физика лекции по оптике. Курс лекций по физике ч волновая и квантовая оптика Строение атома и ядра Красноярск 2011 Волновая оптика 2
 Скачать 4.1 Mb.
|
|
10.15. Наша звезда – Солнце Солнечная система образовалась около 5 млрд. лет назад. Наше Солнце - звезда третьего поколения и планеты, возникли из космического вещества, уже дважды прошедшего через космические тигли. Звезды рождаются из молекулярных облаков. Причем рождаются не поодиночке, а коллективно, образуя звездные скопления (Плеяды, Гиады и т.д.). Недавно обнаружено, что молодые звездные скопления частично объединены в двойные системы и даже более многочисленные группы. Например, знаменитая пара рассеянных звездных скоплений h и созвездия Персея. Согласно гипотезе академика В.А. Амбарцумяна совместное образование звезд и газа происходит из протозвезд - сверхплотных объектов неизвестной природы, фрагментация которых приводит к формированию комплексов молодых звезд и диффузного вещества, а не возникновение звезд из газа. Звездная ассоциация, в которой находится двойное h и звездное скопление в Персее расположена в области, особенно бедной межзвездным газом. Об этом свидетельствуют наблюдения с помощью небулярных спектрографов и радионаблюдения нейтрального водорода. Между тем эта ассоциация особенно богата звездами-сверхгигантами. Наличие очень ярких сверхгигантов, возраст которых не превышает 10 6 лет, указывает на то, что формирование звезд в этой ассоциации продолжается ив настоящее время, что несовместимо с гипотезой о возникновении звезд из газа. По одной из гипотез ПротоСолнечная система представляла собой спиралевидное облако, диаметр которого превышал современную солнечную систему. В процессе гравитационного сжатия температура в центре ПротоСолнца повышается, и когда она достигнет десятков миллионов градусов, начнутся термоядерные реакции превращения водорода в гелий и ПротоСолнце становится звездой. В недрах Солнца происходит последовательность термоядерных реакций. Несмотря на большую мощность излучения, Солнце горит экономно и излучает 3,8 10 26 Дж, что враз меньше излучения человека. Через 5 - 7 млрд. лет после выгорания водорода Солнце перейдет в стадию Волновая оптика 236 гелиевого горения. Внешняя оболочка Солнца, окружающая гелиевую сердцевину начнет интенсивно расширяться достигнет орбиты Земли и превратит ее в раскаленную пустыню. Такое состояние характерно для красных гигантов, подобно Альдебарану или Бетельгейзе (созвездие Ориона. Через 10 4 лет оболочка Солнца рассеется и само оно превратиться в белый карлик, похожий на звезду Сириус В - спутника Сириуса А, самой яркой звезды нашего неба, которая к этому времени перейдет в стадию сверхновой и взорвется. Этапы эволюции Солнца приведены на (рис. 10.13). Из 4,2 10 11 кг фотонов, излучаемых Солнцем ежесекундно, на Землю падает только 0,45 10 9 часть, те. 1,85 кг фотонов. Суммарная энергия этих фотонов 1,7 10 17 Дж. Половина этой энергии достигает поверхности Земли, площадь которой 5 10 14 м. Следовательно, средняя мощность излучения Солнца на уровне поверхности Земли 160 Вт/м 2 Рис. 10.13 Солнце целиком состоит из газа, поэтому его поверхность не имеет резких границ. Диаметр видимого диска Солнцам. Масса Солнца 1,97 10 30 кг. Солнечное вещество состоит из водорода (71 %), гелия (26 %) и других химических элементов (3%). Линейная скорость экваториальной точки солнечной поверхности составляет 2 Волновая оптика 237 км/с. Эффективная температура поверхности Солнца равна 5500 К. Солнце имеет магнитное поле в виде двух составляющих полоидальную вдоль меридиана, которая сосредоточена в полярных областях Солнца до гелиографических широт 55 0 , имеет среднюю напряженность до 2 Гс и тороидальную (вдоль параллелей, располагающуюся по обе стороны от экватора на более низких широтах, имеет напряженность от 10 Гс до 150 Гс. Центральная зона Солнца радиусом 5 10 8 м - это термоядерный реактор, где происходит выделение энергии. Плотность вещества в этой зоне 160 гм, давление 4 10 10 атм, температура 1,5 10 7 К (рис. 10.14). Уменьшение температуры вещества в Солнце по мере удаления от его центра обусловлено двумя причинами 1. чем дальше от центра энергия, излучаемая Солнцем, распространяется на все большую площадь 2. из самых наружных слоев излучению легче уйти. Протяженность слоя, в пределах которого температура источника энергии уменьшается до температуры окружающей среды, зависит от непрозрачности вещества во внешних слоях. В спектрах некоторых звезд (в том числе и Солнца) наряду с линиями поглощения наблюдаются линии излучения. Следовательно, у них есть