оболочкой). Плотность газов фотосферы ничтожно мала — почти в миллиард раз меньше плотности воды. Барометр, помещенный в фотосфере, показал бы (если бы смог существовать) давление в несколько миллиметров ртутного столба. Казалось бы, столь разреженные газы должны быть прозрачнее стекла. Так бы и было, если бы на Солнце не встречались в изобилии отрицательные ионы водорода. В отличие от атомов обычного водорода атомы отрицательного водорода состоят из протона и обращающихся вокруг него двух электронов.
Отрицательный водород — сильнейший поглотитель света. Если содержащий его слой газа имеет толщину больше нескольких десятков километров, то он становится таким же непрозрачным, как кирпичная стена.
Фотосфера и более глубинные газовые слои Солнца играют роль фильтра, задерживающего почти полностью внутреннее солнечное тепло. Нам кажется, что Солнце очень щедро посылает свою энергию в окружающее его пространство. Энергия, излучаемая Солнцем за одну секунду, так велика, что ее вполне хватило бы, чтобы растопить слой льда толщиной 100 километров и покрывающий всю Землю!
Но, оказывается, расточительность Солнца только кажущаяся. Излучаемая им энергия составляет ничтожнейшую долю той энергии, которая скрыта в его недрах. Так что непрозрачность отрицательного водорода предохраняет Солнце от быстрой потери энергии, то есть, иначе говоря, от быстрого охлаждения.
При наблюдениях Солнца в телескоп его края выглядят более темными, чем середина. Вызвано это тем, что в центре Солнца наш глаз проникает до более глубоких и потому более горячих слоев фотосферы, чем те, которые доступны нам на его краях.
Раскаленные газы солнечной фотосферы находятся в непрерывном движении. Что же заставляет их сохранять постоянную температуру, близкую к 6 тысячам градусов?
Когда в холодной комнате вы включаете электроплитку, нагрев воздуха происходит по трем причинам. Во-первых, воздух обладает некоторой теплопроводностью. Тепло от раскаленной плитки непосредственно передается обволакивающему ее слою воздуха. Однако воздух не металл, и тепло он проводит плохо. Если бы не происходило движения частиц воздуха, перемешивания его теплых и холодных слоев, то нагреть комнату за счет одной теплопроводности воздуха удалось бы не скоро.
Во-вторых, перемешивание газовых струй, называемое в физике конвекцией, значительно ускоряет этот процесс. В-третьих, еще быстрее передается тепло через лучеиспускание. Вы подносите
Участок солнечной поверхности с гранулами.
Все три процесса (теплопроводность, конвекция и лучеиспускание) ведут к одной цели — к выравниванию температуры.
Что же выравнивает температуру в фотосфере: теплопроводность, конвекция или лучеиспускание?
Конвективные токи в фотосфере существуют, и о них мы еще поговорим. Однако роль их в выравнивании температур оказывается невелика. Еще меньшую роль в этом процессе играет теплопроводность солнечных газов. Главная причина заключается в лучеиспускании.
Лучи света являются передатчиками тепла от горячих внутренних слоев Солнца к его атмосфере. Количество энергии, получаемое фотосферой из недр Солнца, всегда равно тому количеству энергии, которое фотосфера излучает. Говорят поэтому, что фотосфера находится в состоянии лучистого равновесия. Выражается это равновесие фотосферы в постоянстве ее температуры.
Даже в небольшие телескопы заметно, что фотосфера состоит из множества светлых зерен, разделенных более темными промежутками. Зерна, называемые гранулами, не остаются постоянными. Наоборот, они быстро меняются, и в среднем продолжительность существования каждой из гранул исчисляется тремя — пятью минутами.
Гранулы возникают и исчезают, непрерывно изменяясь по величине и форме. Замечено, что они слегка и притом хаотично смещаются вдоль солнечной поверхности со средней скоростью около 4 километров в секунду. Сорок процентов поверхности Солнца занято гранулами, а остальные 60 процентов — темными промежутками между ними. Темнота их, впрочем, относительна — они лишь на 10–20 процентов уступают по своей яркости гранулам.
Гранулы только кажутся маленькими. На самом деле их средний поперечник близок к 1000 километрам.
В последние годы удается фотографировать Солнце с больших высот. Французский астроном Дольфус, поднявшись в гондоле воздушного шара на высоту 7 километров, получил с помощью телескопа прекрасные фотографии солнечных гранул. Еще больших успехов добились американские астрономы. На специальном стратостате они достигли высоты 25 километров. Здесь с помощью 12-дюймового телескопа и автоматической фотокамеры ими было сделано более восьми тысяч фотоснимков Солнца. Качество таких снимков очень высокое, так как крайне разреженные слои стратосферы практически не мешают наблюдениям.
Теоретические подсчеты показывают, что в фотосфере, «подстилаемой» изнутри более горячими слоями газов, неизбежно должна возникнуть конвекция. Из глубин фотосферы поднимаются горячие и потому более яркие струи газов, а на их место опускаются массы охлажденных газов. Верхушки бьющих изнутри раскаленных газовых фонтанов мы и наблюдаем как гранулы. Промежутки между ними заняты опускающимися более холодными газами.
Миллиарды лет происходит это непрестанное движение. Оно помогает лучеиспусканию выравнивать температуру фотосферы.