участки атмосферы, где температура повышается. Рис. 10.14 Волновая оптика 238 У Солнца в коротковолновой, далекой ультрафиолетовой области спектра линии поглощения сменяются линиями излучения, те. в верхних слоях атмосферы Солнца наблюдается инверсия температуры. Доказательством этого факта является солнечное радиоизлучение. На рис. 10.15 приведен график, характеризующий изменение температуры в различных слоях Солнца и его атмосферы до расстояниях радиусов Солнца от его центра (шкала по оси ординат логарифмическая пунктиром показано изменение температуры при отсутствии конвекции. Солнце в радиолучах было бы в десятки раз больше. Оно выглядело бы клочковатыми сильно размытым облаком. Это облако из разреженной плазмы, окружающее Солнце, имеет температуру, выше 10 6 К, называют солнечной короной. Переходная часть солнечной атмосферы между короной и уровнем минимальной температуры (Т 4500 К) называется хромосферой. Это и есть область инверсии температуры. Уменьшение температуры вещества в Солнце по мере удаления от его центра обусловлено двумя причинами 1. чем дальше от центра энергия, излучаемая Солнцем, распространяется на все большую площадь 2. из самых наружных слоев излучению легче уйти. Протяженность слоя, в пределах которого температура источника энергии уменьшается до температуры окружающей среды, зависит от непрозрачности вещества во внешних слоях. Хромосфера имеет толщину 1500 км, плотность 10 12 гм. В этой области возникают эмиссионные спектральные линии излучения, наблюдаемые в далекой ультрафиолетовой части солнечного спектра, радиоизлучение на сантиметровых и дециметровых волнах с температурой в десятки и сотни тысяч кельвинов. В красной линии водорода над солнечным диском наблюдаются мелкие вертикальные выступы из газа, называемые спикулами диаметр которых составляет 1000 км, длина - 6 тыс. км, температура 15000 К. Спикулы располагаются на границах супергранул - крупномасштабных ячеек Рис. 10.15 Волновая оптика 239 размером 30 тыс. км. Они являются проявлением неоднородности солнечной хромосферы, особенно в распределении температуры и скоростей движения вещества. Солнечную корону и хромосферу временами можно наблюдать ив видимом излучении, особенно вовремя солнечных затмений. Причиной инверсии температуры является конвекция и турбулентность, которые находятся на глубине 100-500 тыс. км. Здесь плотность 10 2 гм, давление - 10 6 атм, температура 10 4 К. Конвективные и турбулентные движения плазмы, проникая в нижние слои атмосферы Солнца, в ее фотосферу, вызывают в них возмущения, напоминающие звуковые волны в воздухе. Особенно сложный характер приобретают колебания, если плазма намагничена. Длины волн достигают несколько тысяч километров. Большая часть волн, распространяющихся в плазме, переносит энергию, которая и нагревает разреженные верхние слои атмосферы Солнца. Образование планетных систем, происходящее совместно с образованием звезд, может успешно осуществляться только у таких звезд, которые после образования сохранили поверхностную конвекцию вещества, что и было обнаружено у нашего Солнца. В звездах типа Солнца конвекция активно проявляется только в наружных слоях. Следствием ее является, наблюдаемая на Солнце зернистая структура нижних слоев фотосферы, называемая грануляцией. Фотосфера расположена над конвективной зоной, ее толщина 400 км, плотность 10 7 гм, давление 0,1 атм, температура 6 10 3 К. Возникновение наружных конвективных зон в звездах связано с процессом ионизации водорода. При температурах выше 10 4 К водород полностью ионизирован и не обладает способностью запасать и переносить энергию. Следовательно, у звезд атмосфера которых имеет температуру выше солнечной наружные конвективные зоны не образуются. Зато у них возможно образование конвективных зон в центральных слоях. Горячие звезды массивнее, а потому температура и давление вещества в них быстро нарастают по мере приближения к центру. Выделение термоядерной энергии с ростом температуры также быстро увеличивается. Поэтому в недрах массивных звезд энерговыделение настолько быстро нарастает к центру, что только конвекция может обеспечить вынос энергии из своих недр. Из-за этого теплоотдача таких звезд больше, они горячее, наружные их слои лучше прогреваются, ив них отсутствует конвекция. Поток нейтрино от Солнца в 3,2 раза меньше, чем предсказывает теория. По гипотезе астрофизика Фаулера дефицит потока солнечного нейтрино связан с циклическими изменениями светимости Солнца из-за крупномасштабных вариаций солнечной активности. Следовательно, поток нейтрино периодически меняется входе эволюции Волновая оптика 240 Солнца. В настоящее время измеряемая величина потока нейтрино близка к минимальной и достигнет своего максимума через 5 млн. лет. Цикличность изменения потока нейтрино составляет 100 млн. лет, что характерно для всех звезд типа Солнца. Непосредственная причина уменьшения потока нейтрино заключается в понижении температуры солнечного ядра, что, в свою очередь обусловлено проникновением изотопа гелия 2 3 He в зону протекания ядерных реакций в результате быстрого перемешивания вещества Солнца, где он относительно быстро выгорает. При этом происходит понижение светимости Солнца на несколько процентов. Это - следствие постепенного накапливания динамической неустойчивости, связанной с вращением Солнца. Наблюдения поверхности Солнца обнаружили на нем существование пятен. В максимуме солнечной активности (каждые 11 лет) количество пятен на Солнце увеличивается. Кроме вращения солнечной системы вокруг центра Галактики, Солнце вращается с периодом около 25 суток вокруг своей оси, наклоненной к плоскости эклиптики под углом немного меньшим 90 Это вращение является дифференциальным, те. вращение Солнца вокруг своей оси происходит с угловой скоростью, уменьшающейся по мере удаления от экватора, что связывают с конвекцией наружных слоев Солнца. При анализе линий поглощения в спектре Солнца обнаружено, что большинство спектральных линий расширяется в той части спектра, которая соответствует изображению пятна. Это происходит в том случае, если излучающий газ находится в магнитном поле. Следовательно, солнечные пятна имеют магнитное поле с достаточно большой индукцией до 5000 Гс. Аномалии земного магнитного поля (магнитные бури) наблюдают, когда крупные солнечные пятна находятся вблизи центрального меридиана Солнца. Установлено, что эта связь существует, ноне определяется непосредственно воздействием магнетизма пятен на магнитное поле Земли. Она - следствие других явлений, происходящих в области солнечной атмосферы, занятой пятнами. Эти явления порождают электромагнитное и корпускулярное излучения, воздействующие на Землю через целую цепь взаимодействий. У некоторых звезд, называемых магнитными, наблюдается расщепление спектральных линий, соответствующее индукции магнитного поля в несколько тесла. Но такие объекты редки. У большинства звезд при их образовании магнитное поле либо разрушается, либо покидает вещество звезды. Солнечные пятна имеют четкие границы, в центральной его части - тень. Ее яркость враз слабее окружающей невозмущенной фотосферы. Радиальные волокна между тенью и фотосферой образуют полутень. Может быть, что волокна полутени - это газ, вытянутый вдоль линий индукции магнитного поля. Или это движущие струи газа. Особенностью пятен является их Волновая оптика 241 тенденция образовывать биполярные группы. Таким образом, заметные проявления солнечной активности - пятна, гранулы и группы пятен, определенным образом связаны с конвективной зоной. В пятне толщина фотосферы больше, а это означает, что переход от медленного к быстрому уменьшению температуры вверх в этих областях начинается с более глубокого уровня. Вот почему пятна холоднее окружающей фотосферы в них на большом протяжении происходит уменьшение температуры с высотой. Поэтому пятно кажется темным. А резкость очертаний пятен связана стем, что пятно представляет собой углубление. Пятна имеют тарелкообразную форму с "дном" на глубине 700-1000 км. Размеры пятен колеблются от 1000 км до 10 тыс. км. Пятна окружены факелами, в которых конвекция усилена за счет магнитного поля. В хромосфере над факелами видны более яркие области, называемые флоккулами Грандиозными из активных образований в солнечной атмосфере являются протуберанцы, представляющие собой плазменные облака, состоящие из вещества хромосферы, удерживаемые магнитными полями в короне. Протуберанцы простираются в длину до 1/3 радиуса Солнца. Самое мощное проявление солнечной активности - это вспышки Они возникают в небольших областях хромосферы и короны над пятнами. За 10 мин это явление охватывает огромные области солнечной атмосферы. По своей сути вспышка - это взрыв, вызванный внезапным сжатием плазмы. Сжатие происходит под давлением магнитного поля и приводит к образованию длинного плазменного жгута или ленты протяженностью в десятки, и даже сотни тысяч километров. При вспышке выделяется энергия до 10 25 Дж. Вспышка порождает ударную волну, распространяющуюся вверх в корону, вниз в фотосферу и горизонтально вдоль поверхностных слоев солнечной атмосферы. Излучение солнечных вспышек оказывает сильное воздействие на верхние слои земной атмосферы и приводит к возникновению целого ряда геофизических явлений на Земле. На расстоянии примерно 10 радиусов Солнца от его центра плазма с температурой в 10 6 К содержит частицы, большинство которых имеют скорость больше параболической, что приводит к удалению частиц короны от Солнца. Так возникает постоянный поток плазмы от Солнца (солнечный ветер. Систематические наблюдения пятен на Солнце показали, что максимумы числа пятен повторяются в среднем через 11 лет. Но самое замечательное, что в следующем цикле, те. через 11 лет, полярности всех пятен в группах обоих полушарий Солнца изменяются на противоположные, а еще через 11 лет возвращаются к исходному состоянию. Поэтому лучше говорить о летнем цикле, а не летнем. Пятна вначале цикла возникают вдали от солнечного экватора на широтах 30-35 0 , а затем постепенно зона пятнообразования приближается к экватору. Нона самом экваторе пятен почти не образуется. Волновая оптика 242 В периоды усиления солнечной активности на Земле возникают магнитные бури (стрелка компаса совершает беспорядочные колебания. Частота магнитных бурь возрастает с усилением солнечной активности. Магнитная буря наступает примерно через сутки после прохождения группы пятен или большого пятна через центральный меридиан Солнца. На Земле в этот момент возникают полярные сияния. Активность Солнца приводит к тому, что солнечный ветер деформирует земную магнитосферу. Со стороны Солнца земная магнитосфера сжимается лобовым давлением солнечного ветра, ас противоположной стороны образуется длинный хвост магнитного поля. Это происходит в результате взаимодействия солнечного вращения вокруг своей оси, магнитных полей, проникающих далеко в корону, и радиально распространяющегося солнечного ветра, поэтому межпланетная плазма приобретает спирально-секторную структуру. Таких секторов образуется 4-5. Спиральные границы между соседними секторами - это проникшие в корону радиально вытянутые солнечным ветром и закрученные вращением Солнца магнитные поля биполярных групп пятен. В связи с этим жизнь на Земле должна быть надежно защищена от ионизирующей и проникающей радиации Солнца. В этом огромную роль играет магнитное поле Земли и определенный химический состав атмосферы, обеспечивающий поглощение жесткого излучения. Замечание С помощью зондов, запущенных в последнее десятилетие к Солнцу, астрономы сделали целый ряд удивительных открытий солнечное торнадо, сейсмические волны на поверхности Солнца, взрывы в гелиосфере, солнечные пассаты. Например, до этого не удавалось удовлетворительно ответить на вопрос, как солнечная корона, внешняя оболочка нашей Звезды, разогревается до 3 млн. кельвинов (лежащие под ней сферы Солнца, через которые энергия передается от ядра к внешним слоям, имеет температуру всего 5500 К. Приборы зондов зафиксировали в магнитном поле Солнца молнии - сверхмощные электрические разряды. Эти разряды и разогревают тонкий слой газа в короне до его температуры. Зонды обнаружили, что в гелиосфере Солнца наблюдаются торнадо - диаметр этих вихрей, которые возникают преимущественно у полюсов Звезды, равняется диаметру Земли. Вихри торнадо, со скоростью в его воронке до 540 тыс. км/час, поднимают в верхние слои гелиосферы мощные массы раскаленного газа. Сверхмощные взрывы сотрясают гелиосферу Солнца. Скорость ударной волны, порожденной взрывом, составляет 1,5 млн. км/час. Проносясь по поверхности Солнца они вызывают "коронарный" выброс массы в околосолнечное пространство. Солнечные пятна возникают по краям "солнечных пассатов" - горизонтальных потоков газа шириной до 65000 км. Все эти явления предположительно имеют общую природу. Волновая оптика 243 И вихри в гелиосфере, и порывы солнечного ветра, и выбросы в космос солнечной материи - суть следствия работы солнечного "ротора" - внутреннего газового слоя, который непрерывно меняя скорость вращения, вызывает завихрение и турбулентные течения в верхних слоях атмосферы Солнца. Этот "ротор" создает магнитное поле Солнца и его действием объясняется остывание участков поверхности Солнца (до 3000 К) и образование пятен, выбросы протуберанцев и т.д. Толщина слоя "ротора" составляет 61 тыс. км, а глубина, на которой он начинается, -216 тыс. км. Этот "ротор" крутится прямо под областью конвекции, лежащей между ядром и светящейся оболочкой Солнца. Зонды записали "голос" Солнца. Раскаленные газовые вихри, поднимающиеся из глубин Солнца к поверхности, ревут и стонут в необъятном диапазоне частотно доминируют наиболее низкие тона - и голос нашей Звезды подобен гудению огромного басового колокола. |